Chloé Moreau L’exploration spatiale soutenue nécessitera des infrastructures qui n’existent pas actuellement : bâtiments, logements, plateformes d’atterrissage de fusées.
Alors, où vous tournez-vous pour les matériaux de design quand ils sont trop gros pour tenir dans votre bagage à main et qu’il n’y a pas de Residence Depot dans l’espace ?
“Si nous allons vivre et travailler sur une autre planète comme Mars ou la Lune, nous devons faire du béton. Mais nous ne pouvons pas emporter de sacs de béton avec nous, nous devons utiliser les ressources locales”, a déclaré Norman Wagner, Chaire Unidel Robert L. Pigford de génie chimique et biomoléculaire à l’Université du Delaware.
Les chercheurs explorent des moyens d’utiliser des matériaux de terre végétale ressemblant à de l’argile provenant de la lune ou de Mars comme base pour du ciment extraterrestre. Pour réussir, il faudra un liant pour coller ensemble les matériaux de départ extraterrestres grâce à la chimie. L’une des exigences de ce matériau de development hors du commun est qu’il doit être suffisamment durable pour les rampes de lancement verticales nécessaires pour protéger les fusées fabriquées par l’homme des tourbillons de roches, de poussière et d’autres débris lors du décollage ou de l’atterrissage. La plupart des matériaux de building conventionnels, tels que le ciment ordinaire, ne conviennent pas dans les disorders spatiales.
Wagner et ses collègues d’UD travaillent sur ce problème et ont réussi à convertir des sols lunaires et martiens simulés en ciment géopolymère, qui est considéré comme un bon substitut au ciment conventionnel. Le travail a été mis en évidence récemment dans Innovations in Engineering.
Ciment géopolymère
Les géopolymères sont des polymères inorganiques formés à partir de minéraux d’aluminosilicate trouvés dans les argiles communes partout de Newark, White Clay Creek du Delaware à l’Afrique. Lorsqu’elle est mélangée avec un solvant à pH élevé, tel que le silicate de sodium, l’argile peut être dissoute, libérant l’aluminium et le silicium à l’intérieur pour réagir avec d’autres matériaux et former de nouvelles structures, comme le ciment.
Les sols sur la Lune et sur Mars contiennent également des argiles communes.
Cela a amené Maria Katzarova, ancienne scientifique associée et membre du laboratoire de Wagner à l’UD, à se demander s’il était doable d’activer des sols lunaires et martiens simulés pour devenir des matériaux de development semblables à du béton en utilisant la chimie des géopolymères. Elle a proposé l’idée à la NASA et a obtenu un financement through le Delaware Area Grant Consortium pour essayer avec l’aide et l’expertise de Jennifer Mills, alors doctorante à l’UD, qui a étudié les géopolymères terrestres pour sa thèse de doctorat. Les chercheurs ont systématiquement préparé des liants géopolymères à partir d’une variété de sols simulés connus de la même manière exacte et ont comparé les performances des matériaux, ce qui n’avait jamais été fait auparavant.
“Ce n’est pas une chose triviale. Vous ne pouvez pas simplement dire donnez-moi de la vieille argile, et je ferai en sorte que ça marche. Il y a des paramètres, une chimie dont vous devez vous soucier”, a déclaré Wagner.
Les chercheurs ont mélangé divers sols simulés avec du silicate de sodium, puis ont coulé le mélange de géopolymères dans des moules en forme de glaçons et ont attendu que la réaction se produise. Au bout de sept jours, ils ont mesuré la taille et le poids de chaque cube, puis l’ont broyé pour comprendre remark le matériau se comporte sous charge. In addition précisément, ils voulaient savoir si de légères différences de chimie entre les sols simulés affectaient la résistance du matériau.
“Lorsqu’une fusée décolle. de sorte que la résistance à la compression du matériau devient une mesure importante”, a déclaré Wagner. “Au moins sur Terre, nous avons pu fabriquer des matériaux en petits cubes qui avaient la résistance à la compression nécessaire pour faire le travail.”
