Det som låter som en slap-stick komedi shtick är faktiskt solid vetenskap. Med så mycket av mänsklighetens rymdfarande framtid som involverar livsmiljöer, andra strukturer och en permanent närvaro på månen och Mars, är blandning av betong i rymden allvarligt. NASA har ett studieprogram som heter MICS (Microgravity Investigation of Cement Solidification) som undersöker hur vi kan bygga livsmiljöer eller andra strukturer i mikrogravitet.
Betong är det mest använda materialet på jorden, inte räknat vatten. Det används mer än trä. Det har också funnits länge.
Förutom dess isolerande kvalitet, kan betong också ge skydd mot strålning, och dess strukturella styrka ger skydd mot meteoritpåverkan. Även om det inte är det enda alternativet för att bygga strukturer, kommer det troligtvis att spela en roll. Det kan hamna som ett viktigt material eftersom bara cementet själv, inte aggregrat eller vattnet, behöver transporteras.
Som en del av MICS och en relaterad studie som heter MVP Cell-05, samarbetade NASA och Pennsylvania State University med astronauter på ISS för att blanda betong. Betongens egenskaper på jorden är välförstått, men mikrogravitet ger en annan uppsättning omständigheter. Resultaten publiceras i Frontiers in Materials och har titeln ”Microgravity Effect on Microstructural Development of Tri-calcium Silicate (C3S) Klistra in. ”
"Våra experiment är inriktade på cementpasta som håller samman betongen."
Aleksandra Radlinska, huvudutredare för MICS.
Betong i sig är en blandning av en aggregrate, som består av sand, grus och stenar, hålls tillsammans med cement, som finns i två typer: Portlandcement eller geopolymercement. Kombinera det hela med vatten, i rätt proportioner, blanda det och forma det, och när det härdar eller härdar ordentligt är det en extremt stark substans. Det är därför som vissa gamla strukturer som de romerska akvedukterna, som delvis tillverkades med betong, fortfarande står.
Trots hur allestädes närvarande det är i vår moderna värld, finns det fortfarande en hel del forskare som inte vet om hur det fungerar. Men de vet att när det hårdnar bildar det kristaller som låser sig varandra, och med sand och grus, vilket ger betong dess styrka. Forskare ville veta mer om hur det händer i mikrogravitet.
”Våra experiment fokuserar på cementpasta som håller samman betongen. Vi vill veta vad som växer in i cementbaserad betong när det inte finns några gravitationsdrivna fenomen, som sedimentation, säger Aleksandra Radlinska, huvudutredare för MICS och MVP Cell-05.
När det gäller mikrograviteten sade Radlinska, "Det kan förändra fördelningen av den kristallina mikrostrukturen och i slutändan materialegenskaperna."
"Det vi finner kan leda till förbättringar av betong både i rymden och på jorden," tilllade Rudlinska. "Eftersom cement används i stor utsträckning över hela världen kan till och med en liten förbättring ha en enorm inverkan."
Förhållandena mellan vatten, aggregrate och betong som behövs för att producera betong med specifika egenskaper är väl förstått här på jorden. Men hur är det på månen? Den har bara 1/6 jordens tyngdkraft. Eller Mars, som har drygt 1/3 av jordens tyngdkraft. Experimenten utformades för att belysa denna fråga.
I MICS-experimentet hade astronauterna ett antal paket cementpulver, som de tillsatte vatten till. Sedan tillsatte de alkohol till några av paketen vid olika tidpunkter för att stoppa hydratiseringen.
I det andra experimentet, MVP Cell-05, satte astronauter också vatten till cementpaket, men de använde en centrifug på ISS för att simulera olika tyngdkrafter, inklusive Mars- och Lunar-tyngdkraften. Proverna från båda experimenten återfördes till jorden för att analyseras.
Medprinciputredare för MVP Cell-05 är Richard Grugel. Han sa: "Vi ser redan och dokumenterar oväntade resultat."
Experimentet visade att betong blandad i mikrotyngd hade ökat mikroporositeten. Det fanns luftbubblor i mikrotyngdproven som inte finns i jordens tyngdkraftsprover. Det är på grund av flytkraft. På jorden skulle luftbubblorna stiga upp till toppen, och i själva verket vibreras betong ibland mekaniskt innan härdning bara för att hjälpa till att driva ut luftbubblor, vilket kan försvaga betongen.
Både MICS och MVP Cell-05-prover uppvisade större kristallisation än markprover. Den 20% större mikroporositeten i mikrogravitetsproven gav mer utrymme för kristallisation och större kristaller, vilket borde skapa mer styrka. Men den större mikroporositeten i mikrogravitetsproven skapar också mindre tät betong, vilket kan betyda svagare betong. Storleken på mikroporerna i mikrogravitetsproven var också en storleksordning större än markprover.
Mikrogravitetsbetongen hade mindre sedimentation, vilket innebär att små partiklar av aggregat inte satte sig till botten under härdningen, men sprids jämnare genom betongen. Det betyder att betongen är mer enhetlig, vilket kan påverka hållfastheten.
Detta är en inledande studie av betong i mikrogravitet. Inga styrketester utfördes på de mycket små proverna, så några slutsatser om styrka är för tidiga. Men det påpekar några mycket olika egenskaper mellan 1G-betong och mikrogravitetsbetong, som utan tvekan kommer att utforskas i framtiden.
”Ökad porositet har direkt inverkan på styrkan hos materialet, men vi måste ännu inte mäta styrkan hos det rymdformade materialet,” sade Radlinska i en intervju med designboom.
Mer:
- Studie: Mikrogravitetseffekt på mikrostrukturell utveckling av tri-kalciumsilikat (C3S) Klistra in
- NASA Sciencecast: Cementing Our Place in Space
- Studie: Hydreringsprodukter av C3A, C3S och Portland cement i närvaro av CaCO3
- designboom: NASA-astronauter undersöker vad som händer med betong när det blandas i rymden
- Portland Cement Association: Cement och betong
- National Space Society: Concrete: Potential Material for Space Station
