Wat klinkt als een klap-komedie-shtick is eigenlijk solide wetenschap. Met zoveel van de ruimtevarende toekomst van de mensheid met habitats, andere structuren en een permanente aanwezigheid op de maan en Mars, is het mengen van beton in de ruimte een serieuze zaak. NASA heeft een studieprogramma genaamd MICS, (Microgravity Investigation of Cement Solidification), dat onderzoekt hoe we habitats of andere structuren in microzwaartekracht kunnen bouwen.
Beton is het meest gebruikte materiaal op aarde, water niet meegerekend. Het wordt vaker gebruikt dan hout. Het bestaat ook al heel lang.
Afgezien van zijn isolerende kwaliteit, kan beton ook bescherming bieden tegen straling en de structurele sterkte biedt bescherming tegen meteorietinslagen. Hoewel het niet de enige optie is om constructies te bouwen, zal het waarschijnlijk een rol spelen. Het kan een belangrijk materiaal worden omdat alleen het cement zelf, en niet het granaat of het water, getransporteerd hoeft te worden.
Als onderdeel van MICS, en een gerelateerde studie genaamd MVP Cell-05, werkten NASA en Pennsylvania State University samen met astronauten op het ISS om beton te mengen. De eigenschappen van Concrete op aarde zijn goed begrepen, maar microzwaartekracht biedt een andere reeks omstandigheden. De resultaten zijn gepubliceerd in Frontiers in Materials en hebben de titel: "Microgravity Effect on Microstructural Development of Tri-calcium Silicate (C3S) Plakken. '
"Onze experimenten zijn gericht op de cementpasta die het beton bij elkaar houdt."
Aleksandra Radlinska, hoofdonderzoeker voor MICS.
Beton zelf is een mengsel van een granaat, dat bestaat uit zand, grind en rotsen, samengehouden met cement, dat in twee soorten bestaat: Portlandcement of geopolymeercement. Combineer het allemaal met water, in de juiste verhoudingen, meng het en vorm het, en als het goed uithardt of hard wordt, is het een extreem sterke substantie. Dat is de reden waarom sommige oude constructies zoals de Romeinse aquaducten, die gedeeltelijk met beton zijn gemaakt, nog steeds staan.
Ondanks hoe alomtegenwoordig het is in onze moderne wereld, weten veel wetenschappers nog steeds niet hoe het werkt. Maar ze weten wel dat het tijdens het harden kristallen vormt die in elkaar grijpen, en met het zand en grind, waardoor het beton zijn kracht krijgt. Wetenschappers wilden meer weten over hoe dat in microzwaartekracht gebeurt.
“Onze experimenten zijn gericht op de cementpasta die het beton bij elkaar houdt. We willen weten wat er in cementbeton groeit als er geen door zwaartekracht aangedreven fenomenen zijn, zoals sedimentatie, 'zei Aleksandra Radlinska, Principal Investigator voor MICS en MVP Cell-05.
Over de microzwaartekracht zei Radlinska: "Het zou de verdeling van de kristallijne microstructuur en uiteindelijk de materiaaleigenschappen kunnen veranderen."
"Wat we vinden, kan leiden tot verbeteringen in beton, zowel in de ruimte als op aarde", voegt Rudlinska toe. "Aangezien cement wereldwijd veel wordt gebruikt, kan zelfs een kleine verbetering een enorme impact hebben."
De verhoudingen van water, granaat en beton die nodig zijn om beton met specifieke eigenschappen te produceren, worden hier op aarde goed begrepen. Maar hoe zit het met op de maan? Het heeft slechts 1/6 zwaartekracht van de aarde. Of Mars, dat iets meer dan 1/3 van de zwaartekracht van de aarde heeft. De experimenten waren bedoeld om licht te werpen op deze vraag.
In het MICS-experiment hadden de astronauten een aantal pakketten cementpoeder, waaraan ze water toevoegden. Vervolgens voegden ze op verschillende tijdstippen alcohol toe aan sommige pakketten om de hydratatie te stoppen.
In het tweede experiment, MVP Cell-05, voegden astronauten ook water toe aan pakketten cement, maar ze gebruikten een centrifuge op het ISS om verschillende zwaartekrachten te simuleren, waaronder zwaartekrachten van Mars en Maan. De monsters van beide experimenten werden teruggestuurd naar de aarde om te worden geanalyseerd.
Co-Principal Investigator voor MVP Cell-05 is Richard Grugel. Hij zei: "We zien en documenteren al onverwachte resultaten."
De experimenten toonden aan dat beton gemengd in microzwaartekracht de microporeusheid had vergroot. Er waren luchtbellen in de microzwaartekrachtmonsters die niet aanwezig zijn in aardse zwaartekrachtmonsters. Dat komt door het drijfvermogen. Op aarde zouden de luchtbellen naar de top stijgen en in feite wordt beton soms mechanisch getrild voordat het uithardt, alleen maar om luchtbellen te verdrijven, wat het beton kan verzwakken.
Zowel MICS- als MVP Cell-05-monsters vertoonden een grotere kristallisatie dan gemalen monsters. De 20% grotere microporositeit in de microzwaartekrachtmonsters zorgde voor meer ruimte voor kristallisatie en grotere kristallen, die meer sterkte zouden moeten creëren. Maar de grotere microporositeit in de microzwaartekrachtmonsters creëert ook minder dicht beton, wat zwakker beton zou kunnen betekenen. De grootte van de microporiën in de monsters met microzwaartekracht was ook een orde van grootte groter dan grondmonsters.
Het beton met microzwaartekracht had minder sedimentatie, wat betekent dat kleine deeltjes aggregaat niet naar de bodem bezonken tijdens het uitharden, maar gelijkmatiger door het beton werden verspreid. Dat betekent dat het beton uniformer is, wat de sterkte kan beïnvloeden.
Dit is een eerste onderzoek naar beton in microzwaartekracht. Er zijn geen sterktetests uitgevoerd op de zeer kleine monsters, dus eventuele conclusies over sterkte zijn voorbarig. Maar het wijst wel op een aantal zeer verschillende eigenschappen tussen 1G-beton en microzwaartekrachtbeton, die ongetwijfeld in de toekomst zullen worden onderzocht.
"Verhoogde porositeit heeft directe invloed op de sterkte van het materiaal, maar we moeten de sterkte van het ruimtevormige materiaal nog meten", zei Radlinska in een interview met designboom.
Meer:
- Onderzoek: microzwaartekrachteffect op microstructurele ontwikkeling van tri-calciumsilicaat (C3S) Plakken
- NASA Sciencecast: Cementing Our Place in Space
- Studie: Hydratatieproducten van C3A, C3S en Portland cement in aanwezigheid van CaCO3
- designboom: NASA-astronauten onderzoeken wat er met beton gebeurt als het in de ruimte wordt gemengd
- Portland Cement Association: cement en beton
- National Space Society: Concrete: Potential Material for Space Station
