Bu tədqiqat hidrogel əsaslı betonun aşağı temperatur və yaxın vakuum şəraitində lay-lay çap edilə bilib-bilməyəcəyini araşdırır. Tədqiqatçılar jelatin hidrozolunu MGS-1 Mars reqolit simulyantı ilə qarışdırmış və hazırlanmış hissəcik yüklü polimer zolunu təzyiqi və temperaturu idarə edilə bilən xüsusi ekoloji kamera daxilindəki ekstruziya printerində sınaqdan keçirmişlər. Material temperaturu 25-50 °C, mühit temperaturu −20 ilə 20 °C, ətraf mühit təzyiqi isə 101.325 Pa ilə 1.000 Pa arasında dəyişdirilmişdir.

Nəticələr çap zamanı bir-birindən ayrılmalı olan üç əsas dəyişənin mövcudluğunu göstərir. Material temperaturu qarışığın ucluqdan axıb-axmayacağını müəyyən edən reologiyanı idarə etmişdir. Mühit və altlıq temperaturu material yerləşdirildikdən sonrakı soyuma, gelləşmə, donma və ilkin forma saxlama prosesinə təsir etmişdir. Ətraf mühit təzyiqi isə sıxışmış qazın genişlənməsini və suyun maye-buxar sabitliyini dəyişdirərək ekstruziya mexanizmini birbaşa dəyişdirmişdir.

Təxminən 34 °C material temperaturu davamlı ekstruziya ilə layların formasını qoruması arasında ən balanslı şərait kimi müəyyən edilmişdir. Atmosferə yaxın təzyiqlərdə sıx və nizamlı filamentlər yaranmışdır. Orta səviyyəli vakuumda qarışıqdakı sıxışmış və həll olmuş qazlar genişlənərək qabarcıqlar və orta ölçülü məsamələr əmələ gətirmişdir. Ətraf mühit təzyiqi 34 °C-də suyun təxminən 5,3 kPa olan doyma buxar təzyiqindən aşağı düşdükdə isə ani qaynama başlamış; buxar yaranması materialın ucluqdan çıxmasına kömək edərkən filamentləri nizamsız, məsaməli və fasiləli hala gətirmişdir.

−20 °C mühit temperaturu özlüyündə çapı pozmaq əvəzinə, atmosfer təzyiqində yerləşdirilən filamentin daha tez soyuyub formasını saxlamasına kömək etmişdir. Bunun əksinə, aşağı təzyiq və aşağı temperaturun birləşdiyi şəraitdə sürətli soyuma buxarlanma, qabarcıq yaranması və məsamə əmələ gəlməsi ilə birlikdə baş vermişdir. Buna görə də ən sürətlə bərkiyən şərait ən keyfiyyətli çapı yaratmamışdır.

Rentgen tomoqrafiyası və elektron mikroskopiya araşdırmaları təzyiq azaldıqca məsamə miqdarının artdığını və məsamələrin lay sərhədlərində cəmləşdiyini göstərmişdir. Aşağı təzyiq altında yaranan bu qüsurlar sıxlığı, xüsusi sıxılma möhkəmliyini, sərtliyi, əyilmə performansını və enerji udma qabiliyyətini azaltmışdır. Buna baxmayaraq, hidrogel əsaslı kompozit oxşar sıxlıqdakı sement əsaslı yüngül betonla müqayisədə daha çox deformasiya və daha mərhələli qırılma davranışı göstərmişdir.

Tədqiqat Marsda birbaşa konstruksiya istehsal edildiyini və ya materialın real Mars şəraitində uzun müddət davamlı olacağını sübut etmir. Təcrübələr Yer cazibəsində, MGS-1 simulyantı ilə, canlı mikroorqanizm ehtiva etməyən qarışıqla və ən aşağı −20 °C ilə 1 kPa şəraitində aparılmışdır. Mexaniki nümunələr çapdan sonra mühit şəraitində qurudulmuşdur. Tədqiqat həmçinin resenziyadan keçməmiş bir preprintdir.

Tədqiqatın əsas sualı nədir?

Tədqiqatın əsas sualı su və hidrogel baxımından zəngin reqolit qarışığının aşağı temperatur və aşağı hava təzyiqi altında ucluqdan davamlı şəkildə çıxarıla bilib-bilməyəcəyi və yerləşdirilən layların üst-üstə konstruksiya yarada biləcək qədər sabit qalıb-qalmayacağıdır.

Yerdə betonun 3B çapında əsas tarazlıq materialın nasoslama və ekstruziya zamanı kifayət qədər axıcı, ucluqdan çıxdıqdan sonra isə öz çəkisini daşıyacaq qədər sərt olmasıdır. Marsabənzər mühitdə bu tarazlığa üç yeni fiziki proses əlavə olunur:

• Qarışıqda sıxışmış və ya həll olmuş qazların təzyiq azaldıqda genişlənməsi
• Suyun doyma buxar təzyiqindən aşağı mühitdə qeyri-sabitləşərək sürətlə buxarlanması
• Soyuma, gelləşmə, donma, su itkisi və sublimasiyanın eyni vaxtda irəliləyə bilməsi

Tədqiqatçılar bu təsirləri bir-birindən ayırmaq üçün material temperaturunu, mühit temperaturunu, altlıq temperaturunu və ətraf mühit təzyiqini müstəqil şəkildə idarə edə bilən çap sistemi hazırlamışlar.

Tədqiqatdakı material həqiqətən “canlı beton”durmu?

