Det som høres ut som en slap-stick-komedie-shtick, er faktisk solid vitenskap. Med så mye av menneskehetens romfarts fremtid som involverer naturtyper, andre strukturer og en permanent tilstedeværelse på Månen og Mars, er det å blande betong i verdensrommet alvorlig virksomhet. NASA har et studieprogram kalt MICS (Microgravity Investigation of Cement Solidification) som undersøker hvordan vi kan bygge naturtyper eller andre strukturer i mikrogravitet.
Betong er det mest brukte materialet på jorden, ikke telle vann. Det er mer brukt enn tre. Det har også eksistert i lang tid.
Bortsett fra den isolerende kvaliteten, kan betong også gi beskyttelse mot stråling, og dens strukturelle styrke gir beskyttelse mot meteorittpåvirkning. Selv om det ikke er det eneste alternativet for å bygge strukturer, vil det sannsynligvis ha en rolle å spille. Det kan ende opp som et viktig materiale fordi bare sementet i seg selv, ikke aggregrate eller vannet, må transporteres.
Som en del av MICS, og en relatert studie kalt MVP Cell-05, gikk NASA og Pennsylvania State University sammen med astronauter på ISS for å blande betong. Betongens egenskaper på jorden er godt forstått, men mikrogravitet gir et annet sett med omstendigheter. Resultatene er publisert i Frontiers in Materials, og har tittelen “Microgravity Effect on Microstructural Development of Tri-calcium Silicate (C3S) Lim inn. ”
"Eksperimentene våre er fokusert på sementpastaen som holder betongen sammen."
Aleksandra Radlinska, hovedetterforsker for MICS.
Betong i seg selv er en blanding av en aggregrate, som består av sand, grus og steiner, holdt sammen med sement, som kommer i to typer: Portland sement eller geopolymer sement. Kombiner det hele med vann, i riktige proporsjoner, bland det og form det, og når det herder eller herder ordentlig, er det et ekstremt sterkt stoff. Det er derfor noen eldgamle strukturer som de romerske akveduktene, som delvis ble laget med betong, fortsatt står.
Til tross for hvor allestedsnærværende det er i vår moderne verden, er det fortsatt mye forskere ikke vet om hvordan det fungerer. Men de vet at når det blir hardere, danner det krystaller som griper sammen med hverandre, og med sand og grus, og gir betong sin styrke. Forskere ønsket å vite mer om hvordan det skjer i mikrogravitet.
"Eksperimentene våre er fokusert på sementpastaen som holder betongen sammen. Vi vil vite hva som vokser i sementbasert betong når det ikke er noen tyngdekraftdrevne fenomener, for eksempel sedimentasjon, sier Aleksandra Radlinska, hovedetterforsker for MICS og MVP Cell-05.
Når det gjelder mikrogravitasjonen, sa Radlinska, "Det kan endre fordelingen av den krystallinske mikrostrukturen og til slutt materialegenskapene."
"Det vi finner kan føre til forbedringer i betong både i rom og på jorden," la Rudlinska til. "Siden sement brukes mye rundt om i verden, kan til og med en liten forbedring ha en enorm innvirkning."
Forholdene mellom vann, aggregrate og betong som trengs for å produsere betong med spesifikke egenskaper, er godt forstått her på jorden. Men hva med på månen? Den har bare 1/6 jordens tyngdekraft. Eller Mars, som har litt over 1/3 av jordens tyngdekraft. Eksperimentene ble designet for å belyse dette spørsmålet.
I MICS-eksperimentet hadde astronautene et antall pakker sementpulver, som de tilsatte vann til. Deretter la de alkohol til noen av pakkene til forskjellige tider for å stoppe hydratiseringen.
I det andre eksperimentet, MVP Cell-05, tilførte astronauter også vann til pakker med sement, men de brukte en sentrifuge på ISS for å simulere forskjellige gravitasjoner, inkludert Mars- og månetyngdekraften. Prøvene fra begge eksperimentene ble returnert til Jorden for å bli analysert.
Medprincipal Investigator for MVP Cell-05 er Richard Grugel. Han sa: "Vi ser allerede og dokumenterer uventede resultater."
Eksperimenteringen viste at betong blandet i mikrotyngdekraft hadde økt mikroporøsitet. Det var luftbobler i mikrogravitasjonsprøvene som ikke er tilstede i jordens tyngdekraftprøver. Det er på grunn av oppdrift. På jorden ville luftboblene stige til toppen, og faktisk blir betong noen ganger mekanisk vibrert før herding bare for å hjelpe til med å drive ut luftbobler, noe som kan svekke betongen.
Både MICS- og MVP Cell-05-prøver viste større krystallisering enn bakkede prøver. Den 20% større mikroporøsiteten i mikrogravitetsprøvene ga mer rom for krystallisering, og større krystaller, noe som burde skape mer styrke. Men den større mikroporøsiteten i mikrogravitetsprøvene skaper også mindre tett betong, noe som kan bety svakere betong. Størrelsen på mikroporene i mikrogravitetsprøvene var også en størrelsesorden større enn bakkeprøver.
Mikrogravitasjonsbetongen hadde mindre sedimentasjon, noe som betyr at små partikler av aggregat ikke satte seg til bunnen under herding, men spredte seg mer jevn gjennom betongen. Det betyr at betongen er mer jevn, noe som kan påvirke styrken.
Dette er en innledende studie på konkret i mikrogravitet. Ingen styrkeprøver ble gjort på de veldig små prøvene, så noen konklusjoner om styrke er for tidlige. Men det peker på noen veldig forskjellige egenskaper mellom 1G-betong og mikrogravitetsbetong, som uten tvil vil bli utforsket i fremtiden.
"Økt porøsitet har direkte betydning for styrken til materialet, men vi har ennå til å måle styrken til det romformede materialet," sa Radlinska i et intervju med designboom.
Mer:
- Studie: Mikrogravitasjonseffekt på mikrostrukturell utvikling av tri-kalsiumsilikat (C3S) Lim inn
- NASA Sciencecast: Sementing Our Place in Space
- Studie: Hydrasjonsprodukter av C3A, C3S og Portland sement i nærvær av CaCO3
- designboom: NASA-astronauter utforsker hva som skjer med betong når det er blandet i verdensrommet
- Portland Cement Association: Cement and Concrete
- National Space Society: Concrete: Potential Material for Space Station
