Was sich wie ein Slapstick-Comedy-Shtick anhört, ist in Wirklichkeit solide Wissenschaft. Bei einem so großen Teil der Weltraum-Zukunft der Menschheit, der Lebensräume, andere Strukturen und eine permanente Präsenz auf Mond und Mars umfasst, ist das Mischen von Beton im Weltraum eine ernsthafte Angelegenheit. Die NASA hat ein Studienprogramm namens MICS (Microgravity Investigation of Cement Solidification), das untersucht, wie wir Lebensräume oder andere Strukturen in Mikrogravitation bauen könnten.
Beton ist das am häufigsten verwendete Material auf der Erde, Wasser nicht mitgezählt. Es wird häufiger verwendet als Holz. Es ist auch schon seit a lange Zeit .
Neben seiner isolierenden Eigenschaft kann Beton auch Schutz vor Strahlung bieten und seine strukturelle Festigkeit schützt vor Meteoriteneinschlägen. Obwohl es nicht die einzige Option für den Bau von Strukturen ist, wird es wahrscheinlich eine Rolle spielen. Es könnte ein wichtiges Material werden, weil nur der Zement selbst transportiert werden muss, nicht das Aggregat oder das Wasser.
Im Rahmen MICS , und eine verwandte Studie namens MVP Cell-05 , die NASA und die Pennsylvania State University haben sich mit Astronauten auf der ISS zusammengetan, um Beton zu mischen. Die Eigenschaften von Beton auf der Erde sind gut bekannt, aber die Mikrogravitation stellt eine andere Reihe von Umständen dar. Die Ergebnisse werden in Frontiers in Materials veröffentlicht und tragen den Titel „ Einfluss der Schwerelosigkeit auf die mikrostrukturelle Entwicklung von Tricalciumsilikat (C 3 S) Einfügen . '
„Unsere Experimente konzentrieren sich auf den Zementleim, der den Beton zusammenhält.“
Aleksandra Radlinska, Principal Investigator für MICS.
Beton selbst ist eine Mischung aus einem Aggregat, das aus Sand, Kies und Gesteinen besteht und mit Zement zusammengehalten wird, der in zwei Arten erhältlich ist: Portlandzement oder Geopolymerzement. Alles mit Wasser in den richtigen Proportionen mischen, mischen und formen, und wenn es richtig aushärtet oder aushärtet, ist es eine extrem starke Substanz. Deshalb stehen noch einige antike Bauwerke wie die römischen Aquädukte, die teilweise aus Beton gebaut wurden.
Künstlerische Illustration der Zutaten, die Zement herstellen. Bildquelle: NASA
Obwohl es in unserer modernen Welt allgegenwärtig ist, wissen viele Wissenschaftler noch nicht, wie es funktioniert. Aber sie wissen, dass es beim Aushärten Kristalle bildet, die sich miteinander, mit Sand und Kies verbinden und dem Beton seine Festigkeit verleihen. Wissenschaftler wollten mehr darüber wissen, wie das in der Schwerelosigkeit geschieht.
Künstlerische Illustration der Mikrokristalle, die sich in Beton beim Aushärten bilden. Bildquelle: NASA.
„Unsere Experimente konzentrieren sich auf den Zementleim, der den Beton zusammenhält. Wir wollen wissen, was in Beton auf Zementbasis wächst, wenn es keine schwerkraftbedingten Phänomene wie Sedimentation gibt“, sagte Aleksandra Radlinska, Principal Investigator für MICS und MVP Cell-05.
Ein Elektronenmikroskop-Scan einer Betonmischung. Bildquelle: NASA/J. Neves/P. Collins.
In Bezug auf die Mikrogravitation sagte Radlinska: „Sie könnte die Verteilung der kristallinen Mikrostruktur und letztendlich die Materialeigenschaften verändern.“
„Was wir finden, könnte zu Verbesserungen bei Beton sowohl im Weltraum als auch auf der Erde führen“, fügte Rudlinska hinzu. „Da Zement weltweit in großem Umfang verwendet wird, kann selbst eine kleine Verbesserung enorme Auswirkungen haben.“
Die Verhältnisse von Wasser, Aggregat und Beton, die benötigt werden, um Beton mit bestimmten Eigenschaften herzustellen, sind hier auf der Erde gut bekannt. Aber was ist mit dem Mond? Es hat nur 1/6 der Erdanziehungskraft. Oder der Mars, der etwas mehr als 1/3 der Erdanziehungskraft hat. Die Experimente sollten diese Frage klären.
