特拉华大学：外星水泥

特拉华大学：外星水泥

• 2022-11-30
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那么，当建筑材料太大而无法放入您的随身行李中，并且外太空中没有Home Depot时，您会在哪里寻找建筑材料呢?

“如果我们要在另一个星球上生活和工作，比如火星或月球，我们需要制造混凝土。但我们不能随身携带一袋袋混凝土 - 我们需要使用当地资源，“特拉华大学Unidel Robert L. Pigford化学和生物分子工程主席Norman Wagner说。

研究人员正在探索使用来自月球或火星的粘土状表土材料作为外星水泥基础的方法。要取得成功，需要一种粘合剂通过化学将外星起始材料粘合在一起。对这种世界外建筑材料的一个要求是，它必须足够耐用，可以用于垂直发射台，以保护人造火箭在升空或着陆期间免受旋转的岩石，灰尘和其他碎片的影响。大多数常规建筑材料，如普通水泥，都不适合在空间条件下使用。

UD的Wagner及其同事正在研究这个问题，并成功地将模拟的月球和火星土壤转化为地聚合物水泥，这被认为是传统水泥的良好替代品。研究小组还创建了一个框架来比较不同类型的地聚合物水泥及其特性，并在《空间研究进展》中报告了结果。这项工作最近在《工程进展》中得到了强调。

地聚合物水泥

地聚合物是由铝硅酸盐矿物形成的无机聚合物，这些矿物存在于从特拉华州纽瓦克的白粘土溪到非洲的普通粘土中。当与具有高pH值的溶剂(如硅酸钠)混合时，粘土可以溶解，释放内部的铝和硅，与其他材料反应并形成新的结构 - 如水泥。

月球和火星上的土壤也含有常见的粘土。

这使得前副科学家、瓦格纳在UD的实验室成员玛丽亚·卡扎罗娃(Maria Katzarova)想知道是否有可能使用地聚合物化学激活模拟的月球和火星土壤，使其成为混凝土状建筑材料。她向NASA提出了这个想法，并通过特拉华州太空资助联盟获得了资金，以尝试在当时的UD博士生Jennifer Mills的帮助和专业知识下，Jennifer Mills为她的博士论文研究了地面地聚合物。研究人员以相同的精确方式从各种已知的模拟土壤中系统地制备了地聚合物粘合剂，并比较了材料的性能，这是以前从未做过的。

“这不是一件小事。你不能只是说给我任何旧的粘土，我会让它工作。有一些指标，你必须担心的化学反应，“瓦格纳说。

由模拟月球表层土制成的破碎的地聚合物立方体，插图显示了月球表层土壤颗粒的放大倍率，这些颗粒已被激活并反应形成地聚合物粘合剂。

研究人员将各种模拟土壤与硅酸钠混合，然后将地聚合物混合物浇注到冰块状模具中，等待反应发生。七天后，他们测量了每个立方体的大小和重量，然后将其压碎以了解材料在负载下的行为。具体来说，他们想知道模拟土壤之间化学成分的微小差异是否会影响材料的强度。

“当火箭起飞时，着陆垫上会有很多重量被推倒，混凝土需要保持，因此材料的抗压强度成为一个重要的指标，”瓦格纳说。“至少在地球上，我们能够用小立方体制造材料，这些材料具有完成工作所需的抗压强度。

研究人员还计算了宇航员在月球或火星表面建造着陆垫需要携带多少地面材料。事实证明，估计的数量完全在火箭的有效载荷范围内，从数百到数千公斤不等。

模拟空间条件

研究小组还将样品置于太空中存在的不同环境中，包括真空以及低温和高温。他们的发现是有益的。

在真空下，一些材料样品确实形成了水泥，而另一些则只取得了部分成功。然而，总体而言，与在室温和压力下固化的地聚合物立方体相比，土聚合物水泥在真空下的抗压强度下降。这根据材料的目的提出了新的考虑因素。

“在我们是否需要在加压环境中铸造这些材料以确保反应形成最强的材料，或者我们是否可以在真空下，在月球或火星上的正常环境中形成它们，并实现足够好的东西之间进行权衡，”米尔斯说，她于2022年5月在UD获得化学工程博士学位，现在在陶氏化学公司工作。

同时，在约-80摄氏度的低温下，地聚合物材料根本没有反应。

“这告诉我们，我们可能需要使用某种促进剂来达到我们在室温下看到的强度，”米尔斯说。“也许地聚合物需要加热，或者我们需要在混合物中添加其他东西来启动某些应用或环境的反应。

在大约600摄氏度的高温下，研究人员发现每个类似月球的样本都变得更强。米尔斯说，这并不奇怪，因为动力学在低温下是如何受到阻碍的。研究小组还看到了地聚合物水泥在加热下的物理性质的变化。

“当我们加热地聚合物砖时，它们变得更加脆，破碎，而不是被压缩或破碎成两半，”米尔斯说。“如果材料要承受任何类型的外部压力，这可能很重要。

根据他们的结果，研究人员表示，化学成分和粒径可能在材料强度中起重要作用。例如，较小的颗粒增加了可用表面积，使它们更容易反应，并可能导致更大的整体材料强度。另一个可能的因素是：起始材料中硅铝酸盐含量的量，当添加的溶液也可能含有小浓度的这些材料并有助于材料性能时，估计起来可能很棘手。

这一切意味着什么?

好吧，亚马逊不提供两天的太空交付，因此设计正确的起始材料配方来解决问题。了解影响材料强度的因素也很重要，因为宇航员将从行星上的不同地方采购我们的表层土材料 - 甚至可能完全是不同的行星。

这些结果也可用于在地球上制造对环境更好的地聚合物水泥，并且可以从更广泛的当地材料中获取。与制造传统水泥相比，地聚合物水泥需要的水也更少，因为水本身不会在反应中被消耗。相反，水可以被回收和再利用，这在从干旱的地球景观到外层空间的限水环境中是一个优势。

今天，瓦格纳的两名研究生正在探索使用地聚合物水泥到3D打印房屋和使用微波技术激活地聚合物材料的方法。这项工作是一个合作项目，由美国国家科学基金会资助，与东北大学和乔治城大学的研究人员合作。与您用来重新加热早晨咖啡的微波类似，微波加热可以加速地聚合物固化，并且有朝一日可能会为陆地建筑商或宇航员提供一种有针对性地固化地聚合物混凝土的方法。