Göra tegelstenar från regolith (eftersom det inte finns något hemdepot på Mars)

Primitive Technology: Mud Bricks (Juli 2019).

Anonim

Moses och Aaron, Gamla testamentet berättar för oss, var tvungna att göra tegel utan halm innan deras folk kunde lämna Egypten och börja resan till det förlovade landet.

Bob och Dick måste räkna ut hur man gör tegel från regolith innan deras folk kan lämna jorden och börja kolonisera Mars.

Regolith är Martian motsvarigheten till vad som skulle kallas smuts eller jord på vår planet. Bob och Dick är Robert Orwoll och Richard Kiefer, professorer emeriti i William & Mary's Department of Chemistry. De samarbetar med ett privat företag, International Scientific Technologies, Inc. (IST) i Radford, Virginia. IST har fått ett pris från Small Business Innovation Research (SBIR) från NASA för att hitta sätt att skydda astronauter från rymdstrålning.

Kiefer och Orwoll har en dubbel uppgift. De utvecklar ett förfarande för att binda Martian Regolith med en polymer som är tillräckligt säker för att fungera som byggmaterial, samtidigt som den fungerar som strålningssköld. Det finns många utmaningar att skapa en människa beachhead på Mars, inklusive att hitta en vattenkälla och hantera den resetid som krävs för att göra resan. Men strålning är en av de största utmaningarna.

"Strålning är ett mycket allvarligt problem för NASA, " sa Orwoll. "Du läser inte mycket om det i papper, men de har ett sätt att gå ännu på att lösa strålningsproblemet innan de kan skicka någon till Mars."

De gör ett bra lag. Orwoll är en polymerkemi som specialiserar sig på strukturen och syntesen av de användbara makromolekylerna. Kiefer är en kärnkemist som studerar interaktionerna med djupgående strålning med polymerer och andra material.

"Vi har en bakgrund i detta, " sade Kiefer. Han och Orwoll arbetade på liknande NASA-projekt som involverade månregolith och utvecklade polymerstrålningsavskärmning.

"Den allvarligaste typen av strålning kallas galaktisk kosmisk strålning-GCR. Det är partikelstrålning, som består av bara kärnor av många element, " sa Orwoll.

GCR-partiklar är i huvudsak kosmisk shrapnel från supernova-händelser. Orwoll sa att GCR-partiklar huvudsakligen är väte- och heliumkärnor, men kan innefatta kärnor av atomer hela vägen upp till järn på det periodiska systemet.

"Det är en mycket penetrerande strålning, och mycket skadlig, både för DNA och elektriska komponenter på ett rymduppdrag, " lade Orwoll till.

Tidigare satsningar i rymden har gett forskare en bra bild av hur mycket GCR Martian astronauter kan förvänta sig.

"När de skickade upp (Mars rover) Nyfikenhet, hade de strålningsdetektorer på saken", förklarade Kiefer. "De spårade strålningen på hela resan till Mars, och de bekräftade att dosen var mycket hög för människor."

Kiefer fortsatte med att säga att den röda planeten inte erbjuder skydd mot kosmisk strålning som har gjort livet som vi vet det möjligt på jorden.

"Mars har en tiondel av atmosfären som vi har. Och det har inga magnetfält", förklarade han. "Så snart du kommer till Mars skyddas du inte mycket."

Följaktligen måste de första människorna som sätter fot på Mars ta åtminstone en del av deras avskärmning med dem. Men det mesta av råvaran kommer från underfot.

"Jag tror att folk har tänkt i åratal med smutsen från Mars-Regolith, " sa Orwoll. "Tänk på att dra en massa byggmaterial till Mars i en rymdfarkost! Det skulle bara inte vara möjligt."

"Även Home Depot är inte där ännu, " tillade Kiefer.

"Så det skulle vara snyggt om mycket av byggnadsarbetet kunde göras med material tillgängligt på Mars", sa Orwoll.

Kiefer och Orwoll har inget martins regolith att experimentera med, men de har en ganska bra ersättare. Nyfikenhet, Pathfinder och andra Mars-uppdrag har analyserat Regoliths kemiska sammansättning och forskare har funnit att det finns regolithliknande sten här på jorden.

"Det kommer från en vulkan på Hawaii. På Big Island" sa Kiefer. "Ett företag i Wisconsin säljer det."

Stenen, som marknadsförs som Martian Regolith Simulant, bryts av Puhun Nene, en vulkan mellan Mauna Loa och Mauna Kea. Forskare har använt sakerna för att förbereda sig för Mars sedan 1998. Kiefer och Orwoll har påsar av det, i två olika storlekar, i deras lab. Dess kemiska smink är ganska lik regoliten av Mars.

