A exploração espacial sustentada exigirá infraestrutura que não existe atualmente:prédios, moradias, plataformas de pouso de foguetes.
Então, onde você procura materiais de construção quando eles são grandes demais para caber na sua bagagem de mão e não há Home Depot no espaço sideral?

"Se vamos viver e trabalhar em outro planeta como Marte ou a Lua, precisamos fazer concreto. Mas não podemos levar sacos de concreto conosco - precisamos usar recursos locais", disse Norman Wagner, da Unidel. Robert L. Pigford Presidente de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade de Delaware.

Os pesquisadores estão explorando maneiras de usar materiais do solo argiloso da Lua ou de Marte como base para o cimento extraterrestre. Para ter sucesso, será necessário um aglutinante para colar os materiais iniciais extraterrestres através da química. Um requisito para este material de construção de outro mundo é que ele deve ser durável o suficiente para as plataformas de lançamento verticais necessárias para proteger foguetes feitos pelo homem de rochas rodopiantes, poeira e outros detritos durante a decolagem ou pouso. A maioria dos materiais de construção convencionais, como o cimento comum, não são adequados em condições de espaço.

Wagner e colegas da UD estão trabalhando neste problema e converteram com sucesso solos lunares e marcianos simulados em cimento geopolimérico, que é considerado um bom substituto para o cimento convencional. A equipe de pesquisa também criou uma estrutura para comparar diferentes tipos de cimentos geopoliméricos e suas características e relatou os resultados em Avanços na Pesquisa Espacial . O trabalho foi destaque recentemente em Avanços em Engenharia .

Cimento geopolimérico

Os geopolímeros são polímeros inorgânicos formados a partir de minerais de aluminossilicato encontrados em argilas comuns em todos os lugares, desde Newark, White Clay Creek de Delaware até a África. Quando misturada com um solvente de pH alto, como o silicato de sódio, a argila pode ser dissolvida, liberando o alumínio e o silício de dentro para reagir com outros materiais e formar novas estruturas – como o cimento.

Os solos da Lua e de Marte também contêm argilas comuns.

Isso fez com que Maria Katzarova, ex-cientista associada e membro do laboratório de Wagner na UD, se perguntasse se era possível ativar solos lunares e marcianos simulados para se tornarem materiais de construção semelhantes a concreto usando química de geopolímeros. Ela propôs a ideia à NASA e obteve financiamento através do Delaware Space Grant Consortium para tentar com a ajuda e a experiência da então estudante de doutorado Jennifer Mills, que estudou geopolímeros terrestres para sua dissertação de doutorado. Os pesquisadores prepararam sistematicamente ligantes de geopolímeros de uma variedade de solos simulados conhecidos da mesma maneira exata e compararam o desempenho dos materiais, o que não havia sido feito antes.

"Isso não é uma coisa trivial. Você não pode simplesmente dizer me dê qualquer argila velha, e eu vou fazer funcionar. Existem métricas para isso, química com a qual você precisa se preocupar", disse Wagner.

Os pesquisadores misturaram vários solos simulados com silicato de sódio, em seguida, lançaram a mistura de geopolímero em moldes semelhantes a cubos de gelo e esperaram que a reação ocorresse. Após sete dias, eles mediram o tamanho e o peso de cada cubo e, em seguida, o esmagaram para entender como o material se comporta sob carga. Especificamente, eles queriam saber se pequenas diferenças na química entre os solos simulados afetavam a resistência do material.

“Quando um foguete decola, há muito peso empurrando a plataforma de pouso e o concreto precisa aguentar, então a resistência à compressão do material se torna uma métrica importante”, disse Wagner. "Pelo menos na Terra, conseguimos fazer materiais em pequenos cubos que tinham a resistência à compressão necessária para fazer o trabalho."

Os pesquisadores também calcularam quanto material terrestre os astronautas precisariam levar para construir uma plataforma de pouso na superfície da lua ou de Marte. Acontece que a quantidade estimada está bem dentro da faixa de carga útil de um foguete, de centenas a milhares de quilos.

