持续的太空探索将需要目前不存在的基础设施：建筑物、住房、火箭着陆台。
那么，当建筑材料太大而无法放入您的随身行李并且外太空没有家得宝时，您会去哪里寻找建筑材料呢？
Unidel 的 Norman Wagner 说：“如果我们要在火星或月球这样的另一个星球上生活和工作，我们需要制造混凝土。但我们不能随身携带一袋袋混凝土——我们需要使用当地资源。” Robert L. Pigford 特拉华大学化学与生物分子工程系主任。
研究人员正在探索怎样使用来自月球或火星的粘土状表土材料作为地外水泥的基础。 要取得成功，就需要一种粘合剂，通过化学将外星起始材料粘合在一起。 对这种超凡脱俗的建筑材料的一个要求是，它必须足够耐用，以供垂直发射台使用，以保护人造火箭在起飞或着陆期间免受旋转的岩石、灰尘和其他碎片的影响。 大多数常规建筑材料，如普通水泥，在空间条件下不适用。
UD 的 Wagner 及其同事正在研究这个问题，并成功地将模拟的月球和火星土壤转化为地质聚合物水泥，这被认为是传统水泥的良好替代品。 研究小组还创建了一个框架来比较不同类型的地质聚合物水泥及其特性，并在“空间研究进展”中报告了结果。 这项工作最近在工程进展中得到了强调。
地聚合物水泥
地质聚合物是由从特拉华州的纽瓦克白粘土溪到非洲各地的常见粘土中发现的硅铝酸盐矿物形成的无机聚合物。 当与具有高 pH 值的溶剂（例如硅酸钠）混合时，粘土可以溶解，从而释放内部的铝和硅，从而与其他材料发生反应并形成新的结构，例如水泥。
月球和火星上的土壤也含有常见的粘土。
这让前副科学家、UD 瓦格纳实验室成员 Maria Katzarova 想知道是否有可能使用地质聚合物化学激活模拟的月球和火星土壤，使其成为类似混凝土的建筑材料。 她向 NASA 提出了这个想法，并通过特拉华州太空资助联盟获得了资金，以尝试在当时的 UD 博士生 Jennifer Mills 的帮助和专业知识下进行尝试，后者在她的博士论文中研究了陆地地质聚合物。 研究人员以完全相同的方式从各种已知的模拟土壤中系统地制备了地质聚合物粘合剂，并比较了这些材料的性能，这是以前从未做过的。
“这不是一件小事。你不能只说给我任何旧粘土，我会让它发挥作用。它有一些指标，你必须担心化学反应，”瓦格纳说。
研究人员将各种模拟土壤与硅酸钠混合，然后将地质聚合物混合物注入冰块状模具中，等待反应发生。 7 天后，他们测量了每个立方体的大小和重量，然后将其压碎以了解材料在负载下的表现。 具体来说，他们想知道模拟土壤之间化学性质的微小差异是否会影响材料的强度。
瓦格纳说：“当火箭起飞时，着陆垫上有很大的重量，需要保持混凝土，因此材料的抗压强度成为一个重要指标。” “至少在地球上，我们能够制造具有完成这项工作所需的抗压强度的小立方体材料。”
研究人员还计算了宇航员需要携带多少陆地材料才能在月球或火星表面建造着陆台。 事实证明，估计的数量完全在火箭的有效载荷范围内，从数百公斤到数千公斤不等。
模拟空间条件
研究小组还将样品置于太空中的不同环境中，包括真空、低温和高温。 他们发现的内容很丰富。
在真空下，一些材料样品确实形成了水泥，而另一些只是部分成功。 然而，总体而言，与在室温和压力下固化的地质聚合物立方体相比，地质聚合物水泥的抗压强度在真空下降低。 这会根据材料的用途提出新的考虑。
“我们是否需要在加压环境中铸造这些材料以确保反应形成最强的材料，或者我们是否可以在真空、月球或火星上的正常环境下形成它们并实现这已经足够了，”米尔斯说，她于 2022 年 5 月在 UD 获得化学工程博士学位，现在在陶氏化学公司工作。
同时，在约-80摄氏度的低温下，地质聚合物材料根本没有反应。
“这告诉我们，我们可能需要使用某种促进剂来达到我们在室温下看到的强度，”米尔斯说。 “也许地质聚合物需要加热，或者我们需要在混合物中添加其他东西来启动某些应用或环境的反应。”
在大约 600 摄氏度的高温下，研究人员发现每个类似月球的样本都变得更强。 这并不奇怪，米尔斯说，考虑到动力学在低温下是怎样受到阻碍的。 研究小组还观察到地质聚合物水泥在加热下的物理性质发生了变化。
“当我们加热地质聚合物砖时，它们变得更加脆弱，破碎而不是被压缩或分成两部分，”米尔斯说。 “如果材料要承受任何类型的外部压力，这可能很重要。”
根据他们的结果，研究人员表示，化学成分和粒度可能对材料强度起重要作用。 为了 example，更小的颗粒增加了可用的表面积，使它们更容易反应并可能导致更大的整体材料强度。 另一个可能的因素：起始材料中的硅铝酸盐含量，当添加的溶液也可能含有少量这些材料并有助于材料性能时，这可能很难估计。
这是什么意思呢？
好吧，亚马逊不提供为期两天的太空送货服务，因此设计正确的起始材料配方很重要。 了解影响材料强度的因素也很重要，因为宇航员将从行星上的不同地方——甚至可能是完全不同的行星——采购我们的表土材料。
这些结果也可用于在地球上制造对环境更好的地质聚合物水泥，并且可以从更广泛的当地材料中获取。 地质聚合物水泥需要的水也比制造传统水泥所需的水少，因为水本身不会在反应中消耗。 相反，水可以回收和再利用，这在从干旱的地球景观到外太空的水资源有限的环境中是一个优势。
今天，瓦格纳目前的两名研究生正在探索怎样使用地质聚合物水泥来 3D 打印房屋并使用微波技术激活地质聚合物材料。 这项工作是与东北大学和乔治城大学的研究人员的合作项目。 与您用来重新加热早晨咖啡的微波类似，微波加热可以加速地质聚合物的固化，并且有朝一日可能会为陆地建筑商或宇航员提供一种有针对性地固化地质聚合物混凝土的方法。
