Hochleistungsbetone

Materialforschung in Schwerelosigkeit an Beton (MASON)

In den vergangenen Jahrzehnten wurden die Materialeigenschaften von Zementleim und Beton unter den auf der Erde herrschenden Randbedingungen intensiv erforscht. Derzeit werden durch den ständigen Fortschritt der Technik immer häufiger Reisen in den Weltraum und zu anderen Himmelskörpern ermöglicht. Für den Bau von Weltrauminfrastrukturen oder zukünftigen Mond- oder Marsbasen werden Baumaterialien in großen Mengen benötigt. Daher ist es wichtiger denn je, das Verhalten von Baumaterialien auch unter den im Weltraum herrschenden Bedingungen zu untersuchen und zu verstehen. Die Verwendung von Gesteinskörnungen, die typischerweise auf dem Mond anzutreffen sind, sogenanntes Regolith, kann ein erster Schritt zur In-situ-Nutzung von Ressourcen für Bauzwecke auf Himmelskörpern sein. All diese Anwendungen, ob auf der Erde oder im Weltraum, können wesentlich von einem detaillierten Verständnis der mikroskopischen Mechanismen der Betonhärtung und der damit verbundenen Prozesse profitieren.

Das Projekt MASON, das vom Institut für Massivbau (IFM) der Universität Duisburg-Essen und dem Institut für Theoretische Physik (THP) der Universität zu Köln bearbeitet wird, untersucht den Einfluss der Mikrogravitation auf die Erstarrung von Beton. Dazu werden Experimente zur Simulation der Schwerelosigkeit mit einem Klinostaten auf der Erde durchgeführt und mit Experimenten auf der Internationalen Raumstation (ISS) validiert. Zum Vergleich werden auch Bodenexperimente in normaler Schwerkraftumgebung durchgeführt.

Bei Betonproben unter normaler Schwerkraft besteht eine Korrelation zwischen der lokalen Dichte und der Probenhöhe, die auf die Massenverteilung der Ausgangsmaterialien zurückzuführen ist: Die leichteren Bestandteile, insbesondere Luftporen, steigen nach oben und die schwereren Bestandteile setzen sich ab. Um ein solches Verhalten zu verhindern und einen homogenen Festkörper zu erhalten, muss der Beton mit einem Rüttler verdichtet werden, um den Anteil der Luftporen zu minimieren. Vorüberlegungen zufolge sollte der Effekt der Mikrogravitation die Sedimentation von schwerem Material in der Probe aufheben. Die Porenverteilung der im Klinostaten hergestellten und der ISS-Proben sollte daher von derjenigen der Proben abweichen, die unter normaler Schwerkraft ohne Verdichtung hergestellt wurden. Zur Überprüfung dieser Hypothese werden mikroskopische Untersuchungen und Computertomografie-Scans durchgeführt. Die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften von unter Schwerelosigkeit hergestellten und erhärteten Festbetonproben werden durch zerstörende und zerstörungsfreie Prüfungen untersucht.

Mit der Ende 2021 erfolgten Mission SpaceX 24 wurden die ersten Komponenten der MASON Experimente auf die ISS transportiert. Diese werden vom Deutschen ESA-Astronauten Matthias Maurer verwendet, um verschiedene Betonproben herzustellen. Dafür wurde eine spezielle Hardware, der „Concrete Mixer", entwickelt, die die Anforderungen an eine einfache Handhabung und höchste Sicherheit an Bord erfüllt. Der Betonmischer ermöglicht die Herstellung von Betonproben in zylindrischer Form, die hinsichtlich verschiedener Eigenschaften, wie z.B. Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul und Luftporenverteilung, analysiert werden können. Für das MASON-Projekt werden auf der ISS insgesamt 64 Betonproben mit verschiedenen Zementarten, Zuschlägen und Zusatzmitteln hergestellt.​

Wir danken u. a. dem Lehrstuhl Fertigungstechnik (Maschinenbau und Verfahrenstechnik) der Universität Duisburg-Essen für die Unterstützung und konstruktive Zusammenarbeit im Bereich der 3D-Druck-Technik.

Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 50WM2072 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

In Zusammenarbeit mit folgenden Partnern:

 

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