Det, der lyder som en klap-stick-komedie-shtick, er faktisk solid videnskab. Med så meget af menneskehedens rumfartsfremtid, der involverer naturtyper, andre strukturer og en permanent tilstedeværelse på Månen og Mars, er blanding af beton i rummet alvorlig forretning. NASA har et studieprogram, der hedder MICS, (Microgravity Investigation of Cement Solidification), der undersøger, hvordan vi kan opbygge levesteder eller andre strukturer i mikrogravitet.
Beton er det mest anvendte materiale på Jorden uden tælling af vand. Det er mere brugt end træ. Det har også eksisteret i lang tid.
Bortset fra dens isolerende kvalitet kan beton også give beskyttelse mod stråling, og dens strukturelle styrke giver beskyttelse mod meteoritpåvirkninger. Selvom det ikke er den eneste mulighed for bygning af strukturer, vil det sandsynligvis have en rolle at spille. Det kan ende med at blive et vigtigt materiale, fordi det kun er selve cementen, ikke aggregrate eller vandet, der skal transporteres.
Som en del af MICS og en relateret undersøgelse kaldet MVP Cell-05, samarbejdede NASA og Pennsylvania State University med astronauter på ISS for at blande beton. Betons egenskaber på Jorden er godt forstået, men mikrogravitet præsenterer et andet sæt af omstændigheder. Resultaterne offentliggøres i Frontiers in Materials og har titlen ”Mikrogravitationseffekt på mikrostrukturel udvikling af tri-calciumsilikat (C3S) Indsæt. ”
”Vores eksperimenter fokuserer på cementpastaen, der holder betonen sammen.”
Aleksandra Radlinska, hovedundersøgelse for MICS.
Beton i sig selv er en blanding af et aggregrate, der består af sand, grus og klipper, holdt sammen med cement, der findes i to typer: Portland cement eller geopolymer cement. Kombiner det hele med vand i de rigtige proportioner, bland det og form det, og når det hærder eller hærder ordentligt, er det et ekstremt stærkt stof. Derfor er der stadig nogle gamle strukturer som de romerske akvædukter, som delvist blev fremstillet med beton.
På trods af hvor allestedsnærværende det er i vores moderne verden, er der stadig mange videnskabsmænd, der ikke ved, hvordan det fungerer. Men de ved, at når det hærder, danner det krystaller, der griber ind i hinanden og med sand og grus, hvilket giver beton dens styrke. Forskere ønskede at vide mere om, hvordan det sker i mikrogravitet.
”Vores eksperimenter fokuserer på cementpastaen, der holder betonen sammen. Vi vil gerne vide, hvad der vokser inden i cementbaseret beton, når der ikke er nogen tyngdekraftdrevne fænomener, såsom sedimentation, ”sagde Aleksandra Radlinska, hovedundersøgelse for MICS og MVP Cell-05.
Med hensyn til mikrograviteten sagde Radlinska: "Det kan ændre fordelingen af den krystallinske mikrostruktur og i sidste ende materialegenskaberne."
”Det, vi finder, kunne føre til forbedringer i beton både i rummet og på jorden,” tilføjede Rudlinska. ”Da cement bruges i vid udstrækning verden over, kan selv en lille forbedring have en enorm indflydelse.”
Forholdene mellem vand, aggregrate og beton, der er nødvendige for at fremstille beton med specifikke egenskaber, er godt forstået her på Jorden. Men hvad med på månen? Det har kun 1/6 Jordens tyngdekraft. Eller Mars, der har lidt over 1/3 af jordens tyngdekraft. Eksperimenterne var designet til at kaste lys over dette spørgsmål.
I MICS-eksperimentet havde astronauterne et antal pakker cementpulver, som de satte vand til. Derefter satte de alkohol til nogle af pakkerne på forskellige tidspunkter for at stoppe hydratiseringen.
I det andet eksperiment, MVP Cell-05, føjede astronauter også vand til pakker af cement, men de brugte en centrifuge på ISS for at simulere forskellige tyngdekrafter, inklusive Mars- og månetyngdekraften. Prøverne fra begge eksperimenter blev returneret til Jorden for at blive analyseret.
Medprincipal efterforsker for MVP Cell-05 er Richard Grugel. Han sagde: ”Vi ser og dokumenterer allerede uventede resultater.”
Eksperimentet viste, at beton blandet i mikrotyngdekraft havde øget mikroporøsitet. Der var luftbobler i mikro-tyngdekraftprøverne, som ikke findes i jordens tyngdekraftprøver. Det skyldes opdrift. På Jorden stiger luftboblerne op til toppen, og faktisk beton vibreres undertiden mekanisk før hærdning bare for at hjælpe med at drive luftbobler ud, hvilket kan svække betonen.
Både MICS- og MVP Cell-05-prøver udviste større krystallisation end malede prøver. Den 20% større mikroporøsitet i mikrogravitetsprøverne gav mere plads til krystallisation og større krystaller, hvilket skulle skabe større styrke. Men den større mikroporøsitet i mikrogravitetsprøverne skaber også mindre tæt beton, hvilket kan betyde svagere beton. Størrelsen af mikroporerne i mikrogravitetsprøverne var også en størrelsesorden større end jordprøver.
Mikrogravitationsbetonen havde mindre sedimentering, hvilket betyder, at små partikler af aggregat ikke sænkede sig til bunden under hærdningen, men blev spredt mere ensartet gennem betonen. Det betyder, at betonen er mere ensartet, hvilket kan påvirke styrken.
Dette er en indledende undersøgelse af konkret i mikrogravitet. Der blev ikke udført styrkeforsøg på de meget små prøver, så konklusionerne om styrke er for tidlige. Men det påpeger nogle meget forskellige egenskaber mellem 1G-beton og mikrogravitetsbeton, som uden tvivl vil blive undersøgt i fremtiden.
”Forøget porøsitet har direkte betydning for materialets styrke, men vi har endnu ikke måttet styrken af det rumformede materiale,” sagde Radlinska i et interview med designboom.
Mere:
- Undersøgelse: Mikrogravitationseffekt på mikrostrukturel udvikling af tri-calciumsilicat (C3S) Indsæt
- NASA Sciencecast: Cementing Our Place in Space
- Undersøgelse: Hydrationsprodukter af C3A, C3S og Portland cement i nærvær af CaCO3
- designboom: NASA-astronauter undersøger, hvad der sker med beton, når det blandes i rummet
- Portland Cement Association: Cement og beton
- National Space Society: Concrete: Potentielt materiale til Space Station
