گرد و غبار ماه و مواد بازیافتی - عایق برای زیستگاه های ماه آینده

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

افرادی که در ماه زندگی می کنند ممکن است علمی تخیلی به نظر برسند، اما آزمایشگاه ها و آژانس های بزرگ ایالات متحده به طور فعال برای ساختن زیستگاه های ماه کار می کنند. قابل سکونت ساختن این زیستگاه ها به راه حل هایی برای دمای شدید، منابع محدود و مدیریت زباله های تولید شده توسط ماموریت های طولانی مدت انسانی نیاز دارد.

برای مبارزه با این چالش‌ها، الکساندر وی و جاکوب استاکر، محققان کالج علوم دانشگاه پردو، در حال توسعه روش‌هایی برای ایجاد آئروژل‌ها (مواد عایق فوق‌سبک) با استفاده از اجزایی هستند که می‌توانند در ماه تولید شوند. آئروژل ها به عنوان عایق در انواع کاربردهای صنعتی و تجاری از جمله فضاپیماها، ساختمان ها و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شوند.

وی، استاد گروه شیمی جیمز تارپو جونیور و مارگارت تارپو می گوید: «تداوم حضور طولانی مدت در ماه ما را ملزم می کند تا در نحوه استفاده از منابع محلی تجدید نظر کنیم. ما به جای تکیه بر زمین برای تامین هر چیزی که نیاز داریم، در حال بررسی این موضوع هستیم که چگونه مواد موجود در ماه، از جمله زباله های تولید شده توسط ساکنان آن، می توانند به چیزی ضروری برای زیستگاه های ایمن و قابل زندگی تبدیل شوند.

برای آزمایش این رویکرد، که معمولا به عنوان استفاده از منابع درجا از آن یاد می‌شود، وی و استیکر در حال توسعه آئروژل‌هایی هستند که از ترکیب سلولز - یک الیاف طبیعی که می‌تواند از ضایعات کاغذ یا مقوا به دست می‌آید - و شبیه‌ساز سنگ‌ساخت ماه، ماده‌ای که از نظر شیمیایی و کانی‌شناسی شبیه خاک ماه یا غبار ماه است، ساخته شود.

نتایج آنها اخیرا در ACS Sustainable Chemistry & Engineering منتشر شده است.

دما در ماه می تواند در طول روز قمری به 260 درجه فارنهایت (127 درجه سانتیگراد) برسد و سپس به منفی 280 درجه فارنهایت (منفی 173 درجه سانتیگراد) در شب کاهش یابد و عایق را به یکی از اجزای اصلی هر زیستگاه یا ساختار ماه تبدیل کند.

آئروژل ها عایق های بسیار خوبی هستند زیرا ساختار آنها می تواند تا 99٪ فضای خالی را تحمل کند و مواد جامد کمی را که گرما می تواند از طریق آن عبور کند باقی می گذارد. آن فضاهای خالی روی زمین با هوا پر می‌شوند، اما به خلاء روی ماه تبدیل می‌شوند و در مقایسه با یک ماده متراکم، گرما را به سختی هدایت می‌کنند و در نتیجه انتقال حرارت را کاهش می‌دهند.

استاکر، یک محقق فارغ التحصیل، آئروژل‌های موجود در خلاء فضا را با بطری‌های آب عایق‌شده مقایسه می‌کند: "یک آئروژل را به عنوان یک قمقمه با فناوری پیشرفته برای پایه ماه تصور کنید. بیشتر آن از فضای خالی تشکیل شده است که فضای داخلی را عایق می‌کند و به آن کمک می‌کند تا دمای داخل را حفظ کند. پوشاندن زیستگاه‌های ماه با لایه‌ای از هواژل به محافظت از آنها کمک می‌کند."

وی و استاکر به دلیل در دسترس بودن و ویژگی های فیزیکی، سلولز و شبیه ساز سنگی ماه را به عنوان اجزای اصلی آئروژل های خود انتخاب کردند. سنگ سنگی که Wei و Staker استفاده می کنند بیشتر حاوی ارتوسیلیکات ها و آلومینوسیلیکات ها هستند، مواد معدنی که بیشتر پوسته ماه را تشکیل می دهند.

وی گفت: هنگامی که یک سکونتگاه در ماه ایجاد می شود، ساکنان به طور طبیعی زباله های غنی از سلولز تولید می کنند که از بسته بندی های کاغذی یا مقوا یا حتی کشاورزی قمری انباشته می شود. و من می توانم تضمین کنم که فضانوردان در ماه هرگز غبار ماه را تمام نخواهند کرد.

