火星上建立定居点,我们需要材料化学

许多人希望,总有一天人类会到火星旅行。美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的计划任务,地球在2030年代,和企业家Elon Musk说他的SpaceX公司到2024年能做到。如果人们成功在火星上建立一个基地,他们将需要建立地方宇航员生活,睡眠,和工作。

但搬运建筑材料在2.25亿公里的领域- - - - -之间的平均距离地球和火星将是一场噩梦。成本约4000美元推出一公斤材料低地球轨道和多次寄给火星,所以试图船舶吨混凝土将导致财政上的损失,实际上非常困难,罗伯特·p·穆勒说,沼泽的高级技师,先进的产品开发工作,创新实验室他创办了美国宇航局肯尼迪航天中心。

任何新的红色星球的居民将不得不做殖民者一直做的事情:用手头的材料来建造庇护所。在火星上,材料表层,尘土飞扬,岩粉层沉积数十亿年来整个太阳系的小行星碰撞。“这是一个现成的建筑material-crushed岩石表面的行星,”穆勒说。“我们要做的就是开发的技术使用,总已经存在,在某种程度上绑定聚合在一起。“这是团队的目标,尝试各种各样的方法把这些东西变成一种物质适合三维打印。

制造技术,创建对象沉淀一层又一层的物质,将允许美国国家航空航天局发送机器人前方的殖民者prebuild栖息地。三维印刷还可以创建结构形状和瘦,可能不可能与标准混凝土浇注技术。挑战的一部分正在开发一种建筑材料,适合3 d印刷的一致性和硬化——创造稳定的结构。

一些研究人员已经表明,他们可能把火星的红色泥土变成坚固的建筑材料。有些被刺激了美国宇航局的3 d打印的栖息地的挑战,而穆勒帮助发射。所面临的挑战提供了250万美元的奖金鼓励工业和学术科学家探索在火星上建造。第一阶段寻求新的架构概念,利用三维打印,和第二阶段交付8月奖金的5支球队谁印刷梁和其他形状的风化层模拟的。第三阶段就开始了。

仍然有很长的路要走,但建筑房屋的火星土壤永远可能不是科幻小说里的东西。

正确的东西

在地球上,建筑商与混凝土主要工作。这种材料通常由压碎岩或沙子与硅酸盐水泥和水混合。水泥,由石灰岩和粘土一起加热,与水反应生成一个粘贴,结合岩石和变得更强,因为它治愈。

研究人员认为,火星上的风化层可以作为替代具体的组件。火星探测器使用气相色谱,质谱和激光光谱法确定火星土壤的成分。火星风化层主要是二氧化硅和三氧化二铁,与大量的氧化铝、氧化钙、氧化和硫。构成地球上因地而异的表面由于小行星撞击的可变性和风化的风和水,在远古海洋和一些现代水流动。但是没有飞船返回地球与实际样品的材料。

所以美国宇航局约翰逊航天中心的科学家们使用探测器数据开发JSC Mars-1a模拟的,地球上矿物的混合物设计与火星的土壤的组成和粒度。科学家们利用这个风化层替身新建筑材料的测试。

JSC Mars-1a是由玄武岩聚集在夏威夷火山。与此同时,穆勒使用另一个风化层模拟的称为BP-1。这种材料是由不同的粉碎了黑色的玄武岩熔岩流点旗杆以北。“有各种各样的模拟的,但它们都是基于玄武岩,”他说。根据研究人员正在做什么,他们选择的基础上模拟的矿物学性质,其粒子大小的分布,或其他品质。

余乔,加州大学的结构工程教授,圣地亚哥说JSC Mars-1a非常接近火星土壤的复制品。模拟的是按重量43.48%的二氧化硅和16.08%的氧化铁,相比之下,45.41%的平均值测量火星上二氧化硅和16.73%的氧化铁。乔想要看看他能想出一个更好的复制基于新收集的测量火星探测器,具有了高氯酸盐在土壤中。他想看看高氯酸盐改变材料的行为他是测试。“我们不仅考虑土壤本身,但是我们也需要考虑杂质,”他说。

硫的力量

在地球上,具体的治疗方法和加强水泥由于化学,由石灰岩和水。然而,地球上最石灰岩是由海洋生物,火星上没有。火星土壤的钙和二氧化碳中发现石灰石,但元素分散在地球。和火星有水但它不是充足。“这将是很长一段时间我们可以生产水泥在另一个星球上,“蒋禄卡Cusatis说,西北大学土木与环境工程教授。

什么火星上有大量的硫在土壤、熔硫被用来结合一些具体的地球上。测试使用的可能性使火星混凝土,林Wan-Wendner,尽管Cusatis实验室的博士生,融化的硫和混合JSC Mars-1a在1:3的比例,地球上相同的配方用于硫磺混凝土。然后她下的混凝土标准测试的强度受到压缩,弯曲和分裂。

