211service.com
Materiaalwetenschappers maken Marsbeton
Er is een groeiende belangstelling voor het doel om mensen naar Mars te sturen. Verschillende ruimteagentschappen zijn begonnen met het bestuderen van de talrijke problemen die zo'n missie met zich mee zou brengen, niet in de laatste plaats de bescherming van mensen tijdens de reis.
Maar als mensen eenmaal op de rode planeet zijn aangekomen, hebben ze gebouwen van hoge kwaliteit nodig om in te leven en te werken. Ze kunnen bepaalde constructies meenemen, maar dit kan slechts een tijdelijke oplossing zijn. De eerste kolonisten zullen snel een manier moeten vinden om structuren te bouwen met behulp van de eigen middelen van de planeet. Maar hoe?
Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Lin Wan en vrienden van de Northwestern University. Deze jongens hebben bedacht hoe ze Marsbeton kunnen maken met materialen die overal op Mars verkrijgbaar zijn. En, cruciaal, dit beton kan worden gevormd zonder water te gebruiken, wat een kostbare hulpbron zal zijn op de rode planeet.
Het belangrijkste materiaal in een bouwhausse op Mars zal zwavel zijn, zegt het Northwestern-team. Het basisidee is om zwavel te verhitten tot ongeveer 240 °C zodat het vloeibaar wordt, het te mengen met Marsgrond, die als een aggregaat fungeert, en het vervolgens te laten afkoelen. De zwavel stolt, bindt het aggregaat en creëert beton. Voila - Marsbeton.
Natuurlijk is het idee om zwavel te gebruiken om aggregaten te binden verre van nieuw. Ingenieurs experimenteren al minstens een eeuw met dit soort materiaal en ontdekten aanvankelijk dat op zwavel gebaseerd beton nogal wat problemen had.
Om te beginnen, als zwavel afkoelt, stolt het om monokliene zwavel te vormen en transformeert het vervolgens in orthorhombische zwavel, de stabiele allotroop bij lagere temperaturen. Maar het krimpt ook tijdens dit proces en dit krimpen creëert holtes en zorgt voor spanningen die het materiaal ernstig verzwakken.
Bovendien bestudeerden materiaalwetenschappers in de jaren zeventig de mogelijkheid om zwavelbeton te gebruiken om maanbases op de maan te bouwen. Ze ontdekten al snel dat zwavel in een vacuüm sublimeert - het verandert van een vaste stof direct in een gas. Dus elk zwavelbeton op de maan zou snel in de ether verdwijnen.
Een belangrijke vraag is dus of zwavelbeton sterk genoeg en duurzaam genoeg kan worden gemaakt om bruikbaar te zijn op Mars.
Om daar achter te komen, hebben Wan en co er een paar gemaakt. Ze gebruikten gesimuleerde Marsgrond die voornamelijk bestond uit siliciumdioxide en aluminiumoxide met andere componenten zoals ijzeroxide, titaniumdioxide, enzovoort. Ze testten ook verschillende deeltjesgroottes in dit aggregaat.
De tests waren duidelijk. Nadat ze het aggregaat hadden gemengd met verschillende percentages gesmolten zwavel en de monsters hadden laten afkoelen tot blokken, maten ze de fysieke eigenschappen van de resulterende materialen, zoals hun druksterkte en faalmechanismen. Ze analyseerden de mix ook chemisch en simuleerden het gedrag ervan.
De resultaten zorgen voor interessante lectuur. Het blijkt dat het gebruik van een aggregaat van kleinere deeltjes de vorming van holtes vermindert, wat de sterkte van het materiaal aanzienlijk verhoogt. De beste mix voor het produceren van Marsbeton is 50 procent zwavel en 50 procent Marsgrond met een maximale aggregaatgrootte van 1 mm, zeggen ze.
En het is sterk materiaal, dat een druksterkte van meer dan 50 MPa bereikt, vooral als het tijdens het uitharden wordt samengedrukt om de vorming van holtes te verminderen. Deze sterkte is ook deels een gevolg van de chemische bindingen die zwavel maakt met de Marsbodem. Ter vergelijking: de normen voor woningbouw op aarde vereisen beton met een druksterkte van ongeveer 20 MPa.
Wan en co zeggen ook dat de atmosferische omstandigheden op Mars hiervoor geschikt zijn. Zowel de atmosferische druk als het temperatuurbereik op Mars zijn voldoende voor het hosten van zwavelbetonconstructies, zeggen ze.
En er zijn nog andere voordelen. Marsbeton kan worden gerecycled door het te verhitten, zodat de zwavel smelt. Het kan dus herhaaldelijk worden hergebruikt. Het is ook snel uithardend, relatief gemakkelijk te hanteren en extreem goedkoop in vergelijking met materialen die van de aarde worden meegebracht.
Dat is interessant werk. Het betekent dat de eerste permanente structuren op Mars eenvoudig te maken moeten zijn. Alles wat we nu nodig hebben, is een nieuwe generatie Mars-architecten om gebouwen van Marsbeton te ontwerpen die geschikte constructies zullen zijn voor mensen om in te leven en te werken.
De tijd zal aan hun kant zijn. De eerste menselijke missies naar Mars zijn nog een paar jaar verwijderd. Maar het is gewoon mogelijk dat de eerste mensen die in deze structuren leven, al zijn geboren en momenteel opgroeien in nogal verschillende gebouwen op aarde.
Referentie:arxiv.org/abs/1512.05461: Een nieuw materiaal voor in-situ constructie op Mars: experimenten en numerieke simulaties