سنگ سنگ، الیاف سلولزی از کاغذ خرد شده و آب در آسیاب گلوله ای سیاره ای با کمک توپ های سرامیکی سنگین آسیاب می شوند. این مواد می توانند به راحتی به ذرات ریز تبدیل شوند و سلولز فیبریل شده به عنوان یک اتصال دهنده برای آئروژل نهایی عمل می کند.

وی گفت گنجاندن سنگ سنگی در فرآیند سنگ زنی کلیدی است. مواد معدنی به تجزیه سلولز به رشته های ریز و نخ مانند با قطر کمتر از 1 میکرون کمک می کنند. این الیاف بسیار ریز که به عنوان سلولز نانوفیبریل شده شناخته می شوند، برای افزایش سطح و یکپارچگی مکانیکی آئروژل ضروری هستند و مواد را قادر می سازند تا گرما را بدون فرو ریختن منحرف کنند.

وی گفت: «فرایند آسیاب به کمک مواد معدنی جذاب است زیرا تجهیزات نسبتا ساده با نیازهای کم انرژی است و آن را با محدودیت‌های منابع موجود در ماه سازگار می‌کند.

هنگامی که مواد آسیاب شده و به صورت دوغاب مخلوط شدند، منجمد شده و به آئروژل تبدیل می‌شوند. وی و استاکر با گروه هواژل معدنی با دمای بالا در مرکز تحقیقات گلن ناسا برای تولید آئروژل های نهایی با استفاده از خشک کن فوق بحرانی کار کردند.

خشک کردن فوق بحرانی یک روش صنعتی رایج برای تولید آئروژل هایی است که در طول فرآیند خشک کردن منقبض یا خرد نمی شوند. به طور گسترده ای برای تولید آئروژل های با کیفیت بالا استفاده می شود اما انرژی بر است و به دی اکسید کربن نیاز دارد که به راحتی در ماه در دسترس نیست. در عوض، وی و استاکر در حال مطالعه لیوفیلیزاسیون یا خشک کردن انجمادی برای تکرارهای آتی تولید آئروژل هستند.

خشک کردن انجمادی یک آئروژل به همان روشی عمل می کند که فرد غذا را با انجماد خشک می کند: مخلوطی از سلولز نانوفیبریل شده و رگولیت منجمد شده و در خلاء قرار می گیرد تا آب را از طریق فرآیندی به نام تصعید خارج کند. کریستال های یخ مستقیما بدون ذوب شدن به بخار تبدیل می شوند و در نتیجه مواد متخلخل و کم آب می شوند.

وی گفت: "خشک کردن انجمادی در نهایت برای تولید در ماه عملی تر و پایدارتر است زیرا تجهیزات بسیار ساده تر هستند." سطح ماه خلاء طبیعی و دمای زیر انجماد را در شب فراهم می‌کند و آب حذف شده در حین تصعید می‌تواند بازیابی شود و برای یک فرآیند تولید دایره‌ای استفاده شود.

وی و استاکر انواع آئروژل های ساخته شده با نسبت های مختلف سنگلیت و سلولز را با هدف یافتن تعادل بین عایق حرارتی و استحکام مکانیکی تهیه کردند.

استاکر گفت: "ما می خواهیم که ایروژل سبک و محکم باشد و رسانایی حرارتی پایینی داشته باشد." با تغییر سیستماتیک فرمول، می‌توانیم نسبت مواد را برای پشتیبانی از بهترین ترکیب از این ویژگی‌ها بهینه کنیم.

آنها دریافتند که آئروژل هایی با کمترین میزان سلولز به طور کلی بهترین عایق و کمترین چگالی را ارائه می دهند. افزایش مقدار سنگ سنگی در فرمولاسیون نیز به دلیل فراوانی زیاد آن در ماه مطلوب است. با این حال، محتوای سلولز بالاتر، خواص مکانیکی را بهبود می بخشد، و در نتیجه بین عایق و یکپارچگی ساختاری تعادل ایجاد می کند.

Wei و Staker در تلاش هستند تا دستور العمل مناسبی را بیابند که در عین استفاده هوشمندانه از منابع، عایق خوب و استحکام کافی را فراهم کند.

وی گفت: "به جای تلاش برای ساخت بهترین آئروژل جهان، ما به دنبال نقطه شیرینی هستیم که بتوانیم با منابع محدودی که در دسترس داریم، خواص مورد نیاز خود را بدست آوریم."

جاکوب استاکر و همکاران، آئروژل های کامپوزیتی سلولز-رگولیت نانوفیبریل شده برای عایق حرارتی قمری، شیمی و مهندسی پایدار ACS (2026). DOI: 10.1021/acssuschemeng.6c06706

اطلاعات مجله: ACS Sustainable Chemistry & Engineering

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →