La exploración espacial sostenida requerirá una infraestructura que actualmente no existe:edificios, viviendas, plataformas de aterrizaje de cohetes.

Entonces, ¿dónde busca materiales de construcción cuando son demasiado grandes para caber en su equipaje de mano y no hay Home Depot en el espacio exterior?

“Si vamos a vivir y trabajar en otro planeta como Marte o la Luna, necesitamos hacer concreto. Pero no podemos llevar sacos de concreto con nosotros, necesitamos usar recursos locales”, dijo Norman Wagner, Unidel. Cátedra Robert L. Pigford de Ingeniería Química y Biomolecular en la Universidad de Delaware.

Los investigadores están explorando formas de utilizar materiales arcillosos de la capa superior del suelo de la Luna o Marte como base para el cemento extraterrestre. Para tener éxito, se requerirá un aglutinante para unir los materiales de partida extraterrestres a través de la química. Un requisito para este material de construcción fuera de este mundo es que debe ser lo suficientemente duradero para las plataformas de lanzamiento verticales necesarias para proteger los cohetes artificiales de las rocas, el polvo y otros desechos que se arremolinan durante el despegue o el aterrizaje. La mayoría de los materiales de construcción convencionales, como el cemento común, no son adecuados para las condiciones de espacio.

Wagner y sus colegas de UD están trabajando en este problema y convirtieron con éxito suelos lunares y marcianos simulados en cemento de geopolímero, que se considera un buen sustituto del cemento convencional. El equipo de investigación también creó un marco para comparar diferentes tipos de cementos de geopolímeros y sus características e informó los resultados en Advances in Space Research. . El trabajo se destacó recientemente en Advances in Engineering .

Cemento de geopolímero

Los geopolímeros son polímeros inorgánicos formados a partir de minerales de aluminosilicato que se encuentran en arcillas comunes en todas partes, desde Newark, White Clay Creek de Delaware hasta África. Cuando se mezcla con un solvente que tiene un pH alto, como el silicato de sodio, la arcilla se puede disolver, liberando el aluminio y el silicio del interior para que reaccionen con otros materiales y formen nuevas estructuras, como el cemento.

Los suelos de la Luna y Marte también contienen arcillas comunes.

Esto hizo que Maria Katzarova, ex científica asociada y miembro del laboratorio de Wagner en la UD, se preguntara si era posible activar suelos lunares y marcianos simulados para convertirlos en materiales de construcción similares al hormigón utilizando la química de geopolímeros. Ella propuso la idea a la NASA y obtuvo fondos a través del Consorcio de Subvenciones Espaciales de Delaware para intentarlo con la ayuda y la experiencia de la entonces estudiante de doctorado de la UD Jennifer Mills, quien estudió geopolímeros terrestres para su tesis doctoral. Los investigadores prepararon sistemáticamente aglutinantes de geopolímeros a partir de una variedad de suelos simulados conocidos de la misma manera exacta y compararon el rendimiento de los materiales, algo que no se había hecho antes.

"Esto no es algo trivial. No puedes decir simplemente dame cualquier arcilla vieja y haré que funcione. Hay métricas, química de la que tienes que preocuparte", dijo Wagner.

Los investigadores mezclaron varios suelos simulados con silicato de sodio, luego arrojaron la mezcla de geopolímeros en moldes similares a cubitos de hielo y esperaron a que ocurriera la reacción. Después de siete días, midieron el tamaño y el peso de cada cubo, luego lo trituraron para comprender cómo se comporta el material bajo carga. Específicamente, querían saber si las ligeras diferencias en la química entre los suelos simulados afectaban la resistencia del material.

"Cuando despega un cohete, hay mucho peso empujando hacia abajo en la plataforma de aterrizaje y el concreto debe resistir, por lo que la resistencia a la compresión del material se convierte en una métrica importante", dijo Wagner. "Al menos en la Tierra, pudimos fabricar materiales en pequeños cubos que tenían la resistencia a la compresión necesaria para hacer el trabajo".

Los investigadores también calcularon cuánto material terrestre necesitarían llevar los astronautas para construir una plataforma de aterrizaje en la superficie de la Luna o Marte. Resulta que la cantidad estimada está dentro del rango de carga útil de un cohete, desde cientos hasta miles de kilogramos.

