Księżycowy cement spędził pół roku w kosmosie. Wrócił mocniejszy

Cienkie płytki wykonane z materiału przypominającego księżycowy pył spędziły pół roku przytwierdzone do zewnętrznej części Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Były wystawione na próżnię, promieniowanie, gwałtowne zmiany warunków i mikrometeoroidy. Po powrocie nie rozsypały się ani nie straciły wytrzymałości. Jedna z księżycowych mieszanek okazała się nawet o około 35 proc. mocniejsza od identycznej próbki, która przez cały czas leżała na Ziemi.

Próbki poleciały na ISS w ramach programu MISSE-20. MISSE to zestaw eksperymentów montowanych na zewnątrz stacji, gdzie materiały nie są chronione przez jej kadłub. Zamiast laboratorium dostają bezpośrednią ekspozycję na środowisko niskiej orbity okołoziemskiej.

Badacze wysłali cienkie płytki wykonane z dwóch symulantów księżycowego regolitu, jednego symulantu marsjańskiego oraz wysokiej czystości metakaolinu. Identyczne próbki pozostały na Ziemi jako grupa kontrolna.

Po 6 miesiącach materiały wróciły do laboratorium. Naukowcy zbadali ich strukturę wewnętrzną, skład chemiczny i wytrzymałość na ściskanie. Geopolimery wykonane z symulantów księżycowych LHS-1 i BP-1 oraz marsjańskiego MGS-1C nie wykazały oznak degradacji spowodowanej pobytem na orbicie.

Najmocniej zaskoczył LHS-1, czyli odpowiednik regolitu księżycowych wyżyn. Próbka z kosmosu osiągnęła wytrzymałość 60,3 MPa. Jej ziemski odpowiednik zatrzymał się na 44,7 MPa. Różnica wyniosła około 35 proc.

To poziom, którego nie można zbyć jako kruchego eksperymentalnego bloczka. Dla porównania, wiele powszechnie stosowanych betonów konstrukcyjnych osiąga wytrzymałość na ściskanie liczoną w dziesiątkach megapaskali.

Warto zaznaczyć, że naukowcy z University of Delaware badają geopolimery, czyli materiały wiążące glinokrzemiany dzięki reakcjom chemicznym. Nie wymagają one takiego samego energochłonnego procesu produkcyjnego jak klasyczny cement portlandzki.

Podstawowym surowcem może być materiał bogaty w krzem i aluminium. Na Księżycu takim zasobem jest regolit, czyli warstwa rozdrobnionych skał, szkła i pyłu pokrywająca powierzchnię. Zamiast wysyłać z Ziemi gotowe cegły, kruszywo i tysiące ton cementu, można byłoby wykorzystać to, co leży pod nogami astronautów.

W badaniu nie użyto prawdziwego księżycowego regolitu. Próbki z misji Apollo są zbyt cenne i jest ich za mało, by produkować z nich płytki do wielomiesięcznego testu. Zastosowano komercyjne symulanty, czyli ziemskie mieszanki dobrane tak, aby możliwie dobrze naśladowały skład i właściwości gruntu z Księżyca oraz Marsa. Zanim ktoś uruchomi mieszalnik na Księżycu, trzeba sprawdzić każdy etap na dostępnych odpowiednikach.

Materiał konstrukcyjny na Księżycu nie może być dobry tylko w chwili wyprodukowania. Musi przez lata wytrzymywać środowisko, w którym ziemskie materiały zachowują się inaczej niż w laboratorium. Nie ma tam atmosfery tłumiącej promieniowanie ani chroniącej przed mikrometeoroidami. Nie ma pogody w ziemskim rozumieniu, ale są długie cykle nagrzewania i wychładzania. Pył jest ostry, ścierny i naładowany elektrostatycznie. Każda szczelina może stać się początkiem większego uszkodzenia.

