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Ricercatori stano valutando materiali e tecniche, tra cui il cemento geopolimerico, per realizzare infrastrutture su altri mondi utilizzando le risorse locali.
Un’esplorazione spaziale 2.0 richiederà infrastrutture che attualmente non esistono: edifici, abitazioni, piattaforme di atterraggio per razzi.
”Se vogliamo vivere e lavorare su un altro pianeta come Marte o la luna, dobbiamo fare cemento. Ma non possiamo portare con noi sacchi di materiale, abbiamo bisogno di usare risorse locali “, ha detto Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford Chair of Chemical and Biomolecular Engineering presso l’Università del Delaware.
I ricercatori stanno esplorando modi per utilizzare materiali di terriccio simili all’argilla dalla luna o da Marte come base per il cemento extraterrestre. Per avere successo sarà necessario un legante per incollare insieme i materiali di partenza extraterrestri.
Un requisito per questo materiale da costruzione è che deve essere abbastanza resistente per le rampe di lancio verticali necessarie per proteggere i razzi artificiali da rocce, polvere e altri detriti sollevati durante il decollo o l’atterraggio. La maggior parte dei materiali da costruzione convenzionali, come il cemento ordinario, non sono adatti nello spazio.
Wagner e colleghi di UD stanno lavorando su questo problema e hanno convertito con successo i suoli lunari e marziani simulati in cemento geopolimerico, che è considerato un buon sostituto del cemento convenzionale.
Il team di ricerca ha anche confrontato diversi tipi di cementi geopolimerici e le loro caratteristiche e ha riportato i risultati in Advances in Space Research. Il lavoro è stato evidenziato di recente in Advances in Engineering.
I geopolimeri sono polimeri inorganici formati da minerali alluminosilicati che si trovano in argille comuni ovunque nel mondo. Se miscelato con un solvente che ha un pH elevato, come il silicato di sodio, l’argilla può essere sciolta, liberando l’alluminio e il silicio all’interno per reagire con altri materiali e formare nuove strutture, come il cemento.
Anche i terreni sulla luna e su Marte contengono argille comuni.
Ciò ha fatto sì che Maria Katzarova, ex scienziata associata e membro del laboratorio di Wagner all’UD, si chiedesse se fosse possibile attivare polvere lunare e terreicci marziani per fare materiali da costruzione simili al cemento usando la chimica dei geopolimeri.
Ha proposto l’idea alla NASA e ha ottenuto finanziamenti tramite il Delaware Space Grant Consortium per provare, con l’aiuto e l’esperienza dell’allora dottoranda UD Jennifer Mills, che ha studiato i geopolimeri terrestri per la sua tesi di dottorato.
I ricercatori hanno preparato sistematicamente leganti geopolimerici da una varietà di terreni simulati noti nello stesso identico modo e hanno confrontato le prestazioni dei materiali, cosa che non era mai stata fatta prima.
”Questa non è una cosa banale. Non puoi semplicemente dirmi di darmi della vecchia argilla, e la farò funzionare. Ci sono metriche, chimica di cui devi preoccuparti “, ha detto Wagner.
I ricercatori hanno mescolato vari terreni simulati con silicato di sodio, quindi hanno gettato la miscela di geopolimeri in stampi simili a cubetti di ghiaccio e hanno aspettato che si verificasse la reazione.
Dopo sette giorni, hanno misurato le dimensioni e il peso di ogni cubo, quindi lo hanno schiacciato per capire come si comporta il materiale sotto carico. In particolare, volevano sapere se lievi differenze nella chimica tra i terreni simulati influenzassero la resistenza del materiale.
”Quando un razzo decolla c’è un sacco di peso che spinge verso il basso sulla piattaforma di atterraggio e il calcestruzzo deve tenere, quindi la resistenza alla compressione del materiale diventa una caratteristica importante”, ha detto Wagner. “Almeno sulla Terra, siamo stati in grado di realizzare materiali in piccoli cubi che avevano la resistenza alla compressione necessaria”.
I ricercatori hanno anche calcolato quanto materiale terrestre gli astronauti avrebbero dovuto portare con sé per costruire una piattaforma di atterraggio sulla superficie della luna o di Marte. Si scopre che la quantità stimata è ben all’interno della gamma di carico utile di un razzo.
Il team di ricerca ha anche sottoposto i campioni a diversi ambienti presenti nello spazio, tra cui vuoto e basse e alte temperature.
Sotto vuoto, alcuni dei campioni di materiale hanno formato cemento, mentre altri hanno avuto solo un successo parziale. Tuttavia, nel complesso, la resistenza alla compressione del cemento geopolimerico è diminuita sotto vuoto, rispetto ai cubi di geopolimero polimerizzati a temperatura e pressione ambiente. Ciò solleva nuove considerazioni a seconda dello scopo del materiale.
A basse temperature di circa -80 gradi Celsius, i materiali geopolimerici non hanno reagito affatto. A temperature elevate, circa 600 gradi Celsius, i ricercatori hanno scoperto che ogni campione lunare diventava più forte. Questo non è stato sorprendente, ha detto Mills, dato che la cinetica è stata ostacolata a basse temperature. Il team di ricerca ha anche visto cambiamenti nella natura fisica del cemento geopolimerico sotto calore.
”I mattoni geopolimerici sono diventati molto più fragili quando li abbiamo riscaldati, frantumandosi invece di essere compressi o rompersi in due”, ha detto Mills. “Questo potrebbe essere importante se il materiale sarà sottoposto a qualsiasi tipo di pressione esterna”.
Sulla base dei loro risultati, i ricercatori hanno affermato che la composizione chimica e la dimensione delle particelle possono svolgere un ruolo importante nella resistenza del materiale. Ad esempio, le particelle più piccole aumentano la superficie disponibile, rendendole più facili da reagire e potenzialmente portando a una maggiore resistenza complessiva del materiale.
Questi risultati possono anche essere utilizzati per produrre cementi geopolimerici sulla Terra migliori per l’ambiente dato che i cementi geopolimerici richiedono meno acqua di quella necessaria per produrre cemento tradizionale, perché l’acqua stessa non viene consumata nella reazione. Invece, l’acqua può essere recuperata e riutilizzata, un vantaggio in ambienti a basso contenuto idrico dai paesaggi aridi della terra allo spazio esterno.
Immagine: NASA