Simulando condições de espaço

A equipe de pesquisa também submeteu as amostras a diferentes ambientes presentes no espaço, incluindo vácuo e temperaturas baixas e altas. O que eles encontraram foi informativo.

Sob vácuo, algumas das amostras de material formaram cimento, enquanto outras foram apenas parcialmente bem-sucedidas. No entanto, em geral, a resistência à compressão do cimento geopolimérico diminuiu sob vácuo, em comparação com cubos geopoliméricos curados à temperatura e pressão ambiente. Isso levanta novas considerações dependendo da finalidade do material.

"Haverá uma troca entre se precisamos lançar esses materiais em um ambiente pressurizado para garantir que a reação forme o material mais forte ou se podemos nos safar formando-os sob vácuo, o ambiente normal na Lua ou em Marte, e alcançar algo que seja bom o suficiente", disse Mills, que obteve seu doutorado em engenharia química na UD em maio de 2022 e agora trabalha na Dow Chemical Company.

Enquanto isso, sob baixas temperaturas de cerca de -80 graus Celsius, os materiais geopoliméricos não reagiram.

"Isso nos diz que talvez precisemos usar algum tipo de acelerador para alcançar a força que vemos à temperatura ambiente", disse Mills. "Talvez o geopolímero precise ser aquecido, ou talvez precisemos adicionar algo mais à mistura para impulsionar a reação para certas aplicações ou ambientes."

Em altas temperaturas, cerca de 600 graus Celsius, os pesquisadores descobriram que cada amostra semelhante à lua ficava mais forte. Isso não foi surpreendente, disse Mills, dado como a cinética foi prejudicada em baixas temperaturas. A equipe de pesquisa também viu mudanças na natureza física do cimento geopolimérico sob calor.

“Os tijolos de geopolímero se tornaram muito mais quebradiços quando os aquecemos, quebrando ao invés de serem comprimidos ou quebrando em dois”, disse Mills. "Isso pode ser importante se o material for submetido a qualquer tipo de pressão externa."

Com base em seus resultados, os pesquisadores disseram que a composição química e o tamanho das partículas podem desempenhar um papel importante na resistência do material. Por exemplo, partículas menores aumentam a área de superfície disponível, tornando-as mais fáceis de reagir e potencialmente levando a uma maior resistência geral do material. Outro fator possível:a quantidade de conteúdo de aluminossilicato nos materiais de partida, que pode ser difícil de estimar quando as soluções adicionadas também podem conter pequenas concentrações desses materiais e contribuir para o desempenho do material.

O que tudo isso significa?

Bem, a Amazon não oferece entrega em dois dias para o espaço, portanto, projetar a formulação certa de materiais iniciais para resolver o problema. Compreender o que afeta a força do material também é importante, já que os astronautas estarão obtendo nossos materiais do solo superficial de diferentes lugares em planetas – e talvez até planetas diferentes.

Esses resultados também podem ser usados ​​para fazer cimentos geopoliméricos na Terra que são melhores para o meio ambiente e podem ser obtidos de uma variedade maior de materiais locais. Os cimentos geopoliméricos também requerem menos água do que o necessário para fazer o cimento tradicional, porque a própria água não é consumida na reação. Em vez disso, a água pode ser recuperada e reutilizada, uma vantagem em ambientes com limitação de água, desde paisagens terrestres áridas até o espaço sideral.

Hoje, dois dos atuais alunos de pós-graduação de Wagner estão explorando maneiras de usar cimentos geopoliméricos para imprimir casas em 3D e ativar materiais geopoliméricos usando tecnologia de micro-ondas. O trabalho é um projeto colaborativo com pesquisadores das universidades Northeastern e Georgetown. Semelhante aos micro-ondas que você usa para reaquecer seu café da manhã, o aquecimento por micro-ondas pode acelerar a cura do geopolímero e pode um dia fornecer uma maneira para construtores terrestres - ou astronautas - curarem o concreto geopolimérico de maneira direcionada. + Explorar mais

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