Test przy ISS nie odtworzył wszystkich tych warunków. Stacja krąży wewnątrz ziemskiej magnetosfery, a temperatury podczas eksperymentu były znacznie łagodniejsze niż skrajności spotykane na powierzchni Księżyca. Niska orbita zawiera też atomowy tlen, którego na Księżycu praktycznie nie ma.

Badanie należy więc traktować jako etap pośredni, a nie ostateczny certyfikat. Geopolimer zdał egzamin orbitalny. Teraz potrzebne będą testy w warunkach bardziej zbliżonych do prawdziwej powierzchni Srebrnego Globu.

Jak pisaliśmy w tekście: Zmienią pył księżycowy w beton. Posłuży do budowy kolonii, naukowcy sprawdzają wiele metod ujarzmiania regolitu. Można go chemicznie wiązać, spiekać mikrofalami albo przetapiać laserem i drukować z niego twarde konstrukcje. Nie ma jeszcze pewności, która metoda wygra. Możliwe, że każda znajdzie inne zastosowanie.

Gdy słyszymy o księżycowym cemencie, to przed oczami mamy domy i całe miasta. Pierwsze zastosowania będą prawdopodobnie znacznie mniej efektowne, ale bardziej potrzebne.

Regolitowy budulec może posłużyć do wykonywania lądowisk, dróg, wałów, osłon przeciwwybuchowych i ekranów chroniących przed promieniowaniem. Lądowisko jest szczególnie ważne, ponieważ silniki dużego lądownika mogą wyrzucać pył i odłamki z ogromną prędkością. Taki strumień zagraża ludziom, urządzeniom, panelom słonecznym i pojazdom znajdującym się nawet daleko od miejsca lądowania.

Grube ściany z lokalnego materiału mogłyby także osłaniać moduły mieszkalne. Nie musiałyby być szczelne ani utrzymywać atmosfery. Wystarczyłoby, że otoczą przywieziony z Ziemi habitat warstwą pochłaniającą część promieniowania i zatrzymującą drobne uderzenia.

NASA rozwija już urządzenia do kopania i przewożenia dużych ilości regolitu. Sam materiał bez koparek, zasilania, mieszalników, drukarek i robotów pozostaje tylko pyłem. Księżycowa budowa będzie więc całym przemysłowym systemem, a nie jednym genialnym przepisem na zaprawę.

Problem polega na tym, że regolit nie jest wszędzie taki sam. Skład pyłu zmienia się między wyżynami, morzami bazaltowymi i regionami polarnymi. Mieszanka działająca świetnie z materiałem z jednego miejsca może być znacznie słabsza kilkadziesiąt kilometrów dalej.

Zespół z Delaware wykorzystał więc uczenie maszynowe do przewidywania wytrzymałości geopolimeru na podstawie właściwości surowca i sposobu jego obróbki. Zamiast sprawdzać setki receptur metodą prób i błędów, model ma podpowiadać, jak zmienić proporcje oraz proces dla konkretnego rodzaju regolitu.

To może okazać się niezbędne na Księżycu. Astronauci nie zamówią surowca o identycznych parametrach z certyfikowanej kopalni. Będą musieli pracować z materiałem wydobywanym lokalnie i na bieżąco korygować recepturę.

Przeczytaj także:

Badacze sprawdzili także zachowanie świeżej mieszaniny przed utwardzeniem. Ustalili moment, w którym płynna masa zaczyna przechodzić w strukturę stałą. Mieszanie przed osiągnięciem tego punktu nie zmieniało czasu wiązania ani końcowej wytrzymałości. To dobra wiadomość dla przyszłych pomp, dysz i drukarek 3D, bo daje większy margines podczas transportowania oraz formowania materiału.

Jak pisaliśmy w tekście: Bakterie mogą pomóc w budowie miast na Księżycu. Potrafią zrobić niezwykłą sztuczkę, przyszła baza może korzystać z bardzo różnych metod produkcji lokalnego budulca. Wszystkie łączy jedna zasada: z Ziemi należy przywieźć przede wszystkim technologię, a nie miliony kilogramów gotowej konstrukcji.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI