Xây dựng trên mặt trăng và sao Hỏa? Bạn sẽ cần xi măng ngoài trái đất cho việc đó
Các nhà nghiên cứu của Đại học Delaware đã trộn đất mặt trăng và sao Hỏa mô phỏng với dung dịch có độ pH cao để tạo ra gạch geopolymer, sau đó nghiền gạch để xem độ bền của chúng. Các thí nghiệm đang giúp họ tìm ra cách để các phi hành gia tạo ra vật liệu xây dựng trong không gian. Nguồn: Hình ảnh minh họa của Jeffrey C. Chase / Đại học Delaware
Khám phá không gian bền vững sẽ yêu cầu cơ sở hạ tầng hiện chưa tồn tại: tòa nhà, nhà ở, bệ hạ cánh tên lửa.
Vì vậy, bạn sẽ chuyển vật liệu xây dựng ở đâu khi chúng quá lớn để có thể mang theo và không có Home Depot ở ngoài không gian?
Norman Wagner, Unidel, cho biết: "Nếu chúng ta sẽ sống và làm việc trên một hành tinh khác như sao Hỏa hoặc mặt trăng, chúng ta cần phải tạo ra bê tông. Nhưng chúng ta không thể mang theo những bao bê tông - chúng ta cần sử dụng các nguồn lực địa phương" Robert L. Pigford Chủ tịch Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học tại Đại học Delaware.
Các nhà nghiên cứu đang tìm cách sử dụng vật liệu đất sét giống như đất sét từ mặt trăng hoặc sao Hỏa làm cơ sở cho xi măng ngoài Trái đất. Để thành công sẽ cần một chất kết dính để kết dính các nguyên liệu ban đầu ngoài Trái đất với nhau thông qua hóa học. Một yêu cầu đối với vật liệu xây dựng ngoài thế giới này là nó phải đủ bền cho bệ phóng thẳng đứng cần thiết để bảo vệ tên lửa nhân tạo khỏi đá xoáy, bụi và các mảnh vỡ khác khi cất hoặc hạ cánh. Hầu hết các vật liệu xây dựng thông thường, chẳng hạn như xi măng thông thường, không thích hợp trong điều kiện không gian.
Wagner của UD và các đồng nghiệp đang nghiên cứu vấn đề này và đã chuyển đổi thành công đất mặt trăng và sao Hỏa mô phỏng thành xi măng geopolymer, được coi là chất thay thế tốt cho xi măng thông thường. Nhóm nghiên cứu cũng đã tạo ra một khuôn khổ để so sánh các loại xi măng geopolymer khác nhau và đặc điểm của chúng và báo cáo kết quả trên tạp chí Advances in Space Research. Công việc này đã được đánh dấu gần đây trên tạp chí Advances in Engineering.
Xi măng geopolymer
Geopolyme là các polyme vô cơ được hình thành từ các khoáng chất aluminosilicat được tìm thấy trong các loại đất sét phổ biến ở khắp mọi nơi từ Newark, Lạch đất sét trắng của Delaware đến Châu Phi. Khi trộn với dung môi có độ pH cao, chẳng hạn như natri silicat, đất sét có thể bị hòa tan, giải phóng nhôm và silic bên trong để phản ứng với các vật liệu khác và hình thành cấu trúc mới - như xi măng.
Đất trên mặt trăng và sao Hỏa cũng chứa các loại đất sét phổ biến.
Điều này khiến Maria Katzarova, một nhà khoa học cũ và là thành viên phòng thí nghiệm của Wagner tại UD, tự hỏi liệu có thể kích hoạt đất mô phỏng của mặt trăng và sao Hỏa để trở thành vật liệu xây dựng giống như bê tông bằng cách sử dụng hóa học geopolymer hay không. Cô đã đề xuất ý tưởng với NASA và nhận được tài trợ thông qua Delaware Space Grant Consortium để thử với sự giúp đỡ và chuyên môn của nghiên cứu sinh tiến sĩ Jennifer Mills tại ĐHĐN khi đó, người đã nghiên cứu về geopolyme trên cạn cho luận án tiến sĩ của mình. Các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị một cách có hệ thống chất kết dính geopolymer từ nhiều loại đất mô phỏng đã biết theo cùng một cách chính xác và so sánh hiệu suất của vật liệu, điều chưa từng được thực hiện trước đây.
Wagner nói: "Đây không phải là một điều tầm thường. Bạn không thể nói rằng hãy đưa cho tôi bất kỳ loại đất sét cũ nào, và tôi sẽ làm cho nó thành công. Có những chỉ số về nó, hóa học mà bạn phải lo lắng".
Các nhà nghiên cứu đã trộn các loại đất mô phỏng khác nhau với natri silicat sau đó đúc hỗn hợp geopolymer thành các khuôn giống như khối đá và chờ phản ứng xảy ra. Sau bảy ngày, họ đo kích thước và trọng lượng của từng khối lập phương, sau đó nghiền nhỏ để hiểu vật liệu hoạt động như thế nào khi chịu tải trọng. Cụ thể, họ muốn biết liệu sự khác biệt nhỏ về hóa học giữa các loại đất mô phỏng có ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu hay không.
Wagner cho biết: “Khi một tên lửa cất cánh, có rất nhiều trọng lượng đẩy xuống bệ hạ cánh và bê tông cần phải giữ, vì vậy cường độ nén của vật liệu trở thành một thước đo quan trọng. "Ít nhất trên Trái đất, chúng ta đã có thể tạo ra các vật liệu ở dạng khối nhỏ có cường độ nén cần thiết để thực hiện công việc."
