To, co brzmi jak komedia slap-stick, jest właściwie solidną nauką. Przy tak dużej przyszłości kosmicznej przyszłości ludzkości, obejmującej siedliska, inne struktury oraz stałą obecność na Księżycu i Marsie, mieszanie betonu w kosmosie jest poważnym biznesem. NASA ma program badań o nazwie MICS (Microgravity Investigation of Cement Solidification), który bada, w jaki sposób możemy budować siedliska lub inne struktury w mikrograwitacji.
Beton jest najczęściej stosowanym materiałem na Ziemi, nie licząc wody. Jest szerzej stosowany niż drewno. Jest także dostępny od dłuższego czasu.
Oprócz jakości izolacyjnej beton może również zapewniać ochronę przed promieniowaniem, a jego wytrzymałość strukturalna zapewnia ochronę przed uderzeniami meteorytów. Chociaż nie jest to jedyna opcja do budowania konstrukcji, prawdopodobnie będzie miała do odegrania pewną rolę. Może okazać się ważnym materiałem, ponieważ tylko sam cement, a nie kruszywo lub woda, muszą być transportowane.
W ramach MICS i powiązanego badania o nazwie MVP Cell-05 NASA i Uniwersytet Stanowy Pensylwanii połączyły siły z astronautami na ISS w celu zmieszania betonu. Właściwości betonu na Ziemi są dobrze poznane, ale mikrograwitacja przedstawia inny zestaw okoliczności. Wyniki zostały opublikowane w Frontiers in Materials, zatytułowane „Wpływ mikrograwitacji na mikrostrukturalny rozwój krzemianu trójwapniowego (C3S) Wklej. ”
„Nasze eksperymenty koncentrują się na paście cementowej, która utrzymuje beton razem”.
Aleksandra Radlińska, główny śledczy MICS.
Sam beton jest mieszanką kruszywa, która składa się z piasku, żwiru i skał, połączonych z cementem, który występuje w dwóch rodzajach: cement portlandzki lub cement geopolimerowy. Połącz to wszystko z wodą w odpowiednich proporcjach, wymieszaj i ukształtuj, a gdy odpowiednio się utwardzi lub utwardzi, będzie to wyjątkowo silna substancja. Dlatego niektóre starożytne budowle, takie jak rzymskie akwedukty, które zostały częściowo wykonane z betonu, nadal stoją.
Pomimo tego, jak wszechobecny jest w naszym współczesnym świecie, wciąż wielu naukowców nie wie o tym, jak to działa. Ale wiedzą, że w miarę stwardnienia tworzy kryształy, które zazębiają się ze sobą oraz z piaskiem i żwirem, nadając betonowi swoją siłę. Naukowcy chcieli dowiedzieć się więcej o tym, jak to się dzieje w mikrograwitacji.
„Nasze eksperymenty koncentrują się na paście cementowej, która utrzymuje beton razem. Chcemy wiedzieć, co rośnie w betonie na bazie cementu, gdy nie występują zjawiska grawitacyjne, takie jak sedymentacja ”- powiedziała Aleksandra Radlińska, główny badacz w MICS i MVP Cell-05.
Odnośnie mikrograwitacji, Radlińska powiedziała: „Może to zmienić rozkład krystalicznej mikrostruktury, a ostatecznie właściwości materiału”.
„To, co znajdujemy, może prowadzić do ulepszeń betonu zarówno w kosmosie, jak i na Ziemi” - dodała Rudlińska. „Ponieważ cement jest szeroko stosowany na całym świecie, nawet niewielka poprawa może mieć ogromny wpływ”.
Stosunki wody, kruszywa i betonu potrzebne do wytworzenia betonu o określonych właściwościach są tutaj dobrze znane na Ziemi. A co z Księżycem? Ma tylko 1/6 ziemskiej grawitacji. Lub Mars, który ma nieco ponad 1/3 ziemskiej grawitacji. Eksperymenty miały rzucić światło na to pytanie.
W eksperymencie MICS astronauci mieli kilka paczek proszku cementowego, do których dodawali wodę. Następnie dodawali alkohol do niektórych opakowań w różnym czasie, aby zatrzymać nawodnienie.
W drugim eksperymencie, MVP Cell-05, astronauci dodali również wodę do paczek cementu, ale użyli wirówki na ISS do symulacji różnych grawitacji, w tym grawitacji Marsa i Księżyca. Próbki z obu eksperymentów zostały zwrócone na Ziemię do analizy.
Współgłównym badaczem MVP Cell-05 jest Richard Grugel. Powiedział: „Widzimy już i dokumentujemy nieoczekiwane wyniki”.
Eksperymenty wykazały, że beton zmieszany w mikrograwitacji miał zwiększoną mikroporowatość. W próbkach mikrograwitacyjnych znajdowały się pęcherzyki powietrza, które nie występują w próbkach ziemskiej grawitacji. To z powodu pływalności. Na Ziemi pęcherzyki powietrza unosiłyby się na szczyt, a faktycznie beton jest czasami wibrowany mechanicznie przed utwardzeniem, aby pomóc usunąć pęcherzyki powietrza, które mogą osłabić beton.
Zarówno próbki MICS, jak i MVP Cell-05 wykazały większą krystalizację niż próbki zmielone. O 20% większa mikroporowatość w próbkach mikrograwitacji pozwoliła na więcej miejsca na krystalizację i większe kryształy, które powinny wytworzyć większą wytrzymałość. Ale większa mikroporowatość w próbkach mikrograwitacji tworzy również mniej gęsty beton, co może oznaczać słabszy beton. Rozmiar mikroporów w próbkach mikrograwitacji był również o jeden rząd wielkości większy niż próbek zmielonych.
Beton mikrograwitacyjny miał mniej sedymentacji, co oznacza, że małe cząstki kruszywa nie osiadały na dnie podczas stwardnienia, ale rozkładały się bardziej równomiernie przez beton. Oznacza to, że beton jest bardziej jednolity, co może mieć wpływ na wytrzymałość.
Jest to wstępne badanie betonu w mikrograwitacji. Nie przeprowadzono testów wytrzymałości bardzo małych próbek, więc wszelkie wnioski dotyczące wytrzymałości są przedwczesne. Wskazuje jednak na bardzo różne właściwości betonu 1G i betonu mikrograwitacyjnego, które bez wątpienia zostaną zbadane w przyszłości.
„Zwiększona porowatość ma bezpośredni wpływ na wytrzymałość materiału, ale musimy jeszcze zmierzyć wytrzymałość materiału w kształcie przestrzeni” - powiedziała Radlinska w wywiadzie dla designboom.
Więcej:
- Badanie: Wpływ mikrograwitacji na mikrostrukturalny rozwój krzemianu trójwapniowego (C3S) Wklej
- NASA Sciencecast: Cementing Our Place in Space
- Badanie: Produkty nawodnienia C.3A, C3S i cement portlandzki w obecności CaCO3
- designboom: astronauci z NASA badają, co dzieje się z betonem po zmieszaniu z przestrzenią
- Portland Cement Association: Cement i beton
- National Space Society: Concrete: Potencjalny materiał dla stacji kosmicznej
