Materialwissenschaftler stellen Marsbeton her

Das Ziel, Menschen zum Mars zu schicken, wächst. Verschiedene Weltraumagenturen haben damit begonnen, die zahlreichen Probleme zu untersuchen, die eine solche Mission mit sich bringen würde, nicht zuletzt der Schutz der Menschen während der Reise.

Aber sobald Menschen auf dem Roten Planeten ankommen, benötigen sie hochwertige Gebäude, in denen sie leben und arbeiten können. Sie können gewisse Strukturen mitnehmen, aber das kann nur eine vorübergehende Lösung sein. Die ersten Kolonisatoren müssen schnell einen Weg finden, Strukturen mit den eigenen Ressourcen des Planeten zu bauen. Aber wie?

Heute bekommen wir dank der Arbeit von Lin Wan und seinen Freunden an der Northwestern University eine Antwort. Diese Jungs haben herausgefunden, wie man Marsbeton mit Materialien herstellt, die auf dem Mars weit verbreitet sind. Und, was entscheidend ist, dieser Beton kann ohne die Verwendung von Wasser geformt werden, das eine wertvolle Ressource auf dem roten Planeten sein wird.



Das Schlüsselmaterial in einem Bauboom auf dem Mars wird Schwefel sein, sagt das nordwestliche Team. Die Grundidee ist, Schwefel auf etwa 240 °C zu erhitzen, damit er flüssig wird, ihn mit Marserde, die als Aggregat fungiert, zu vermischen und dann abkühlen zu lassen. Der Schwefel verfestigt sich, bindet die Zuschlagstoffe und erzeugt Beton. Voila – Marsbeton.

Natürlich ist die Idee, Schwefel zum Binden von Aggregaten zu verwenden, alles andere als neu. Ingenieure experimentieren seit mindestens einem Jahrhundert mit dieser Art von Material und stellten zunächst fest, dass Beton auf Schwefelbasis einige Probleme hatte.

Zunächst verfestigt sich Schwefel beim Abkühlen zu monoklinem Schwefel und wandelt sich dann in orthorhombischen Schwefel um, das bei niedrigeren Temperaturen stabile Allotrop. Aber es schrumpft auch während dieses Prozesses und dieses Schrumpfen erzeugt Hohlräume und baut Spannungen auf, die das Material stark schwächen.

Darüber hinaus untersuchten Materialwissenschaftler in den 1970er Jahren die Möglichkeit, Schwefelbeton zum Bau von Mondbasen auf dem Mond zu verwenden. Sie entdeckten schnell, dass Schwefel im Vakuum sublimiert – er verwandelt sich von einem Feststoff direkt in ein Gas. So würde jeder Schwefelbeton auf dem Mond schnell im Äther verschwinden.

Eine wichtige Frage ist also, ob Schwefelbeton stark genug und haltbar genug gemacht werden kann, um auf dem Mars nützlich zu sein.

Um das herauszufinden, haben Wan und Co. welche gemacht. Sie verwendeten simulierten Marsboden, der hauptsächlich aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid mit anderen Bestandteilen wie Eisenoxid, Titandioxid und so weiter bestand. Sie testeten auch verschiedene Partikelgrößen in diesem Aggregat.

Die Tests waren unkompliziert. Nachdem sie das Aggregat mit unterschiedlichen Prozentsätzen geschmolzenen Schwefels gemischt und die Proben zu Blöcken abkühlen gelassen hatten, maßen sie die physikalischen Eigenschaften der resultierenden Materialien, wie ihre Druckfestigkeit und ihre Versagensmechanismen. Sie analysierten die Mischung auch chemisch und simulierten ihr Verhalten.

Die Ergebnisse sorgen für eine interessante Lektüre. Es stellt sich heraus, dass die Verwendung eines Aggregats aus kleineren Partikeln die Bildung von Hohlräumen verringert, was die Festigkeit des Materials erheblich erhöht. Die beste Mischung für die Herstellung von Marsbeton ist 50 Prozent Schwefel und 50 Prozent Marserde mit einer maximalen Aggregatgröße von 1 mm, sagen sie.

Und es ist ein starkes Material, das eine Druckfestigkeit von über 50 MPa erreicht, insbesondere wenn es während des Aushärtens komprimiert wird, um die Bildung von Hohlräumen zu reduzieren. Diese Stärke ist teilweise auch auf die chemischen Bindungen zurückzuführen, die Schwefel mit dem Marsboden eingeht. Zum Vergleich: Wohnbaustandards auf der Erde erfordern Beton mit einer Druckfestigkeit von etwa 20 MPa.

Wan und Co sagen auch, dass die atmosphärischen Bedingungen auf dem Mars für dieses Zeug geeignet sind. Sowohl der atmosphärische Druck als auch der Temperaturbereich auf dem Mars seien angemessen, um Schwefelbetonstrukturen zu beherbergen, sagen sie.

Und es gibt noch weitere Vorteile. Marsbeton kann recycelt werden, indem man ihn erhitzt, sodass der Schwefel schmilzt. So kann es immer wieder verwendet werden. Es härtet auch schnell aus, ist relativ einfach zu handhaben und extrem billig im Vergleich zu Materialien, die von der Erde gebracht werden.

Das ist eine interessante Arbeit. Das bedeutet, dass die ersten permanenten Strukturen auf dem Mars einfach herzustellen sein sollten. Alles, was wir jetzt brauchen, ist eine neue Generation von Marsarchitekten, um Gebäude aus Marsbeton zu entwerfen, die geeignete Strukturen für Menschen zum Leben und Arbeiten sind.

Die Zeit wird auf ihrer Seite sein. Bis zu den ersten bemannten Missionen zum Mars sind es noch einige Jahre. Aber es ist gut möglich, dass die ersten Menschen, die in diesen Strukturen leben, bereits geboren wurden und derzeit in ganz anderen Gebäuden auf der Erde aufwachsen.

Ref:arxiv.org/abs/1512.05461: Ein neuartiges Material für den In-situ-Bau auf dem Mars: Experimente und numerische Simulationen

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