Im MICS-Experiment hatten die Astronauten eine Reihe von Päckchen Zementpulver, denen sie Wasser hinzufügten. Dann fügten sie zu verschiedenen Zeiten Alkohol zu einigen der Päckchen hinzu, um die Flüssigkeitszufuhr zu stoppen.
ESA-Astronaut Alexander Gerst mischt Zementpakete auf der ISS mit Wasser. Bildquelle: NASA
Im zweiten Experiment, MVP Cell-05, fügten Astronauten auch Zementpäckchen Wasser hinzu, verwendeten jedoch eine Zentrifuge auf der ISS, um verschiedene Schweregrade zu simulieren, einschließlich der Schwere des Mars und des Mondes. Die Proben beider Experimente wurden zur Analyse zur Erde zurückgebracht.
Co-Hauptprüfer für MVP Cell-05 ist Richard Grugel. Er sagte: 'Wir sehen und dokumentieren bereits unerwartete Ergebnisse.'
Die Experimente zeigten, dass Beton, der unter Mikrogravitation gemischt wurde, eine erhöhte Mikroporosität aufwies. In den Mikrogravitationsproben befanden sich Luftblasen, die in den Erdschwereproben nicht vorhanden sind. Das liegt am Auftrieb. Auf der Erde würden die Luftblasen nach oben steigen, und tatsächlich wird Beton manchmal vor dem Aushärten mechanisch vibriert, nur um Luftblasen auszutreiben, die den Beton schwächen können.
Auf der linken Seite ist C3S-Paste, eine Zementsorte, gemischt mit 1G, und auf der rechten Seite dieselbe Paste, die in Mikrogravitation gemischt wurde. Beide sind 56 Tage alt. Die großen runden Strukturen rechts sind eingeschlossene Luftblasen. Die Mikrogravitationsprobe auf der rechten Seite weist ebenfalls eine größere Mikroporosität auf. Bildquelle: Neves et. al., 2019.
Sowohl MICS- als auch MVP Cell-05-Proben zeigten eine stärkere Kristallisation als gemahlene Proben. Die um 20 % größere Mikroporosität in den Mikrogravitationsproben ermöglichte mehr Raum für die Kristallisation und größere Kristalle, die mehr Festigkeit erzeugen sollten. Aber die größere Mikroporosität in den Mikrogravitationsproben erzeugt auch weniger dichten Beton, was einen schwächeren Beton bedeuten könnte. Die Größe der Mikroporen in den Mikrogravitationsproben war auch eine Größenordnung größer als bei gemahlenen Proben.
Der Schwerelosigkeitsbeton hatte eine geringere Sedimentation, was bedeutet, dass sich kleine Zuschlagspartikel beim Erhärten nicht am Boden absetzten, sondern gleichmäßiger im Beton verteilt werden. Das bedeutet, dass der Beton gleichmäßiger ist, was die Festigkeit beeinträchtigen könnte.
Dies ist eine erste Studie über Beton in der Mikrogravitation. An den sehr kleinen Proben wurden keine Festigkeitstests durchgeführt, daher sind alle Schlussfolgerungen über die Festigkeit verfrüht. Es weist jedoch auf einige sehr unterschiedliche Eigenschaften zwischen 1G-Beton und Mikrogravitationsbeton hin, die zweifellos in Zukunft untersucht werden werden.
„Erhöhte Porosität hat einen direkten Einfluss auf die Festigkeit des Materials, aber wir müssen die Festigkeit des raumgeformten Materials noch messen“, sagte Radlinska in einer Interview mit Designboom .
Mehr:
- Lernen: Einfluss der Schwerelosigkeit auf die mikrostrukturelle Entwicklung von Tricalciumsilikat (C 3 S) Einfügen
- NASA Sciencecast: Zementieren unseres Platzes im Weltraum
- Lernen: Hydratationsprodukte von C 3 A, C 3 S- und Portlandzement in Gegenwart von CaCO 3
- Designboom: NASA-Astronauten erforschen, was mit Beton passiert, wenn er im Weltraum vermischt wird
- Portlandzementverband: Zement und Beton
- Nationale Weltraumgesellschaft: Beton: Potentielles Material für die Raumstation
