在人类未来的太空探索中,必然会有很多涉及到栖息地、其他结构,以及在月球和火星上建立永久存在的建筑,因此在太空中混合混凝土是一件不可或缺的事情。这听起来或许令人匪夷所思,太空和地球是完全不一样的环境,没有重力,没有氧气,那么混凝土要怎么制造呢?
其实NASA已经有了一个名为MICS的研究项目,即水泥固化的微重力研究,目的在于分析我们如何在微重力下建造栖息地或其他结构。
混凝土
众所周知,除了水以外,混凝土是地球上使用最广泛的材料,甚至比木头的使用还广泛,事实上它的历史也相当悠久。
混凝土除了具有绝缘性能外,还具有防辐射性能,其结构强度还具有防陨石撞击性能。虽然水混凝土不是建造建筑物的唯一选择,但它俨然成为了建筑的首选。混凝土本身是一种聚合体,它由沙子、碎石和岩石组成,与水泥结合在一起,有两种类型:波特兰水泥或地聚合物水泥。把它和水按正确的比例混合,然后塑形,当它固化或变硬时,就变成了一种非常强的物质,这就是为什么一些部分由混凝土建造的古罗马渡槽等古代建筑仍然屹立不倒的原因。
尽管它在现代世界中无处不在,但仍然有很多科学家不知道它是如何工作的。我们只知道,当它变硬时,它会形成晶体,这些晶体相互交错,与沙子和砂砾结合在一起,赋予了混凝土无可比拟的强度。而现在科学家们想要知道在微重力环境下会发生什么?
太空混凝土实验
作为MICS项目的一部分,在一项被称为MVPCell-05的相关研究中,NASA和宾夕法尼亚州立大学与国际空间站上的宇航员合作进行试验来混合混凝土。混凝土在地球上的特性是众所周知的,但微重力可能会呈现出完全不一样的一种情况。
MICS和MVPCell-05的首席研究员鲁德林斯卡说:“我们的实验主要集中在将混凝土粘合在一起的水泥糊上。我们想知道当没有重力驱动的现象,比如沉积作用时,水泥混凝土里会发生什么状况,”鲁德林斯卡还表示,微重力可以改变晶体微观结构的分布,并最终改变材料的性能,我们的发现很可能会改善太空和地球上的混凝土。由于现在全世界的混凝土技术大部分已经成形,因此即便是很小的改进也会产生历史性的改变。
在地球上,水、聚合体和混凝土的比例是固定的,但是在月球上呢?它只有地球引力的1/6。或者是火星,只有地球引力的三分之一多一点。这些问题将在实验中解答。
在MICS实验中,宇航员们拿了几包水泥粉,然后往里面加水。然后,他们在不同的时间向一些包装中添加酒精,以阻止水合作用。在第二个实验中,MVPCell-05,宇航员也在水泥中加入了水,但是他们在国际空间站上使用了一个离心机来模拟不同的重力,包括火星和月球的重力。随后两个实验的样本都被送回地球进行分析。
MVP细胞-05的联合首席研究员是理查德·格鲁格尔。他说,“我们已经看到并记录了意想不到的结果。”试验结果表明,微重力混凝土的掺入提高了混凝土的微孔率。微重力样品中存在气泡,而地球重力样品中不存在气泡。这是因为浮力的缘故。在地球上,气泡会上升到顶部,事实上,混凝土在固化前有时会机械振动,只是为了帮助赶走气泡,而气泡会削弱混凝土的性能。
MICS和MVP细胞05的样品都比研磨样品有更大的结晶。微重力样品中20%的微孔率为结晶提供了更大的空间,而更大的晶体将产生更大的强度。但微重力样品中较大的微孔率也会产生较低密度的混凝土,这可能意味着混凝土的强度会有一定的降低,而且研究显示微重力样品的微孔尺寸也比地面样品大一个数量级。而且微重力混凝土的沉降较少,这意味着在硬化过程中骨料的小颗粒没有沉降到底部,而是更均匀地分布在混凝土中。这意味着混凝土更加均匀,这也会影响到混凝土的强度。
这是目前对微重力混凝土的初步研究,由于暂时还没有对这些样品进行强度测试,所以任何关于强度的结论都是不成熟的。但它确实指出了地球混凝土和微重力混凝土的一些非常不同的性质,这无疑将在未来的探索中提供帮助。