Simulación de las condiciones del espacio

El equipo de investigación también sometió las muestras a diferentes entornos presentes en el espacio, incluido el vacío y las temperaturas altas y bajas. Lo que encontraron fue informativo.

Bajo vacío, algunas de las muestras de material formaron cemento, mientras que otras solo tuvieron un éxito parcial. Sin embargo, en general, la resistencia a la compresión del cemento de geopolímero disminuyó bajo vacío, en comparación con los cubos de geopolímero curados a temperatura y presión ambiente. Esto plantea nuevas consideraciones según el propósito del material.

"Va a haber una compensación entre si necesitamos moldear estos materiales en un ambiente presurizado para asegurar que la reacción forme el material más fuerte o si podemos salirnos con la nuestra formándolos al vacío, el ambiente normal en la Luna o Marte, y lograr algo que sea lo suficientemente bueno", dijo Mills, quien obtuvo su doctorado en ingeniería química en la UD en mayo de 2022 y ahora trabaja en Dow Chemical Company.

Mientras tanto, bajo bajas temperaturas de alrededor de -80 grados centígrados, los materiales de geopolímero no reaccionaron en absoluto.

"Esto nos dice que podríamos necesitar usar algún tipo de acelerador para lograr la fuerza que vemos a temperatura ambiente", dijo Mills. "Tal vez el geopolímero deba calentarse, o tal vez debamos agregar algo más a la mezcla para impulsar la reacción para ciertas aplicaciones o entornos".

A altas temperaturas, alrededor de 600 grados centígrados, los investigadores encontraron que cada muestra similar a la luna se fortalecía. Esto no fue sorprendente, dijo Mills, dado que la cinética se vio obstaculizada a bajas temperaturas. El equipo de investigación también observó cambios en la naturaleza física del cemento de geopolímero bajo calor.

"Los ladrillos de geopolímero se volvieron mucho más frágiles cuando los calentamos, rompiéndose en lugar de comprimirse o partirse en dos", dijo Mills. "Eso podría ser importante si el material va a estar sujeto a algún tipo de presión externa".

Según sus resultados, los investigadores dijeron que la composición química y el tamaño de las partículas pueden desempeñar un papel importante en la resistencia del material. Por ejemplo, las partículas más pequeñas aumentan el área de superficie disponible, lo que las hace más fáciles de reaccionar y potencialmente conduce a una mayor resistencia general del material. Otro posible factor:la cantidad de contenido de aluminosilicato en los materiales de partida, que puede ser difícil de estimar cuando las soluciones agregadas también pueden contener pequeñas concentraciones de estos materiales y contribuir al rendimiento del material.

¿Qué significa todo esto?

Bueno, Amazon no ofrece entregas en dos días al espacio, por lo que diseñar la formulación correcta de materiales de partida para tomar las cosas. Comprender qué afecta la resistencia de los materiales también es importante, ya que los astronautas obtendrán nuestros materiales de la capa superior del suelo de diferentes lugares de los planetas, y tal vez incluso de planetas completamente diferentes.

Estos resultados también se pueden utilizar para fabricar cementos de geopolímeros en la Tierra que son mejores para el medio ambiente y se pueden obtener de una variedad más amplia de materiales locales. Los cementos de geopolímero también requieren menos agua de la que se necesita para fabricar cemento tradicional, porque el agua en sí no se consume en la reacción. En cambio, el agua se puede recuperar y reutilizar, una ventaja en entornos con escasez de agua, desde paisajes terrestres áridos hasta el espacio exterior.

Hoy, dos de los estudiantes graduados actuales de Wagner están explorando formas de usar cementos de geopolímeros para imprimir casas en 3D y activar materiales de geopolímeros usando tecnología de microondas. El trabajo es un proyecto de colaboración con investigadores de las universidades Northeastern y Georgetown. Al igual que los microondas que usa para recalentar su café de la mañana, el calentamiento por microondas puede acelerar el curado de geopolímeros y algún día puede proporcionar una forma para que los constructores terrestres, o los astronautas, curen el concreto de geopolímero de manera específica. + Explora más

Concreto de geopolímero de cenizas volantes:Resistencia significativamente mejorada al ataque alcalino extremo