使用地球砂配方生产的抗压强度大约30帕斯卡,类似于水泥基混凝土。但模拟火星混凝土弱得多,这可能是由于多孔材料比地球版本,Cusatis说。更多的多孔混凝土通常是更大的粒子在沙子上的结果。

Wan-Wendner时,现在大学的研究员自然资源和生命科学、维也纳和他的同事尝试了sulfur-to-sand 1:1和压缩混合谷物和赶出气泡,产生的混凝土的强度60 MPa,倍标准的混凝土。含硫混凝土也迅速变硬,时间的混合物冷却。普通混凝土需要28天完全治愈,并获得其全部力量。三维打印快速设置可能是一个优势,Cusatis说,因为这意味着每一层的材料几乎立即将承载层印在上面。

Cusatis无法解释的额外火星混凝土的强度,所以他试着不同大小的土壤颗粒,看看区别。,但并不足以解释翻倍的力量。他认为,硫在风化层可能与金属反应,特别是出火星土壤的氧化铁特征桔红色,材料中形成化学键。

然而,火星硫磺混凝土有一些缺陷。像标准混凝土,抗拉强度和裂缝容易负载下。在地球上,工程师解决这个问题通过与钢筋加固结构混凝土,但目前还不清楚什么样的钢筋可以在火星上建造。原因之一硫并不是地球上广泛使用作为粘结剂是不耐热。如果建筑着火了,硫磺可以融化,混凝土会分崩离析。也许,Cusatis表明,硫磺混凝土可以作为核心材料提供强度,包裹在防火。

有建筑材料使用它的另一个问题:“硫磺气味不好。你当然不想有硫磺气味在你的房子,”Cusatis说。它可能需要具体涂一些含有气味。

在穆勒在NASA的实验室,研究人员正在测试聚合物作为风化层的粘结剂。应该有可能制造聚合物,如高密度聚乙烯,火星上使用大气中的二氧化碳和氢气从水在土壤中,穆勒说。3 - d打印机,他的实验室建立了一个圆顶直径1米的火星模拟混凝土在大范围内展示他们希望做什么。当然,三维打印与混凝土是具有挑战性的,穆勒说。沉积材料必须在印刷过程中厚度足以保持其形状但足够薄,不堵塞机器或干得太快,这裂缝。”关键是要有正确的材料的一致性,这样就可以将挤压可以治愈,”他说。

穆勒想最终跳过聚合物粘结剂,而强化烧结学,土壤,加热和压缩它,直到它变成固体。应尽可能使用一束激光,太阳能集中器或微波系统。但直到研究人员开发,技术,使用聚合物粘结剂来测试他们的3 d打印技术的想法。

一个极好的主意

火星的另一个建议建筑材料完全消除了粘结剂。UCSD的乔发现他可能把风化层的砖,只需快速压缩材料。土壤的铁氧化物和氢氧化物颗粒对25-45μm。“如果你压缩土壤颗粒在足够高的压力,你要裂开的氧化铁纳米颗粒,”乔说。

纳米颗粒的破损给干净,平坦的表面。在更大的压力,他们旋转,这样小,刚裂解方面相互挤压,形成一个键。乔认为,纳米粒子相互绑定通过范德华力和原子债券,尽管他还没有测试这个假设。更重要的是,绑定在一个毫秒400 MPa的压力。大约相同数量的压力下降产生的锤子在土壤上,乔说。这就是他的团队所做的。

另一种类型的土壤常见火星上沉积,形成于古海洋粘土状的材料。它像其他风化层具有相同的化学成分,但被水风化很久以前就意味着它具有细粒度结构没有纳米颗粒和一个静电表面电荷。乔发现这样干燥的火星的复制品粘土的压实层在高的压力下也创建了一个固体材料。粘土的层在压力下成为自然对齐,以便静电力一起举行。但迅速而不是引人注目的材料,研究人员一起慢慢挤压粘土层。两种土壤产生“强固体相似,”乔说。

仍然有很长的路要走,但是,科学家在模拟火星土壤中安装另一个星球上居住建筑。NASA的第三阶段3 d打印的栖息地的挑战,这就需要选手3 - d打印的比例模型提出栖息地,是去年11月宣布的。米勒希望这场比赛将继续推进。不过,在这一点上,工作的目的是为了证明该技术是可行的,而不是规划为一个特定的任务,穆勒说。Cusatis表示赞同:“我敢肯定有很多工作要做之前能够在火星上建立一个结构”。

这篇文章被转载材料所提供的美国化学学会。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。