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Hormigón lunar

El lunarcrete , también conocido como " creto lunar ", una idea propuesta por primera vez por Larry A. Beyer de la Universidad de Pittsburgh en 1985, es un agregado de construcción hipotético , similar al hormigón , formado a partir del regolito lunar , que reduciría los costos de construcción de edificios en la Luna . [3] AstroCrete es un concepto más general también aplicable para Marte .

Ingredientes

Solo se han transportado cantidades comparativamente pequeñas de roca lunar a la Tierra, por lo que en 1988 investigadores de la Universidad de Dakota del Norte propusieron simular la construcción de dicho material utilizando cenizas de carbón de lignito . [3] Otros investigadores han utilizado los materiales simulados de regolito lunar desarrollados posteriormente , como JSC-1 (desarrollado en 1994 y utilizado por Toutanji et al.) y LHS-1 (desarrollado y producido por Exolith Lab). [4] [5] Sin embargo, se han realizado algunas pruebas a pequeña escala, con regolito real, en laboratorios. [2]

Los ingredientes básicos del hormigón lunar serían los mismos que los del hormigón terrestre: áridos, agua y cemento . En el caso del hormigón lunar, los áridos serían regolitos lunares. El cemento se fabricaría mediante el aprovechamiento de rocas lunares con un alto contenido de calcio. El agua se obtendría de la Luna o mediante la combinación de oxígeno con hidrógeno producido a partir del suelo lunar . [2]

Lin et al. utilizaron 40 g de muestras de regolito lunar obtenidas por el Apolo 16 para producir lunarcrete en 1986. [6] El lunarcrete se curó utilizando vapor sobre una mezcla seca de agregado y cemento. Lin propuso que el agua para dicho vapor podría producirse mezclando hidrógeno con ilmenita lunar a 800 °C, para producir óxido de titanio , hierro y agua. Fue capaz de soportar presiones de compresión de 75 MPa y perdió solo el 20% de esa resistencia después de la exposición repetida al vacío. [7]

En 2008, Houssam Toutanji, de la Universidad de Alabama en Huntsville , y Richard Grugel, del Centro Marshall de Vuelos Espaciales , utilizaron un simulador de suelo lunar para determinar si el hormigón lunar podía fabricarse sin agua, utilizando azufre (que se puede obtener a partir del polvo lunar) como agente aglutinante. El proceso para crear este hormigón de azufre requirió calentar el azufre a 130–140 °C. Después de la exposición a 50 ciclos de cambios de temperatura, desde -27 °C hasta temperatura ambiente, se descubrió que el hormigón lunar simulado era capaz de soportar presiones de compresión de 17 MPa, que Toutanji y Grugel creían que podrían elevarse a 20 MPa si el material se reforzara con sílice (que también se puede obtener a partir del polvo lunar). [8]

Casting y producción

Sería necesario contar con una infraestructura importante antes de que fuera posible la producción a escala industrial de lunarcrete. [2]

El moldeo de hormigón lunar requeriría un entorno presurizado, ya que intentar moldearlo en vacío simplemente provocaría la sublimación del agua y el hormigón lunar no se endurecería. Se han propuesto dos soluciones a este problema: premezclar el agregado y el cemento y luego utilizar un proceso de inyección de vapor para agregar el agua, o el uso de una planta de fabricación de hormigón presurizado que produzca bloques de hormigón prefabricados. [2] [9]

El hormigón lunar comparte la misma falta de resistencia a la tracción que el hormigón terrestre. Un material tensor equivalente lunar sugerido para crear hormigón pretensado es el vidrio lunar, también formado a partir de regolito, de la misma manera que la fibra de vidrio ya se utiliza a veces como material de refuerzo del hormigón terrestre. [2] Otro material tensor, sugerido por David Bennett, es el Kevlar , importado de la Tierra (que sería más barato, en términos de masa, de importar de la Tierra que el acero convencional). [9]

Hormigón sin agua a base de azufre

Esta propuesta se basa en la observación de que es probable que el agua sea un bien preciado en la Luna. Además, el azufre se solidifica en muy poco tiempo y no necesita ningún período de enfriamiento, a diferencia del cemento hidráulico. Esto reduciría el tiempo que los astronautas humanos tendrían que estar expuestos al entorno de la superficie lunar. [10] [11]

El azufre está presente en la Luna en forma de troilita (FeS) [12] y podría reducirse para obtener azufre. Además, no requiere las temperaturas ultra altas necesarias para la extracción de componentes cementantes (por ejemplo, anortositas ).

El hormigón de azufre es un material de construcción ya conocido. En sentido estricto, no es un hormigón, ya que apenas se producen reacciones químicas. En cambio, el azufre actúa como un material termoplástico que se une a un sustrato no reactivo. No se necesitan cemento ni agua. El hormigón no necesita curarse, sino que simplemente se calienta por encima del punto de fusión del azufre, 140 °C, y después de enfriarse alcanza inmediatamente una alta resistencia.

La mejor mezcla para resistencia a la tracción y a la compresión es 65% de simulador de regolito lunar JSC-1 y 35% de azufre, con una resistencia a la compresión promedio de 33,8 MPa y una resistencia a la tracción de 3,7 MPa. La adición de 2% de fibra metálica aumenta la resistencia a la compresión a 43,0 MPa [13] La adición de sílice también aumenta la resistencia del hormigón. [14]

Este hormigón de azufre podría ser de especial valor para la minimización del polvo, por ejemplo para crear una plataforma de lanzamiento para cohetes que salgan de la Luna. [12]

Problemas con el "hormigón azufrado"

Proporciona menos protección contra la radiación cósmica, por lo que las paredes tendrían que ser más gruesas que las de hormigón a base de cemento Portland (el agua en el hormigón es un absorbente especialmente bueno de la radiación cósmica).

El azufre se funde a 115,2 °C y las temperaturas lunares en latitudes altas pueden alcanzar los 123 °C al mediodía. Además, los cambios de temperatura podrían cambiar el volumen del hormigón de azufre debido a transiciones polimórficas en el azufre. [12] (ver Alótropos del azufre ). [14]

Por lo tanto, el hormigón de azufre sin protección en la Luna, si se expone directamente a las temperaturas de la superficie, tendría que limitarse a latitudes más altas o lugares sombreados con temperaturas máximas inferiores a 96 °C y variaciones mensuales que no excedan los 114 °C.

El material se degradaría a través de repetidos ciclos de temperatura, pero es probable que los efectos sean menos extremos en la Luna debido a la lentitud del ciclo de temperatura mensual. Los pocos milímetros exteriores pueden resultar dañados por la pulverización catódica causada por el impacto de partículas de alta energía provenientes del viento solar y las erupciones solares. Sin embargo, esto puede ser fácil de reparar, recalentando o recubriendo las capas superficiales para eliminar las grietas y reparar el daño.

AstroCreta

Resumen gráfico del concepto AstroCrete

AstroCrete es un material similar al hormigón que se ha propuesto utilizar en la Luna o Marte, elaborado a partir de regolito y albúmina sérica humana (HSA), una proteína de la sangre humana. Los científicos demostraron que dicho material tenía resistencias a la compresión de hasta 25 MPa, mientras que el hormigón ordinario tenía entre 20 y 32 MPa. Al añadir urea (un subproducto de la orina, el sudor y las lágrimas), el material resultante se volvió sustancialmente más resistente que el hormigón ordinario, con una resistencia a la compresión de 40 MPa. [15] [16] [17]

Como señalan los autores: [16]

En esencia, la albúmina sérica humana producida por los astronautas in vivo podría extraerse de forma semicontinua y combinarse con regolito lunar o marciano para "obtener piedra de la sangre", parafraseando el proverbio. Creemos que los biocompuestos de regolito extraterrestre de albúmina sérica humana podrían tener un papel importante en una colonia marciana naciente.

Los investigadores también experimentaron con seda de araña sintética y albúmina de suero bovino como aglutinantes de regolito, y observaron que estos materiales también podrían producirse en Marte después de los avances en la tecnología de biofabricación . [16]

La idea detrás de AstroCrete no es nueva, como reconocen los autores: "los adhesivos y aglutinantes de origen biológico fueron ampliamente utilizados por la humanidad durante milenios antes del desarrollo de los adhesivos sintéticos derivados del petróleo. Resinas de árboles, colágeno de pezuñas, caseína de queso y sangre animal se usaban como aglutinantes y aditivos para diversas aplicaciones". [16]

Los investigadores calcularon que una tripulación de seis astronautas podría producir más de 500 kg de AstroCrete en el transcurso de una misión de dos años en la superficie de Marte. [15] Cada astronauta "podría producir suficiente espacio de hábitat adicional para albergar a otro astronauta, lo que potencialmente permitiría la expansión constante de una colonia marciana temprana". [17]

En 2023, AD Roberts escribió una historia sobre el uso de 'AstroCrete' que se estaba probando en la creación de un material de construcción en Marte con el fin de superar el desafío de obtener material a granel para la construcción en el planeta. [18]

Usar

David Bennett, de la Asociación Británica del Cemento, sostiene que el hormigón lunar tiene las siguientes ventajas como material de construcción para bases lunares: [9]

Observa, sin embargo, que el lunarcrete no es un material hermético, y para hacerlo hermético se requeriría la aplicación de una capa de epoxi al interior de cualquier estructura de lunarcrete. [9]

Bennett sugiere que los edificios lunares hipotéticos hechos de hormigón lunar probablemente utilizarían un bloque de hormigón de baja calidad para los compartimentos y habitaciones interiores, y un hormigón de alta calidad a base de cemento de partículas de sílice densas para las capas exteriores. [9]

Véase también

Referencias

  1. ^ JA Happel (1993). "Materiales autóctonos para la construcción lunar". Applied Mechanics Reviews . 46 (6). Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos : 313–325. Código Bibliográfico :1993ApMRv..46..313H. doi :10.1115/1.3120360.
  2. ^ abcdef F. Ruess; J. Schaenzlin y H. Benaroya (julio de 2006). "Diseño estructural de un hábitat lunar" (PDF) . Revista de ingeniería aeroespacial . 19 (3). Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles : 138. doi :10.1061/(ASCE)0893-1321(2006)19:3(133).
  3. ^ ab "A los ingenieros de la UND les gustaría seguir el camino del hormigón lunar". Grand Forks Herald . Dakota del Norte. 28 de febrero de 1988.
  4. ^ Long-Fox, Jared; Lucas, Michael P.; Landsman, Zoe; Millwater, Catherine; Britt, Daniel; Neal, Clive (abril de 2022). Aplicabilidad de los simulantes en el desarrollo de sistemas e infraestructura lunares: mediciones geotécnicas del simulante de tierras altas lunares LHS-1. ASCE Earth and Space 2022. Denver, CO. p. 11. doi :10.1061/9780784484470.007.
  5. ^ H. Toutanji; MR Fiske y MP Bodiford (2006). "Desarrollo y aplicación del "hormigón" lunar para hábitats". En Ramesh B. Malla; Wieslaw K. Binienda y Arup K. Maji (eds.). Actas de la 10.ª Conferencia internacional bienal sobre ingeniería, construcción y operaciones en entornos desafiantes (Tierra y espacio 2006) y del 2.º taller de la NASA/ARO/ASCE sobre materiales granulares en la exploración lunar y marciana celebrado en League City/Houston, TX, del 5 al 8 de marzo de 2006. Reston, VA: Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles . págs. 1–8. doi :10.1061/40830(188)69. ISBN 0784408300.
  6. ^ François Spiero y David C. Dunand (1997). "Simulación de la explotación de materiales y recursos marcianos en una instalación de investigación de gravedad variable". En Thomas R. Meyer (ed.). The Case for Mars IV: la exploración internacional de Marte: consideración del envío de seres humanos: actas de la cuarta conferencia de Case for Mars celebrada del 4 al 8 de junio de 1990 en la Universidad de Colorado, Boulder, Colorado . Vol. 90. Univelt para la Sociedad Astronáutica Americana . pág. 356. ISBN 9780877034216.
  7. ^ George William Herbert (17 de noviembre de 1992). Norman Yarvin (ed.). "Luna concrete". Archivos: Espacio: Ciencia, Exploración .
  8. ^ Colin Barras (17 de octubre de 2008). "Los astronautas podrían mezclar hormigón casero para construir una base lunar barata". New Scientist .
  9. ^ abcdefghi DFH Bennett (2002). "Hormigón: el material - Hormigón lunar". Innovaciones en hormigón . Thomas Telford Books. págs. 86-88. ISBN 0-7277-2005-8.
  10. ^ Representación de "Hormigón sin agua" Houssam A. Toutanji Steve Evans Richard N. Grugel
  11. ^ PRODUCCIÓN DE HORMIGÓN LUNAR USANDO AZUFRE FUNDIDO, Informe final de investigación para la beca JoVe NASA NAG8-278, Dr. Husam A. Omar Departamento de Ingeniería Civil Universidad del Sur de Alabama
  12. ^ abc I. Casanova (1997). "Viabilidad y aplicaciones del hormigón de azufre para el desarrollo de bases lunares: un estudio preliminar" (PDF) . 28.ª Conferencia Anual de Ciencia Lunar y Planetaria, 17-21 de marzo de 1997, Houston, TX . pág. 209.
  13. ^ PRODUCCIÓN DE HORMIGÓN LUNAR USANDO AZUFRE FUNDIDO Informe final de investigación para la beca JoVe NASA NAG8-278 por el Dr. Husam A. Omar
  14. ^ ab Houssam Toutanji; Becca Glenn-Loper y Beth Schrayshuen (2005). "Rendimiento de resistencia y durabilidad del hormigón lunar sin agua". 43.ª Reunión y exposición de ciencias aeroespaciales de la AIAA, 10-13 de enero de 2005, Reno, Nevada . Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. doi :10.2514/6.2005-1436.
  15. ^ ab "Viviendas asequibles en el espacio exterior: los científicos desarrollan hormigón cósmico a partir de polvo espacial y sangre de astronautas". Universidad de Manchester . Consultado el 25 de octubre de 2021 .
  16. ^ abcd Roberts, AD; Whittall, DR; Breitling, R.; Takano, E.; Blaker, JJ; Hay, S.; Scrutton, NS (septiembre de 2021). "Sangre, sudor y lágrimas: biocompuestos de regolito extraterrestre con aglutinantes in vivo". Materials Today Bio . 12 : 100136. doi :10.1016/j.mtbio.2021.100136. PMC 8463914 . PMID  34604732. 
  17. ^ ab Blakemore, Erin (18 de septiembre de 2021). «Los fluidos corporales de los astronautas podrían ayudar a construir refugios de tipo hormigón en otros planetas». Washington Post . Consultado el 25 de octubre de 2021 .
  18. ^ Roberts, AD, 2023. Construcción en Marte con sangre y orina humanas. Physics Today, 76(3), pp.62-63.

Lectura adicional

Enlaces externos