"Det finns mycket silikat, som sand, i regolith. Det är mycket järn, det är därför det är rött, " sa Kiefer. "Det är en kombination av många saker, du vet, precis som smuts här på jorden. Men regolith har inget organiskt material. Det skulle vara mer som att du hittar i en öken."

Kiefer och Orwoll försöker hitta det bästa polymerbindemedlet för människor att ta med Mars. De experimenterar med olika formler, vilket gör regolith-simulatorns tegelstenar i laboratoriet. De har funnit köksförsörjningsbutiker för att vara en bra källa till mögel och så ser några av deras rego-stenar lite överbakade bröd bananbröd.

Den "bästa" polymeren kommer lätt att blandas, ett effektivt bindemedel och det mest effektiva i vikt. Kiefer sa att de uppfattar en bra regolith tegel bör inte vara mer än 10 procent bindemedel, men de vill naturligtvis göra bättre.

Det slutliga polymerbindemedlet skulle förmodligen men inte nödvändigtvis vara i pulverform. Samarbetarna har gjort framsteg när de bestämmer den mest effektiva typen av polymerer för avskärmning.

"Vi vill ha polymerer som har mycket väte i dem", sa Kiefer. "Anledningen är att väte är den bästa skölden för dessa galaktiska kosmiska strålar."

"På basis av per gram, " tillade Orwoll.

Samarbetarna påpekade att bly, en värdig och effektiv jordisk strålningssköld, är en uppenbar icke-startare på grund av vikten. Och överraskande är väte effektivare som strålningssköld än bly.

"Du är bättre med ett kilo väte än du är med ett pund bly, " sa Orwoll.

"Första gången jag hörde det, sa jag" Vänta en minut ", sa Kiefer. "Men en forskare från NASA visade mig hans beräkningar. Han övertygade mig."

Vätgas effektivitet mot kosmisk strålning är en fråga om försvar av elektron. Elektroner bär en negativ laddning. Varje väteatom har bara en enda elektron, men Kiefer påpekade att väte, som upptar ledningsfoten i det periodiska systemet, har en elektron per en massenhet. (Kol, i jämförelse, är hälften som elektronrik, med sex elektroner per 12 massenheter.)

Kiefer förklarade att partiklarna av GCR är mestadels nakna protoner, vilka bär en positiv laddning.

"Så de interagerar med en negativ elektron genom att flytta den åt sidan, " sa han, "förlorar energi i processen."

Väte har en annan dygd som en strålningsskyddande komponent. Kiefer fortsatte att förklara att några av de inkommande GCR protonerna skadar dem genom att krossa atomer vid hög energi. Så när en partikelzoom in träffar kärnan i en atom av traditionellt avskärmningsmaterial, flyger det från varandra och släpper ut stor energi.

"Och du hamnar med mer strålning bakom din sköld än vad du hade framför den, " tillade han. Det är inte ett problem med väte, vars en-protonkärna inte kommer att delas upp.

Faktum är att flytande väte skulle göra den allra bästa kosmiska strålningsskölden, sade Kiefer, "men inte särskilt praktisk". Rena regolith adobe-stil väggar, utan polymer bindemedel, skulle erbjuda skärmning också, men skulle behöva vara en fot eller så tjock.

"Men för att göra det för att tjocka väggar ska du behöva lite tung utrustning, " sa Kiefer. "Så här är trade-offen: Tar du saker att göra tegelstenar eller tar du med en bulldozer?"

Ämnen som tegelstenen eller bulldozerfrågan kommer ofta upp i samtal med Orwoll och Kiefer. Reconditera detaljer om vätebindningar i polymerer och sammankopplingar av kosmiska strålar är peppared med Martian spekulationer och vad-ifs. Deras diskussion påminner om utvecklingsdelen av en science fiction roman.

Bland de idéer som kastas runt: Rego-tegelstenarna kan massproduceras vid en landningsplats av robotenheter som placeras av obemannade uppdragsår innan de första människorna landar. Och det behöver inte vara tegelstenar - Regolith kan blandas med polymerbond och extruderas i stockar. En urinblåsa, skyddad av ytterstenar av rego-mursten, kan tryckas till jordförhållandena, vilket gör att martianska kolonister kan komma in och ta bort sina rymddrag. En rymdfarkost som är avsedd för att lagra sitt polymerbindemedel i kabinens fartygsväggar kan ge strålskyddet för resan.

Allting är möjligt, eller åtminstone ett stort antal saker, men först måste kemikerna perfekta sitt polymerbindemedel. Båda kemisterna är medvetna om att deras arbete har en högteknologisk, till och med en sci-fi-aspekt. Samtidigt inser de att det handlar om att göra tegelstenar, något som människor har gjort sedan före Mose tid.

"Om du kommer till en främmande planet är lågteknologi allt du kan göra - i början", sa Kiefer.

menu
menu