Các nhà nghiên cứu cũng tính toán lượng vật liệu trên cạn mà các phi hành gia cần mang theo để xây dựng một bệ hạ cánh trên bề mặt của mặt trăng hoặc sao Hỏa. Hóa ra, số lượng ước tính nằm trong phạm vi tải trọng của tên lửa, từ hàng trăm đến hàng nghìn kg.
Mô phỏng điều kiện không gian
Nhóm nghiên cứu cũng cho các mẫu thử vào các môi trường khác nhau trong không gian, bao gồm cả chân không và nhiệt độ thấp và cao. Những gì họ tìm thấy là thông tin.
Trong điều kiện chân không, một số mẫu vật liệu đã tạo thành xi măng, trong khi những mẫu khác chỉ thành công một phần. Tuy nhiên, về tổng thể, cường độ nén của xi măng geopolymer giảm trong điều kiện chân không, so với các viên geopolymer được đóng rắn ở nhiệt độ và áp suất phòng. Điều này làm nảy sinh những cân nhắc mới tùy thuộc vào mục đích của vật liệu.
"Sẽ có sự cân bằng giữa việc liệu chúng ta có cần đúc những vật liệu này trong một môi trường có áp suất để đảm bảo phản ứng tạo thành vật liệu bền nhất hoặc liệu chúng ta có thể loại bỏ việc hình thành chúng trong chân không, môi trường bình thường trên mặt trăng hoặc sao Hỏa và đạt được điều gì đó đủ tốt hay không ", Mills, người đã lấy bằng tiến sĩ về kỹ thuật hóa học tại UD vào tháng 5 năm 2022 và hiện đang làm việc cho biết tại Công ty Hóa chất Dow.
Trong khi đó, dưới nhiệt độ thấp khoảng -80 độ C, các vật liệu geopolymer hoàn toàn không phản ứng.
Mills cho biết: “Điều này cho chúng ta biết rằng chúng ta có thể cần sử dụng một số loại chất gia tốc để đạt được sức mạnh mà chúng ta thấy ở nhiệt độ phòng. "Có thể geopolymer cần được làm nóng, hoặc có thể chúng ta cần thêm thứ gì đó khác vào hỗn hợp để bắt đầu phản ứng cho các ứng dụng hoặc môi trường nhất định."
Ở nhiệt độ cao, khoảng 600 độ C, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng mọi mẫu giống như mặt trăng đều mạnh hơn. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên, Mills nói, do động học bị cản trở như thế nào ở nhiệt độ thấp. Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy những thay đổi về bản chất vật lý của xi măng geopolymer dưới nhiệt.
Mills cho biết: “Những viên gạch geopolymer trở nên giòn hơn nhiều khi chúng tôi làm nóng chúng, vỡ ra thay vì bị nén hoặc vỡ làm đôi. "Điều đó có thể quan trọng nếu vật liệu phải chịu bất kỳ loại áp lực bên ngoài nào."
Dựa trên kết quả của họ, các nhà nghiên cứu cho biết rằng thành phần hóa học và kích thước hạt có thể đóng một vai trò quan trọng trong độ bền của vật liệu. Ví dụ, các hạt nhỏ hơn làm tăng diện tích bề mặt có sẵn, khiến chúng dễ phản ứng hơn và có khả năng dẫn đến sức mạnh tổng thể của vật liệu lớn hơn. Một yếu tố khác có thể xảy ra: hàm lượng aluminosilicat trong nguyên liệu ban đầu, có thể khó ước tính khi các dung dịch thêm vào cũng có thể chứa nồng độ nhỏ của các nguyên liệu này và góp phần vào hiệu suất của nguyên liệu.
Tất cả nó có nghĩa gì?
Chà, Amazon không cung cấp dịch vụ giao hàng trong hai ngày tới không gian, vì vậy việc thiết kế công thức nguyên liệu ban đầu phù hợp mới là vấn đề quan trọng. Hiểu điều gì ảnh hưởng đến sức bền của vật chất cũng rất quan trọng, vì các phi hành gia sẽ tìm nguồn cung cấp vật liệu lớp đất mặt của chúng ta từ những nơi khác nhau trên các hành tinh — và thậm chí có thể là các hành tinh khác nhau hoàn toàn.
Những kết quả này cũng có thể được sử dụng để tạo ra xi măng geopolymer trên Trái đất tốt hơn cho môi trường và có thể được lấy từ nhiều loại vật liệu địa phương hơn. Xi măng geopolymer cũng cần ít nước hơn so với lượng nước cần thiết để sản xuất xi măng truyền thống, vì bản thân nước không bị tiêu thụ trong phản ứng. Thay vào đó, nước có thể được phục hồi và tái sử dụng, một điểm cộng trong các môi trường hạn chế nước từ cảnh quan trái đất khô cằn đến không gian vũ trụ.
Ngày nay, hai trong số các nghiên cứu sinh hiện tại của Wagner đang khám phá cách sử dụng xi măng geopolymer cho các ngôi nhà in 3D và kích hoạt vật liệu geopolymer bằng công nghệ vi sóng. Công trình là một dự án hợp tác với các nhà nghiên cứu tại các trường đại học Northeastern và Georgetown. Tương tự như lò vi sóng bạn sử dụng để hâm nóng cà phê buổi sáng, lò vi sóng có thể tăng tốc quá trình đóng rắn geopolymer và một ngày nào đó có thể cung cấp một cách cho các nhà xây dựng trên cạn — hoặc phi hành gia — để xử lý bê tông geopolymer một cách có mục tiêu.
