Was wie ein Slap-Stick-Comedy-Shtick klingt, ist eigentlich solide Wissenschaft. Angesichts des großen Teils der weltraumtauglichen Zukunft der Menschheit, die Lebensräume, andere Strukturen und eine permanente Präsenz auf Mond und Mars umfasst, ist das Mischen von Beton im Weltraum ein ernstes Geschäft. Die NASA hat ein Studienprogramm namens MICS (Microgravity Investigation of Cement Solidification), das untersucht, wie wir Lebensräume oder andere Strukturen in der Mikrogravitation bauen können.
Beton ist das am häufigsten verwendete Material auf der Erde, ohne Wasser. Es ist weit verbreiteter als Holz. Es gibt es auch schon lange.
Neben seiner isolierenden Qualität kann Beton auch vor Strahlung schützen, und seine strukturelle Festigkeit schützt vor Meteoriteneinschlägen. Obwohl dies nicht die einzige Option für den Bau von Strukturen ist, wird es wahrscheinlich eine Rolle spielen. Es könnte ein wichtiges Material werden, da nur der Zement selbst transportiert werden muss, nicht das Aggregat oder das Wasser.
Im Rahmen von MICS und einer verwandten Studie namens MVP Cell-05 haben sich die NASA und die Pennsylvania State University mit Astronauten auf der ISS zusammengetan, um Beton zu mischen. Die Eigenschaften von Beton auf der Erde sind gut bekannt, aber die Mikrogravitation bietet andere Umstände. Die Ergebnisse werden in Frontiers in Materials veröffentlicht und tragen den Titel „Mikrogravitationseffekt auf die mikrostrukturelle Entwicklung von Tri-Calcium-Silikat (C.3S) Einfügen. "
„Unsere Experimente konzentrieren sich auf die Zementpaste, die den Beton zusammenhält.“
Aleksandra Radlinska, Principal Investigator für MICS.
Beton selbst ist eine Mischung aus Aggregrat, die aus Sand, Kies und Steinen besteht und mit Zement zusammengehalten wird. Es gibt zwei Arten: Portlandzement oder Geopolymerzement. Kombinieren Sie alles mit Wasser in den richtigen Anteilen, mischen Sie es und formen Sie es. Wenn es richtig aushärtet oder aushärtet, ist es eine extrem starke Substanz. Deshalb stehen noch einige alte Bauwerke wie die römischen Aquädukte, die teilweise aus Beton bestehen.
Obwohl es in unserer modernen Welt allgegenwärtig ist, wissen immer noch viele Wissenschaftler nicht, wie es funktioniert. Aber sie wissen, dass es beim Aushärten Kristalle bildet, die sich untereinander sowie mit Sand und Kies verbinden und dem Beton seine Festigkeit verleihen. Wissenschaftler wollten mehr darüber wissen, wie dies in der Schwerelosigkeit geschieht.
„Unsere Experimente konzentrieren sich auf die Zementpaste, die den Beton zusammenhält. Wir möchten 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.
In Bezug auf die Mikrogravitation sagte Radlinska: "Es könnte die Verteilung der kristallinen Mikrostruktur und letztendlich die Materialeigenschaften verändern."
„Was wir finden, könnte zu Verbesserungen des Betons sowohl im Weltraum als auch auf der Erde führen“, fügte Rudlinska hinzu. „Da Zement weltweit in großem Umfang verwendet wird, könnte bereits eine kleine Verbesserung enorme Auswirkungen haben.“
Die Verhältnisse von Wasser, Aggregat und Beton, die zur Herstellung von Beton mit bestimmten Eigenschaften benötigt werden, sind hier auf der Erde gut bekannt. Aber was ist mit auf dem Mond? Es hat nur 1/6 der Schwerkraft der Erde. Oder der Mars, der etwas mehr als 1/3 der Erdgravitation hat. Die Experimente sollten Licht in diese Frage bringen.
Im MICS-Experiment hatten die Astronauten eine Reihe von Päckchen Zementpulver, denen sie Wasser hinzufügten. Dann fügten sie zu verschiedenen Zeiten Alkohol zu einigen Päckchen hinzu, um die Flüssigkeitszufuhr zu stoppen.
Im zweiten Experiment, MVP Cell-05, fügten Astronauten Zementpaketen ebenfalls Wasser hinzu, verwendeten jedoch eine Zentrifuge auf der ISS, um verschiedene Gravitäten zu simulieren, einschließlich Mars- und Mondgravitäten. Die Proben aus beiden Experimenten wurden zur Analyse auf die Erde zurückgebracht.
Co-Principal Investigator für MVP Cell-05 ist Richard Grugel. Er sagte: "Wir sehen und dokumentieren bereits unerwartete Ergebnisse."
Das Experiment zeigte, dass in Mikrogravitation gemischter Beton eine erhöhte Mikroporosität aufwies. Es gab Luftblasen in den Mikrogravitationsproben, die in Erdgravitationsproben nicht vorhanden sind. Das liegt am Auftrieb. Auf der Erde stiegen die Luftblasen nach oben, und tatsächlich wird Beton manchmal vor dem Aushärten mechanisch vibriert, um Luftblasen auszutreiben, die den Beton schwächen können.
Sowohl MICS- als auch MVP Cell-05-Proben zeigten eine stärkere Kristallisation als gemahlene Proben. Die 20% größere Mikroporosität in den Mikrogravitationsproben ermöglichte mehr Raum für Kristallisation und größere Kristalle, die mehr Festigkeit erzeugen sollten. Die größere Mikroporosität in den Mikrogravitationsproben erzeugt jedoch auch weniger dichten Beton, was schwächeren Beton bedeuten könnte. Die Größe der Mikroporen in den Mikrogravitationsproben war ebenfalls eine Größenordnung größer als bei gemahlenen Proben.
Der Schwerelosigkeitsbeton hatte eine geringere Sedimentation, was bedeutet, dass sich kleine Aggregatpartikel während des Aushärtens nicht am Boden absetzten, sondern gleichmäßiger im Beton verteilt wurden. Das heißt, der Beton ist gleichmäßiger, was die Festigkeit beeinträchtigen kann.
Dies ist eine erste Studie zu Beton in der Schwerelosigkeit. An den sehr kleinen Proben wurden keine Festigkeitstests durchgeführt, daher sind Rückschlüsse auf die Festigkeit verfrüht. Es werden jedoch einige sehr unterschiedliche Eigenschaften zwischen 1G-Beton und Schwerelosigkeitsbeton aufgezeigt, die zweifellos in Zukunft untersucht werden.
"Eine erhöhte Porosität hat direkten Einfluss auf die Festigkeit des Materials, aber wir müssen die Festigkeit des raumgeformten Materials noch messen", sagte Radlinska in einem Interview mit designboom.
Mehr:
- Studie: Mikrogravitationseffekt auf die mikrostrukturelle Entwicklung von Tri-Calcium-Silikat (C.3S) Einfügen
- NASA Sciencecast: Zementierung unseres Platzes im Weltraum
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- Portland Cement Association: Zement und Beton
- Nationale Weltraumgesellschaft: Beton: Mögliches Material für die Raumstation
