Concreto en el espacio?

Published on Tuesday, 22 October 2013 17:18

Written by I. y E. Vidaud

Los antecedentes de lo que conocemos como Mooncrete, datan de las últimas décadas del siglo XX.

Un material desconocido hasta casi finales del siglo XX, el Lunarcreto (Mooncrete) tuvo su primer antecedente en 1985 en una propuesta de Larry A. Beyer, profesor e investigador de la Universidad de Pittsburgh. Surgió de una hipótesis en torno a una mezcla (similar al concreto) constituida por agregados; pero con material proveniente de la luna. Siguiendo esta idea, con el Lunarcreto podrían construirse estructuras en este astro con menores costos, pues podrían utilizarse en gran medida los materiales locales.

El desarrollo de bases lunares permanentes por parte de los Estados Unidos, en la época del Mooncrete, había estado limitado, debido principalmente al rendimiento de los materiales de construcción, así como a la disponibilidad de los recursos in situ. Pero la construcción de estas bases sigue siendo tema fundamental para la gran potencia mundial, en su afán de seguir siendo uno de los grandes protagonistas en el desarrollo de las investigaciones en la luna. Cabe decir que el logro de estos objetivos está subordinado a que la Administración Nacional de la Aeronáutica y el Espacio (NASA, por sus siglas en inglés) cuenten con bases lunares, necesarias para que científicos y astronautas tengan instalaciones habitables en las que puedan vivir durante largos períodos.

En general, por sus características, el concreto parece ser un material de construcción adecuado para el entorno lunar; de ahí que el estudio del Lunarcreto como material de construcción cobra importancia trascendental.

Los ingredientes básicos para el Lunarcreto serían los mismos que para el concreto terrestre tradicional: agregados, agua y cemento; sólo que en este caso los agregados serían procedentes de la luna, y el cemento se fabricaría a partir de roca lunar, por tener ésta un alto contenido de calcio. El agua, uno de los principales componentes del concreto, es un recurso muy escaso en este sitio celeste por lo que entonces ésta deberá ser suministrada desde el exterior o concebirse mediante la combinación de oxígeno con el hidrógeno producido a partir del suelo lunar.

Una teoría recurrente, respecto a la elaboración del cemento, plantea que eventualmente éste tendría que ser fabricado in situ, a partir de un procesamiento de alta temperatura de la regolita lunar. Aunque una posible alternativa es la sustitución de la pasta cementante (cemento y agua) por azufre, material volátil abundante en la superficie lunar. En general, el azufre se puede extraer de los suelos lunares por medio de procesos de calentamiento, en donde sólo se requieren temperaturas moderadas, o también como un subproducto de las reacciones de extracción de oxígeno, necesarias como ya se señaló, para la obtención del agua. La viabilidad y propiedades del concreto elaborado con base en el azufre, lo convierten en un material adecuado para las primeras actividades de construcción en la luna, con una amplia gama de aplicaciones.

Varias son las ventajas que los especialistas advierten en el Lunarcreto como material de construcción, entre las que se encuentran como fundamentales las siguientes: la vasta disponibilidad de materias primas en la luna; la no afectación del material por variaciones de temperatura desde 120°C hasta - 150°C; la absorción de los rayos gamma y el requerimiento, en general, de un simple proceso de producción, si se compara con lo que se requeriría para producir otros materiales, como por el ejemplo el acero estructural.

Sin embargo, los especialistas señalan que el Lunarcreto no es un material hermético, y para que así sea, se requiere (por lo general) de la aplicación de una capa de resina en el interior de cualquier estructura construida con este material.

Sólo cantidades relativamente pequeñas de roca lunar han sido transportadas a la Tierra, por lo que algunos investigadores propusieron la simulación de la construcción de este tipo de material (Lunarcreto) utilizando otros materiales, entre los que destaca la regolita, a fin de realizar las correspondientes investigaciones para admitir o rechazar el novedoso material, necesario para elaborar el concreto lunar.

En marzo de 1986, la NASA encargó a los Laboratorios de Construcción y Tecnología (CTL, por sus siglas en inglés) de los Estados Unidos, el desarrollo de una simulación de mezcla de concreto, a partir de 40 gramos de suelo lunar recolectado por una de las misiones Apollo (Apollo 16). CTL presentó su informe técnico a la NASA, sustentando la hipótesis de que los suelos y las rocas lunares podrían ser utilizados como agregados para la elaboración de concreto, y como materias primas para la fabricación de cemento. Tal y como ya se expresó, se presentaba como limitante la falta de agua para fabricar concreto, a partir de materiales de producción local.

Con la intención de construir bases lunares de concreto, se dio inicio a la investigación, que en su fase inicial se dedicó al estudio petrográfico y escaneo en microscópico electrónico de la muestra de suelo lunar. En sentido general, y a partir de los resultados de esta primera fase de exámenes de barrido petrográfico y con microscopio electrónico quedó de manifiesto que la morfología y la composición elemental del polvo de suelo lunar es adecuada para su uso como agregado fino para la fabricación de concreto.

A partir de este hallazgo, se fabricaron especímenes para ser ensayados, utilizando cemento de aluminato de calcio y agua destilada en la mezcla de concreto, con una simulación del suelo lunar como agregado fino. Ensayos como resistencia a la compresión, módulo de rotura, módulo de elasticidad y coeficiente de expansión térmica, fueron realizados a varios tipos de especímenes. El suelo lunar simulado fue elaborado con una arena riolítica vidriosa.

