211service.com
Materialforskare tillverkar Marsbetong
Det finns ett växande intresse för målet att skicka människor till Mars. Olika rymdorganisationer har börjat studera de många problem som ett sådant uppdrag skulle innebära, inte minst är att skydda människor under resan.
Men när människor väl kommer till den röda planeten kommer de att kräva byggnader av hög kvalitet att bo och arbeta i. De kan ta med sig vissa strukturer men detta kan bara vara en tillfällig lösning. De första kolonisatörerna måste snabbt hitta ett sätt att bygga strukturer med hjälp av planetens egna resurser. Men hur?
Idag får vi svar tack vare Lin Wans och kompisars arbete vid Northwestern University. De här killarna har utarbetat hur man gör Mars-betong med material som är allmänt tillgängliga på Mars. Och det är avgörande att denna betong kan formas utan att använda vatten, vilket kommer att vara en värdefull resurs på den röda planeten.
Nyckelmaterialet i en byggboom på Mars kommer att vara svavel, säger Northwestern-teamet. Grundtanken är att värma svavel till cirka 240 °C så att det blir flytande, blanda det med marsjord som fungerar som ett aggregat och sedan låta det svalna. Svavlet stelnar, binder ballasten och skapar betong. Voila—Marsbetong.
Tanken på att använda svavel för att binda ballast är förstås långt ifrån ny. Ingenjörer har experimenterat med denna typ av material i minst ett sekel och fann till en början att svavelbaserad betong hade sin beskärda del av problem.
Till att börja med, när svavel svalnar, stelnar det för att bilda monoklint svavel och omvandlas sedan till ortorombiskt svavel, den stabila allotropen vid lägre temperaturer. Men det krymper också under denna process och denna krympning skapar håligheter och sätter upp spänningar som kraftigt försvagar materialet.
Dessutom studerade materialforskare på 1970-talet möjligheten att använda svavelbetong för att bygga månbaser på månen. De upptäckte snabbt att i ett vakuum sublimerar svavel - det förvandlas från ett fast ämne direkt till en gas. Så all svavelbetong på månen skulle snabbt försvinna in i etern.
Så en viktig fråga är om svavelbetong kan göras tillräckligt stark och hållbar för att vara användbar på Mars.
För att ta reda på det gjorde Wan och co några. De använde simulerad marsjord bestående huvudsakligen av kiseldioxid och aluminiumoxid med andra komponenter som järnoxid, titandioxid och så vidare. De testade också olika storlekar av partiklar i detta aggregat.
Testerna var enkla. Efter att ha blandat aggregatet med olika procentsatser av smält svavel och låtit proverna svalna till block, mätte de de fysikaliska egenskaperna hos de resulterande materialen, såsom deras tryckhållfasthet och brottmekanismer. De analyserade också kemiskt blandningen och simulerade dess beteende.
Resultaten ger intressant läsning. Det visar sig att användningen av ett aggregat av mindre partiklar minskar bildandet av hålrum, vilket avsevärt ökar materialets styrka. Den bästa blandningen för att producera Marsbetong är 50 procent svavel och 50 procent Marsjord med maximal ballaststorlek på 1 mm, säger de.
Och det är starkt material som når en tryckhållfasthet över 50 MPa, speciellt om det komprimeras under härdningen för att minska bildningen av hålrum. Denna styrka är också delvis ett resultat av de kemiska bindningar som svavel gör med Mars-jorden. Som jämförelse kräver bostadsbyggnadsstandarder på jorden betong med en tryckhållfasthet på cirka 20 MPa.
Wan och co säger också att de atmosfäriska förhållandena på Mars är lämpliga för det här. Både atmosfärstrycket och temperaturintervallet på Mars är tillräckliga för svavelbetongkonstruktioner, säger de.
Och det finns andra fördelar. Marsbetong kan återvinnas genom att värma upp den, så att svavlet smälter. Så det kan återanvändas flera gånger. Den är också snabbhärdande, relativt lätt att hantera och extremt billig jämfört med material som hämtas från jorden.
Det är intressant arbete. Det betyder att de första permanenta strukturerna på Mars borde vara enkla att göra. Allt vi behöver nu är en ny generation av Marsarkitekter för att designa byggnader gjorda av Marsbetong som kommer att vara lämpliga strukturer för människor att leva och arbeta i.
Tiden kommer att vara på deras sida. De första mänskliga uppdragen till Mars är några bra år bort än. Men det är bara möjligt att de första människorna som lever i dessa strukturer redan har fötts och för närvarande växer upp i ganska olika byggnader på jorden.
Ref:arxiv.org/abs/1512.05461: Ett nytt material för in situ-konstruktion på Mars: experiment och numeriska simuleringar