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科学家探索“太空水泥”制作方法
时间:2022-08-15 15:59:00            字体[       ] [ 打印 ]
  据Mining.com网站报道,特拉华大学的研究人员正在探索利用类似月球或火星的表土材料制作太空水泥的方法,这种水泥将用于修造建筑物、住房或火箭着陆场。

  “如果我们想在另外一个星球,比如火星或月球上生活和工作,就必须制造水泥。但是,我们又不能随身扛着水泥袋—而是需要利用当地资源”,本项研究共同作者,研究这一思路的诺曼·瓦格纳(Norman Wagner)在一份媒体声明中称。

  瓦格纳称,成功制造太空水泥需要一种粘合剂通过化学作用将原材料粘合在一起。对这种建筑材料的一个要求是,它必须经久耐用,才能保护人造火箭在垂直起飞或着陆期间免受扬起的岩石、灰尘和其他碎片的影响。大多数常规建筑材料,比如普通水泥,不适合太空条件。

  为突破这些限制,特拉华大学的科学家将类似月球和火星土壤的材料转化为一种被认为是常规水泥良好替代品的地质聚合物水泥(简称地聚水泥)。研究团队还创建了一种用于不同类型地聚水泥及其特征对比的框架。

  在发表于《空间研究进展》(Advances in Space Research)的论文中,研究人员解释称,地质聚合物是一种源自普通粘土中的铝硅酸盐矿物的无机聚合物,这种粘土在从特拉华州纽瓦克市的白粘土溪(White Clay Creek)到非洲的广大区域都有分布。当与pH值高的熔剂(例如硅酸钠)混合时,粘土可以溶解,释放其中的铝和硅,从而与其他材料反应形成新物质,比如水泥。月球和火星上的土壤也含有普通粘土。

  模拟月球和火星土壤

  受这种相似性的启发,论文共同作者玛丽亚·卡扎罗娃(Maria Katzarova)和詹妮弗·米尔斯(Jennifer Mills)想到是否可以利用地质聚合物化学属性激活模拟的月球和火星土壤,使其成为与混凝土一样的建筑材料。因此,他们采用完全相同的方式,从各种已知的模拟土壤中首次系统制备了地质聚合物粘合剂,并对这种材料的性能进行了比较。

  研究人员将各种模拟土壤与硅酸钠混合,然后将地质聚合物混合物注入冰块状模具中,等待反应发生。

  7天后,他们测量了每个立方块的大小和重量,然后将其压碎以了解材料在不同负载下的表现。具体来说,他们想知道模拟土壤之间的微小化学性质差异是否会影响材料的强度。

  “当火箭起飞时,起降台需要承受很大的重量,混凝土必须支撑的住,因此材料的抗压强度成为一个重要指标”,瓦格纳说。“至少在地球上,我们能够制造具有完成这项工作所需抗压强度的小立方块材料。”

  研究人员计算了宇航员需要携带多少陆地材料才能在月球或火星表面建起起降台。结果表明,估计的数量从几百公斤到几千公斤不等,但完全在火箭的有效载荷范围内。

  不同条件下的性能表现

  该团队还将样品置于不同的太空环境中,包括真空以及低温和高温条件。

  在真空下,一些材料样品确实形成了水泥,而另外一些只是部分形成。但总体而言,与在室温和常压下固化的地质聚合物方块相比,真空下地聚水泥的抗压强度降低。这引发了新的思考,不同用途要具体分析。

  “是在加压环境中铸造这些物质以确保形成最强材料,还是在真空、月球或火星上的正常环境下形成它们并得到一些足够好的东西,可能需要权衡”,米尔斯说。

  同时,在约-80度摄氏度的低温下,地质聚合物材料完全没有反应。

  研究人员发现,在大约600摄氏度的高温下,每个类似月球的样本强度都增大。

  这并不奇怪,因为在低温下热动力不足。研究还发现,在加热下地聚水泥物理性质发生了变化。

  “地质聚合物砖加热后变脆,易碎而不是能压缩或分为两部分”,米尔斯指出。“如果材料要承受任何形式的外部压力,这就关键了”。

  鉴于以上结果,研究人员认为,化学成分和粒度可能是决定材料强度的重要因素。例如,颗粒小能够增加可用表面积,促进反应并可能提高整体材料强度。另外一个可能的影响因素为原始材料中的铝硅酸盐含量,添加的溶液也可能含有少量这些物质并影响材料性能,这很难估计。

  该小组强调,了解影响材料强度的因素非常重要。因为宇航员使用的表土材料可能来自星球的不同地方,甚至是来源于不同星球。

  以上研究结果也可用于在地球上制造更有利于环境而且原料在当地更为丰富的地聚水泥。与传统水泥相比,地聚水泥用水量更低,因为水本身在反应中不被消耗。相反,水可以回收再利用,在地球干旱地区和外太空等水资源有限的环境下更具优势。

 

 

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