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太空里造出的水泥能帮人类实现星际移民吗?

时间: 2019年09月29日 | 作者: Jake Parks | 来源: 科研圈
随着载人航天技术的飞速发展,对外太空领域的探索不断加快。空间站新混合出的“太空水泥”为未来研究和跨向外太空的行程铺垫了基石。


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图片来源:Pixabay


撰文 Jake Parks

翻译  王嘉媛

审校/编辑 李光昭


混凝土以这样或那样的形式,在人类建筑历史中的 5000 年时间里扮演着主要角色。现在,研究人员终于要将这项古老的技术带到外太空去。注册新宝GG家们首次在国际空间站(ISS)的微重力环境下成功地混合出了水泥——混凝土的主要成分。


在实验“水泥凝固的微重力研究”(Microgravity Investigation of Cement Solidification)的环节中,研究人员将水泥的基础成分——硅酸三钙,熟石灰和蒸馏水——送到了国际空间站。这些成分会在袋子中进行混合,并通过 42 天的水合作用使其硬化。


结果表明,在微重力下混合的水泥确实可以像在地球上一样固化。但与地球制造的水泥不同,太空水泥具有一些独特的微观特征。


由于这项新研究将首次将太空中混合的水泥与地球上混合的对照组批次进行了比较,它也为在多种重力环境中,可以更好地制造水泥的探索之路打开了大门。如果人类要在不久的将来建造月亮村或火星殖民地,我们很可能需要掌握在其他星球上混合水泥的方法。



太空水泥有什么不同?


有趣的是,研究人员发现,由于空间站缺乏足够的重力,太空水泥的密度有惊人的均一性。而在地球上的对照组中,经过受到重力影响的沉积作用后,混合水泥形成了更多分层。该项研究的作者,宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)的工程师Aleksandra Radlinska 说道,太空水泥更均匀的密度特性应该会使它变得更坚固。


但就太空水泥而言,还存在很多其他变量。


研究人员指出了太空水泥另一个主要的微观差异:太空水泥产生了许多大的气穴,使其比地球上的混合水泥有更多孔隙。今年早些时候在《材料新宝5》(Frontiers in Materials)上发表的研究论文中指出,在太空中,新混合的水泥中的气泡不会像在地面上,由于浮力的影响而浮在表面。“孔隙的增加会直接影响材料的度,”Radlinska 在 NASA 新闻发布会上说,“但我们尚未测量出这种太空环境下形成的材料的强度。”


因此,与地面混合水泥相比,太空混合水泥的密度更均匀,这使它更坚固;但它又有更多孔隙,这使它更脆弱。或者,正如 Radlinska 所解释的那样,“这两种相反的影响效果同时存在!“


为了确定这种更均匀但更蓬松的太空水泥是否比地面混合的水泥更坚固,Radlinska 说在完成对太空水泥的微观结构分析后,他们需要在 2019 年下旬破坏掉这些样品。这将可以帮助他们判定太空水泥的密度均匀性和多孔性,哪个对其强度影响更大。


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如图,随着水合作用的硬化过程的进行,混合水泥中产生了无数的微观晶体。这些紧密相连的晶体中的分子结合在一起,包括混泥土中的其他成分,如砂砾,沙土和小石子。

图片来源:NASA Science



在其他星球制造水泥


了解地球制造和太空制造的水泥有何不同,最直接的好处是,它可以帮助研究人员确定和解决重力对水泥制造过程的影响。尽管在过去五千年中这都并不是一个值得关注的问题,但考虑到我们在过去 50 年中载人航天领域的巨大进步,我们需要在开始在其他星球上使用水泥之前了解这些事情。


“在对月球和火星的任务中,需要保护人类和设备免受极端温度和辐射的影响,而做到这一点的唯一方式就是在这些外星环境中建立基础设施,”Radlinska 说,“有一种想法是在太空中用类似混凝土的材料进行建造。混凝土非常坚固,与许多其他材料相比,它能提供更好的保护。”


简单来说,混凝土就是沙子,砾石,岩石中的几种或全部成分,通过水泥粘合在一起的混合物。混凝土的好处是价格便宜,制作简单,并且可以做成任何形状或结构以满足特定需求。


Radlinska 指出:“混凝土是一种优良的绝缘体和辐射屏蔽体,因此被用于储存核废料。未来在火星和月球上的避难所将需要厚厚的隔离层,但类似混凝土的粘合剂即使外星球的极端环境下,也可以十分有效发挥作用。”


另外一个优点是,常用于制造混凝土的砾石和岩石不一定要来自地球。因为实际上是水泥把这些物质粘合在了一起,我们应该能够使用其他星球上现成的物质来创造出一种混凝土形式,例如月球风化层——也称为月球尘埃。


由于月球尘埃是由十分独特的锯齿状和细小的灰尘颗粒组成,Radlinska 说它可能有助于减少水泥的孔隙,从而增加最终混凝土的强度。因此,他们已经开展了一些专注于月球尘埃的前期工作,目前正在整理资料,准备申请发表。


因此,通过首次在太空中混合水泥,研究人员不仅证明他们可以做到这一点,而且还为未来的研究奠定了基础,这将有助于我们更好地调整太空水泥以适应我们特定的外星需求。


Radlinska 表示:“我们证实了这一假设是可以做到的,我们下一步可以开始寻找可以特定适用于太空和不同重力水平的粘合剂,例如零(重力)到火星(重力)以及两者之间的情况。”


虽然研究人员对适于太空水泥的最佳特定粘合剂问题守口如瓶,但 Radlinska 说道,“对于下一个‘最佳’材料是什么,我们有几个想法和一个可行的假设,不过我们还不能透露这些信息。”