Les chercheurs ont également calculé la quantité de matériel terrestre que les astronautes auraient besoin d’emporter avec eux pour construire une piste d’atterrissage à la floor de la lune ou de Mars. Il s’avère que la quantité estimée se situe bien dans la plage de cost utile d’une fusée, allant de centaines à des milliers de kilogrammes.
Simulation des circumstances spatiales
L’équipe de recherche a également soumis les échantillons à différents environnements présents dans l’espace, notamment le vide et des températures basses et élevées. Ce qu’ils ont trouvé était instructif.
Sous vide, certains des échantillons de matériaux ont formé du ciment, tandis que d’autres n’ont réussi que partiellement. Cependant, dans l’ensemble, la résistance à la compression du ciment géopolymère a diminué sous vide. Cela soulève de nouvelles considérations en fonction de la place du matériau.
“Il va y avoir un compromis entre si nous devons couler ces matériaux dans un environnement sous pression pour garantir que la réaction forme le matériau le furthermore résistant ou si nous pouvons nous en sortir en les formant sous vide, l’environnement usual sur la lune ou Mars, et atteindre quelque chose qui est assez bon », a déclaré Mills, qui a obtenu son doctorat en génie chimique à l’UD en mai 2022 et travaille maintenant chez Dow Chemical Company.
Pendant ce temps, à des températures basses d’environ -80 degrés Celsius, les matériaux géopolymères n’ont pas du tout réagi.
“Cela nous indique que nous pourrions avoir besoin d’utiliser une sorte d’accélérateur pour atteindre la force que nous voyons à température ambiante”, a déclaré Mills. “Peut-être que le géopolymère doit être chauffé.”
À des températures élevées, environ 600 degrés Celsius, les chercheurs ont découvert que chaque échantillon semblable à la lune devenait as well as fort. Ce n’était pas surprenant, a déclaré Mills, étant donné la façon dont la cinétique était entravée à basse température. L’équipe de recherche a également constaté des changements dans la mother nature physique du ciment géopolymère sous l’effet de la chaleur.
“Les briques géopolymères sont devenues beaucoup plus fragiles lorsque nous les avons chauffées, se brisant au lieu de se comprimer ou de se casser en deux”, a déclaré Mills. “Cela pourrait être crucial si le matériau doit être soumis à tout type de pression externe.”
Sur la foundation de leurs résultats, les chercheurs ont déclaré que la composition chimique et la taille des particules peuvent jouer un rôle critical dans la résistance des matériaux. Par exemple, des particules moreover petites augmentent la surface area disponible, ce qui facilite leur réaction et conduit potentiellement à une moreover grande résistance globale du matériau. Autre facteur possible : la quantité d’aluminosilicate contenue dans les matériaux de départ, qui peut être difficile à estimer lorsque les remedies ajoutées peuvent également contenir de petites concentrations de ces matériaux et contribuer aux performances des matériaux.
Qu’est-ce que tout cela veut dire?
Eh bien, Amazon n’offre pas de livraison en deux jours dans l’espace, donc concevoir la bonne formulation de matériaux de départ pour prendre les choses en main. Il est également significant de comprendre ce qui affecte la résistance des matériaux.
Ces résultats peuvent également être utilisés pour fabriquer des ciments géopolymères sur Terre qui sont meilleurs pour l’environnement et peuvent provenir d’une furthermore grande variété de matériaux locaux. Les ciments géopolymères nécessitent également moins d’eau qu’il n’en faut pour fabriquer du ciment traditionnel, car or truck l’eau elle-même n’est pas consommée dans la réaction. Au lieu de cela, l’eau peut être récupérée et réutilisée, un furthermore dans les environnements limités en eau, des paysages terrestres arides à l’espace extra-atmosphérique.
le chauffage par micro-ondes peut accélérer le durcissement des géopolymères et pourrait un jour fournir un moyen aux constructeurs terrestres – ou aux astronautes – de durcir le béton géopolymère de manière ciblée.
