طور باحثون من جامعة بيردو الأمريكية طريقة لإنتاج مادة الإيروجيل، وهي مادة فائقة الخفة تتميز بقدرتها العالية على العزل الحراري، باستخدام مكونات يمكن الحصول عليها على سطح القمر .
وتعتمد التقنية على مزج السليلوز المستخرج من النفايات الورقية مع مادة تحاكي الغبار القمري، بهدف إنتاج مواد عازلة يمكن استخدامها مستقبلا في إنشاء مساكن وقواعد قمرية. ونشرت نتائج البحث في مجلة ACS Sustainable Chemistry & Engineering العلمية.
تحويل النفايات إلى مواد بناء على القمر
بناء قواعد على القمر ( مصدر الصور: Freepik )
قال أستاذ الكيمياء ألكسندر وي إن ضمان الوجود البشري طويل الأمد على القمر يتطلب إعادة التفكير في كيفية الاستفادة من الموارد المحلية.
وأوضح أن الباحثين يدرسون إمكانية إعادة تدوير المواد المتاحة على القمر، بما فيها النفايات التي ينتجها سكانه مستقبلا، وتحويلها إلى مواد ضرورية لإنشاء بيئات سكنية آمنة وصالحة للحياة، بدلا من الاعتماد الكامل على الإمدادات القادمة من الأرض.
ولاختبار هذه الفكرة، استخدم العلماء السليلوز المستخرج من النفايات الورقية، إلى جانب مادة تحاكي الثرى القمري، وهو الغبار والتربة المفككة التي تغطي سطح القمر، لإنتاج الإيروجيل.
الإيروجيل مادة فائقة الخفة للعزل الحراري
يتميز الإيروجيل بقدرته العالية على العزل الحراري، إذ يمكن أن تشغل الفراغات الداخلية في بنيته ما يصل إلى 99% من حجمه، مع وجود كمية قليلة جدا من المادة الصلبة التي يمكن أن تنتقل الحرارة عبرها.
وعلى الأرض، تمتلئ هذه الفراغات بالهواء، بينما تكون فراغا في بيئة القمر، حيث يسود الفراغ المحيط. ويساعد ذلك على الحد بدرجة كبيرة من انتقال الحرارة عبر المادة.
وتجعل هذه الخصائص الإيروجيل مادة واعدة لتوفير العزل الحراري داخل المنشآت القمرية، حيث يتعين حماية المساكن والمعدات من التقلبات الحرارية الشديدة.
كيف يصنع العلماء المادة من الغبار والسليلوز؟
لإنتاج المادة، يطحن الباحثون الثرى القمري والألياف السليلوزية المستخرجة من الورق المفروم والماء داخل مطحنة كوكبية، باستخدام كرات خزفية ثقيلة.
وتؤدي عملية الطحن إلى تفكيك السليلوز وتحويله إلى ألياف دقيقة جدا تشبه الخيوط، يقل قطرها عن ميكرون واحد. وتعرف هذه المادة باسم السليلوز النانوي الليفي، وهي تزيد مساحة السطح وتحسن التماسك الميكانيكي للإيروجيل.
بعد ذلك، يجري تجميد الخليط تمهيدا للمرحلة التالية من التصنيع.
التجفيف بالتجميد لتقليل استهلاك الطاقة
يدرس العلماء استخدام تقنية التجفيف بالتجميد، المعروفة أيضا باسم التجفيف بالتسامي، لتقليل استهلاك الطاقة أثناء الإنتاج.
وتعتمد هذه الطريقة على تجميد الخليط ووضعه في بيئة مفرغة من الهواء، بهدف إزالة الماء عن طريق التسامي، وهي عملية يتحول فيها الجليد مباشرة إلى بخار من دون المرور بالحالة السائلة.
وأشار ألكسندر وي إلى أن التجفيف بالتسامي قد يكون أكثر عملية واستدامة للإنتاج على القمر، لأن المعدات اللازمة لهذه العملية أبسط بكثير.
كما يوفر سطح القمر ظروفا طبيعية تساعد على تنفيذها، إذ يتوافر الفراغ وتنخفض درجات الحرارة إلى ما دون الصفر خلال الليل. ويمكن أيضا جمع المياه التي تزال أثناء عملية التسامي وإعادة استخدامها، بما يسمح بإنشاء دورة إنتاج مغلقة تقلل الحاجة إلى جلب المياه من الأرض.
موازنة بين العزل الحراري والمتانة
أعد الباحثون عينات من الإيروجيل بنسب مختلفة من الثرى القمري والسليلوز، بهدف تحديد أفضل توازن بين كفاءة العزل الحراري والمتانة الميكانيكية.
وأظهرت التجارب أن العينات التي تحتوي على أقل نسبة من السليلوز توفر عادة عزلا حراريا أفضل وكثافة أقل. كما أن زيادة نسبة الثرى القمري تعد أمرا مرغوبا فيه بسبب وفرته على سطح القمر.
لكن زيادة محتوى السليلوز تحسن الخصائص الميكانيكية للمادة، ما يجعلها أكثر تماسكا ومتانة.
وبذلك يواجه الباحثون تحديا يتمثل في تحقيق التوازن بين خفة المادة وقدرتها على العزل من جهة، وقوتها ومتانتها من جهة أخرى.
وقد تمثل هذه التقنية خطوة نحو الاستفادة من الموارد المحلية والنفايات في تصنيع مواد ضرورية للمنشآت القمرية، وتقليل الاعتماد على نقل مواد البناء من الأرض. لكن استخدامها الفعلي في بناء القواعد القمرية لا يزال يتطلب مزيدا من التطوير والاختبارات.