Científicos de Delaware descubren cómo producir cemento extraterrestre

Según Wagner, tener éxito en la creación de cemento ET requerirá un aglutinante para pegar los materiales de partida a través de la química. Un requisito para este material de construcción es que debe ser lo suficientemente duradero para las plataformas de lanzamiento verticales necesarias para proteger los cohetes artificiales de las rocas arremolinadas, el polvo y otros escombros durante el despegue o el aterrizaje. La mayoría de los materiales de construcción convencionales, como el cemento ordinario, no son adecuados en condiciones de espacio.

Para superar estas limitaciones, los científicos de la UD decidieron convertir suelos lunares y marcianos simulados en cemento geopolímero, que se considera un buen sustituto del cemento convencional. El equipo de investigación también creó un marco para comparar diferentes tipos de cemento de geopolímero y sus características.

En su artículo publicado en Advances in Space Research, los investigadores explican que los geopolímeros son polímeros inorgánicos formados a partir de minerales de aluminosilicato que se encuentran en arcillas comunes en todas partes, desde Newark, White Clay Creek, Delaware, hasta África. Cuando se mezcla con un disolvente que tiene un pH alto, como el silicato de sodio, la arcilla se puede disolver, liberando el aluminio y el silicio en su interior para reaccionar con otros materiales y formar nuevas estructuras, como el cemento. Los suelos de la luna y Marte también contienen arcillas comunes.

Simulación de la luna y los suelos marcianos

Estas similitudes hicieron que las coautoras Maria Katzarova y Jennifer Mills se preguntaran si era posible activar la luna simulada y los suelos marcianos para convertirse en materiales de construcción similares al hormigón utilizando la química de geopolímeros. Por lo tanto, prepararon sistemáticamente aglutinantes de geopolímeros de una variedad de suelos simulados conocidos de la misma manera exacta y compararon el rendimiento de los materiales, lo que no se había hecho antes.

Los investigadores mezclaron varios suelos simulados con silicato de sodio, luego arrojaron la mezcla de geopolímero en moldes similares a un cubito de hielo y esperaron a que se produjera la reacción.

Después de siete días, midieron el tamaño y el peso de cada cubo, y luego lo trituraron para entender cómo se comporta el material bajo carga. Específicamente, querían saber si las ligeras diferencias en la química entre los suelos simulados afectaban a la resistencia del material.

«Cuando un cohete despega, hay mucho peso empujando hacia abajo en la plataforma de aterrizaje y el hormigón debe sostenerse, por lo que la resistencia a la compresión del material se convierte en una métrica importante», dijo Wagner. «Al menos en la tierra, pudimos hacer materiales en cubos pequeños que tenían la resistencia a la compresión necesaria para hacer el trabajo».

Los investigadores calcularon cuánto material terrestre tendrían que llevar consigo los astronautas para construir una plataforma de aterrizaje en la superficie de la luna o Marte. Resulta que la cantidad estimada está muy dentro del rango de carga útil de un cohete, entre cientos y miles de kilogramos.

Rendimiento en diferentes condiciones

El equipo también sometió las muestras a diferentes entornos presentes en el espacio, incluyendo vacío y bajas y altas temperaturas.

Bajo el vacío, algunas de las muestras de material formaron cemento, mientras que otras solo tuvieron un éxito parcial. Sin embargo, en general, la resistencia a la compresión del cemento geopolímero disminuyó al vacío, en comparación con los cubos de geopolímeros curados a temperatura y presión ambiente. Esto plantea nuevas consideraciones, dependiendo del propósito del material.

«Va a haber un compromiso entre si necesitamos fundir estos materiales en un entorno presurizado para garantizar que la reacción forme el material más fuerte o si podemos salirnos con la nuestra formándolos al vacío, el entorno normal en la luna o Marte, y lograr algo que sea lo suficientemente bueno», dijo Mills.

Mientras tanto, bajo bajas temperaturas de unos -80 grados centígrados, los materiales del geopolímero no reaccionaron en absoluto.

A altas temperaturas, unos 600 grados centígrados, los investigadores descubrieron que cada muestra similar a una luna se hacía más fuerte.

Esto no fue sorprendente, dado cómo se obstaculizó la cinética a bajas temperaturas. El equipo de investigación también vio cambios en la naturaleza física del cemento geopolímero bajo calor.

«Los ladrillos de geopolímero se volvieron mucho más frágiles cuando los calentamos, rompiéndose en lugar de comprimirse o romperse en dos», señaló Mills. «Eso podría ser importante si el material va a ser sometido a cualquier tipo de presión externa».

Basándose en sus resultados, los investigadores dijeron que la composición química y el tamaño de las partículas pueden desempeñar un papel importante en la resistencia del material. Por ejemplo, las partículas más pequeñas aumentan la superficie disponible, lo que las hace más fáciles de reaccionar y potencialmente conduce a una mayor resistencia general del material. Otro posible factor: la cantidad de contenido de aluminosilicato en los materiales de partida, que puede ser difícil de estimar cuando las soluciones añadidas también pueden contener pequeñas concentraciones de estos materiales y contribuir al rendimiento del material.

El grupo señala que también es importante entender lo que afecta a la fuerza material, ya que los astronautas obtendrán nuestros materiales de la capa superior del suelo de diferentes lugares de los planetas, y tal vez incluso de diferentes planetas por completo.

Estos resultados también se pueden utilizar en la tierra para fabricar cemento geopolímero que sea mejor para el medio ambiente y que se pueda obtener de una variedad más amplia de materiales locales. El cemento geopolímero requiere menos agua de la necesaria para fabricar cemento tradicional porque el agua en sí no se consume en la reacción. En su lugar, el agua se puede recuperar y reutilizar, una ventaja en entornos limitados por agua, desde los paisajes terrestres áridos hasta el espacio exterior.