Las partículas de polvo lunar estudiadas tenían diversas formas: de medianamente angulosa a casi redondeadas, encontrándose disgregadas las partícu­ las. Aparentemente, parecía tener una alta porosidad; pudiendo estimarse además, que entre un 40 y un 50% de la muestra era granos blancos; mientras que entre un 50 y un 60% tenían color negro-grisáceo. Las partículas blancas eran más friables que las partículas oscuras.

La luna, ¿futuro productor de cemento y concreto?

Una porción de la muestra lunar fue examinada mediante Microscopía Electrónica de Barri­ do (SEM, por sus siglas en inglés), equipada para el análisis por Ener­ gía Dispersiva de Rayos-X (EDX por sus siglas en inglés), estudio que se desarrolló con el objetivo de determinar la morfología y com­ posición elemental del material lunar. Este análisis indicó que las partículas de polvo lunar tenían su propia estructura cristalina y se componía fundamentalmente de Calcio (Ca), Aluminio (Al), y Silicio (Si), aunque también se encontraron en menor cantidad: Magnesio (Mg), Hierro (Fe), Titanio (Ti), Sodio (Na), y Potasio (K).

La muestra graduada de suelo lunar tenía una distribución de ta­ maño similar a la arena graduada de Otawa, misma que se utilizó en un programa experimental previamente desarrollado para la NASA, por T. D. Lin en 1985.

En general, la muestra analiza­ da estaba formada fundamental­ mente por partículas de Anortita (CaAl2Si2O8), un mineral triclínico con dos hendiduras, en direccio­ nes orientadas aproximadamente a 90° una de otra, lo que indicaba la estructura cristalina. Los 40 gramos estudiados respondían a un volumen de 29.2 cm3, con un peso por unidad de volumen de 1.37 g/cm3, un contenido de aire de un 45%, y 2.5 g/cm3 de gravedad específica.

Para simular el suelo lunar, se siguió el procedimiento de la ASTM C136-84a, en que la arena natural de Otawa y la reolita cristalina triturada fueron tamizadas para obtener agregado fino con la misma distribución de partículas que la que exhibía la muestra de suelo lunar. Cabe decir que fue utilizado en las mezclas cemento de aluminato de calcio comercial con 3.08 g/cm3 degravedad específica.

Tal y como antes se comentó, la muestra de 40 gramos de suelo lunar fue examinada para evaluar si ésta era adecuada como agregado fino para la fabricación de especímenes de mortero. El examen en el microscopio óptico mostró que la angulosidad de las partículas podía permitir la elaboración de mezclas de concreto lunar, requiriendo más agua en la mezcla que la que se emplea con arenas terrestres de partículas redondeadas. Aunque esta angulosidad podría tender a incrementos en la adherencia entre la pasta de cemento y el agregado, lo que traería como consecuencia un aumento de la resistencia, si se compara con las arenas de partículas redondeadas. Los requerimientos de agua más elevados pudieron ser también una consecuencia del elevado volumen de vacíos y de los síntomas de aridez, observados en el polvo lunar.

Respecto al examen bajo SEM, éste mostró que el material tenía microfisuras similares a las que se manifiestan en agregados artificiales ligeros. Por otra parte, los ensayos a los especímenes cúbicos proveen evidencia convincente de que los pocos efectos negativos encontrados fueron causados por esta microfisuración. De igual manera, la superficie de las partículas de suelo lunar, al ser ricas en gas, deben mejorar la calidad del concreto o como máximo no tener efecto sobre esta.

Resultados como los definidos anteriormente se consideran positivos, pues los ensayos al Lunarcreto arrojaron resistencias a la compresión por encima de 75 MPa, frente a las 35 MPa que suelen tener los concretos terrestres. Estos hechos ofrecen evidencias de que el novedoso material puede ser tan o más resistente y duradero como el concreto tradicional. Una mínima pérdida de resistencia se presentó cuando las muestras fueron expuestas al vacío por períodos prolongados; la observada decayó hasta un valor aproximado del 80% del valor máximo.

Investigaciones más recientes reportan que en el año 2008, Houssam Toutanji, de la Universidad de Alabama en Huntsville y Richard Grugel, del Centro de Vuelo Espacial Marshall (Marshall Space Flight Center), utilizaron también un suelo lunar simulado para determinar si Lunarcreto se podría hacer sin agua, utilizando azufre como ligante (a partir de polvo lunar).

El Lunarcreto simulado demostró que era capaz de soportar esfuerzos de compresión de hasta 17 MPa; esfuerzos que los investigadores creen podrían elevar­ se hasta 20 MPa, si el material se reforzaba con sílice (también obtenido a partir de polvo lunar).

Al igual que el concreto tradicional, el Lunarcreto también exhibe un deficiente comportamiento ante los esfuerzos de tensión. En este caso, varios investi­ gadores han incursionado en propuestas de concreto pretensado a partir del material lunar, usando otros materiales importados desde la tierra, con similitudes al concreto presforzado terrestre.

En resumen, son varias las investigaciones que muestran evidencias científicas de que el suelo lunar puede ser utilizado para fabricar concreto, con la su­ ficiente calidad como para construir en la luna o en el espacio. Con los planes de llegar hasta Marte (utilizan­ do primero una base lunar), y luego de que la NASA descubrió hielo en la luna en el año 2009, volvieron las expectativas en torno al desarrollo del Lunarcreto. El material se presenta como ideal para la protección frente a la radiación solar y otras condiciones extremas imperantes en el lugar.