Phương pháp lập kế hoạch của các nhà khoa học để biến đất trên Sao Hỏa và Mặt Trăng thành vật liệu bê tông không gian

(Tổ Quốc) - Bê tông là một trong những vật liệu quan trọng nhất để xây dựng. Tuy nhiên, sản xuất bê tông ngoài không gian là một thách thức lớn và hoàn toàn khác biệt so với những gì chúng ta làm trên Trái Đất.

Không cần phải nói, nhiều người trong chúng ta có thể đã nhận ra rằng trong tương lai gần, nếu con người sinh sống trên Sao Hỏa, Mặt Trăng hoặc bất kỳ hành tinh nào trong không gian rộng lớn, họ sẽ phải tự cung cấp tất cả mọi thứ cho cuộc sống của mình.

Điều này đòi hỏi họ phải có khả năng tự sản xuất thức ăn, nhiên liệu và thậm chí cả không khí. Tuy nhiên, để làm điều này, họ cần một nơi ẩn náu an toàn, và xây dựng một khu dân cư ổn định ở xa Trái Đất có thể là nhiệm vụ khó khăn nhất.

Theo tính toán hiện tại, chi phí để đưa 1 kg hàng hóa ra ngoài bằng tên lửa Falcon của SpaceX (được sử dụng thường xuyên để cung cấp cho Trạm Vũ trụ Quốc tế) là khoảng 2.700 USD (khoảng 632 triệu VNĐ).

Tuy nhiên, chi phí để đưa 1 kg vật liệu lên Sao Hỏa sẽ cao hơn nhiều lần - tàu lên Sao Hỏa Curiosity đã tiêu tốn khoảng 2,5 tỷ USD để hạ cánh 889 kg, tức là khoảng 2,78 triệu USD cho mỗi kg.

Và ngay cả khi bạn có đủ tiền, tải trọng tối đa trong mỗi chuyến bay cũng bị hạn chế, nên không thể vận chuyển bất kỳ vật liệu xây dựng nào lên Sao Hỏa hoặc Mặt Trăng.

Tuy vậy, các nhà khoa học địa chất và hóa học tại Đại học Delaware đang có một phương án triển vọng: sử dụng nguồn tài nguyên tự nhiên có sẵn tại điểm đến để sản xuất vật liệu xây dựng.

Dường như việc biến các chất trên bề mặt của Sao Hỏa thành vật liệu xây dựng đáng tin cậy và hiệu quả là một mục tiêu khó khăn đối với các nghiên cứu trước đây.

Một yêu cầu chính cho mọi cư dân không gian là độ bền và sức mạnh của vật liệu xây dựng. Bê tông là một lựa chọn tốt, nhưng việc sản xuất bê tông đòi hỏi xi măng, một vật liệu không thể mang theo trong không gian.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu dưới sự lãnh đạo của giáo sư Norman Wagner ở Đại học Delaware đã tìm hiểu về hóa học geopolymer. Geopolymer là các polyme vô cơ được hình thành từ các khoáng chất aluminosilicat, tạo ra vật liệu rắn giống như gốm ở nhiệt độ gần môi trường. Chúng thường được tìm thấy trong đất sét trên toàn thế giới.

Khi trộn các geopolyme này với dung môi alkaloid như natri silicat, đất sét được hòa tan, giải phóng nhôm và silic để phản ứng với các chất khác và tạo thành vật liệu mới - bao gồm cả xi măng.

Đất trên Sao Hỏa hoặc Mặt Trăng cũng chứa loại đất sét này, nhưng việc sử dụng chúng ngoài không gian là một thách thức. Wagner nói: “Bạn không thể chỉ cần đất sét và làm được điều này. Cần phải đo lường cẩn thận và tính toán kỹ lưỡng với các yếu tố hóa học của môi trường không gian'.

Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học đã kết hợp đất mô phỏng từ Sao Hỏa và Mặt Trăng với natri silicat, sau đó đúc hỗn hợp trong khuôn hình lập phương. Sau một tuần, vật liệu từ mỗi khuôn được rút ra, đo lường và kiểm tra cấu trúc để xác định khả năng chịu tải trọng. Vật liệu cũng phải thích nghi với môi trường không gian, bao gồm chân không và biến đổi nhiệt độ.

Wagner nói: 'Khi một tên lửa cất cánh, có rất nhiều trọng lượng đẩy xuống bệ hạ cánh, do đó, cường độ nén của vật liệu trở thành một yếu tố quan trọng. Ít nhất là trên Trái Đất, chúng ta đã có thể tạo ra các vật liệu ở dạng hình khối nhỏ với cường độ nén cần thiết để làm việc này'.

Các nhà nghiên cứu đã báo cáo việc chuyển đổi thành công một chất mô phỏng regolith trên Sao Hỏa và ba chất mô phỏng regolith trên Mặt Trăng thành chất kết dính geopolymer. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng xi măng geopolymer có cường độ nén thấp khi hình thành trong điều kiện chân không. Đồng thời, ở nhiệt độ -80 độ C trở xuống, geopolymer không trải qua phản ứng hóa học. Điều này cho thấy rằng phi hành gia sẽ phải đúc những vật liệu này trong một môi trường có áp suất và geopolymer cần được làm nóng.

Thay vì đóng gói những túi xi măng để gửi lên Sao Hỏa, với kết quả nghiên cứu này, phi hành gia chỉ cần mang theo dung môi. Số lượng mà họ cần để xây dựng một khu định cư có kích thước vừa phải có thể phù hợp với trọng lượng tải của một tên lửa phóng lên Sao Hỏa.

Geopolymer cần ít nước hơn so với xi măng truyền thống để sản xuất vì nước không được hấp thụ bởi phản ứng. Điều này có nghĩa là nó có thể tái chế và sử dụng lại. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Delaware đang tiến hành xây dựng nhà in 3D bằng cách sử dụng xi măng geopolymer, họ dự định kích hoạt qua công nghệ vi sóng.

Tham khảo: Các Tiến Bộ trong Nghiên cứu Vũ trụ; Zmescience; Space