Xeyr. Tədqiqatın giriş hissəsində canlı tikinti materialları, yəni hidrogel daxilində mühəndislik yolu ilə hazırlanmış mikroorqanizmlər saxlaya bilən kompozitlər təsvir olunur. Lakin bu təcrübədə çap davranışını idarə edən əsas hidrogel–reqolit sistemini təcrid etmək məqsədilə mikroorqanizm ehtiva etməyən hidrogel əsaslı beton istifadə edilmişdir.

Tədqiqatdakı terminologiyaya görə:

• Hidrogel əsaslı beton (HBC): Hidrogel bağlayıcı ilə mineral hissəciklərin yaratdığı geniş material platformasıdır.
• Canlı tikinti materialı (LBM): HBC sisteminin canlı və funksional mikroorqanizmlər ehtiva edən bioloji formasıdır.
• Hissəcik yüklü polimer zol (PLPS): Bərkiməzdən əvvəl ucluqdan keçirilən təzə HBC qarışığının axıcı vəziyyətidir.

Beləliklə, bu tədqiqatın nəticələri mikroorqanizmlərin vakuum, soyuq və ya radiasiya altında yaşama qabiliyyətini birbaşa göstərmir. Təcrübə əsasən hidrogel–reqolit matrisinin keçici ekstruziya davranışını araşdırır.

Hidrogel əsaslı beton klassik betonla eyni materialdırmı?

Xeyr. Tədqiqatdakı materialda Portland sementi və ya ənənəvi hidravlik bağlayıcı istifadə edilməmişdir. Mineral hissəcikləri bir-birinə bağlayan faza jelatin əsaslı hidrogeldir. “Beton” sözü burada mineral aqreqat ilə polimer bağlayıcının yaratdığı kompozit struktur mənasında istifadə olunur.

Bu fərq mexaniki davranışı da izah edir. Sement əsaslı beton adətən yüksək sərtlik və kövrək qırılma göstərdiyi halda, hidrogel–hissəcik matrisi daha yumşaq, daha çox deformasiya edə bilən və enerjini mərhələli zədələnmə yolu ilə paylaya bilən kompozit yaratmışdır.

Qarışıqda hansı materiallardan istifadə edilmişdir?

MGS-1 real Mars reqolitindən götürülmüş nümunə deyil. Müəyyən mineral və dənə xüsusiyyətlərini təqlid etmək üçün Yerdə hazırlanmış simulyantdır. Buna görə tədqiqat real Mars reqolitindəki reaktivliyi, elektrostatik toz davranışını və ya fərqli dənə formalarını birbaşa sınaqdan keçirməmişdir.

Təzə qarışıq necə hazırlanmışdır?

Jelatin tozu 80 °C temperaturdakı deionizə edilmiş suya jelatin/su kütlə nisbəti 0,2 olacaq şəkildə əlavə edilmişdir. Qarışıq maqnit qızdırıcı üzərində iki saat qarışdırılaraq homogen jelatin zolu hazırlanmışdır.

Bu zol daha sonra MGS-1 hissəcikləri ilə zol/aqreqat kütlə nisbəti 0,2 olacaq şəkildə birləşdirilmiş və 23 °C-də iki dəqiqə əl ilə qarışdırılmışdır. Hazırlanmış təzə material reologiya təcrübələrində istifadə edilmiş və ya 3B printerin qapalı material kamerasına yerləşdirilmişdir.

Bu istehsal yolu təcrübə miqyasında tətbiq oluna bilən resepti göstərir. Qarışığın böyük miqyasda, davamlı və ya tam robotlaşdırılmış şəkildə hazırlanması sınaqdan keçirilməmişdir.

Ekoloji 3B çap sistemi necə işləmişdir?

Printer təzyiqi və temperaturu proqramlaşdırıla bilən qapalı ekoloji kameranın daxilində quraşdırılmışdır. Kameranın texniki iş qabiliyyəti 1 Pa ilə atmosfer təzyiqi və −60 ilə 100 °C arasındadır. Lakin bu tədqiqatdakı çap təcrübələri 1.000 Pa ilə 101.325 Pa və −20 ilə 20 °C arasında aparılmışdır.

Sistemin əsas komponentləri bunlardır:

• Qızdırıcı gödəkçəsi olan qapalı material kamerası
• Ekstruziya printeri və 3 mm diametrli ucluq
• Kamera təzyiqi azaldılarkən erkən axının qarşısını alan hava keçirməyən klapan
• Birbaşa keçiriciliklə soyutma təmin edən temperaturla idarə olunan soyuq tabla
• Su ilə soyudulan dövriyyə sistemi
• Görüntü kamerası və infraqırmızı kamera
• Təzyiq və temperatur nəzarəti üçün xarici kompüter bağlantıları

Aşağı təzyiqdə təbii konveksiya ilə istilik ötürülməsi zəiflədiyi üçün yalnız kameradakı havanı soyutmaq kifayət deyil. Tədqiqatçılar buna görə filamentlə tabla arasındakı birbaşa təmas vasitəsilə idarə olunan istilik keçiriciliyi təmin edən soyuq tabla istifadə etmişlər.

Çap zamanı hansı dəyişənlər dəyişdirilmişdir?

Əsas çap parametrləri hansılardır?

Reologiya niyə həlledicidir?

Ekstruziya çapında qarışıq eyni vaxtda bir-birinə zidd iki tələbi ödəməlidir. Nasos və ucluq daxilində axa bilməsi üçün aşağı axma müqavimətinə, yerləşdirildikdən sonra yayılmaması və üst layları daşıması üçün isə kifayət qədər elastik struktura ehtiyac vardır.

Jelatin əsaslı sistem soyuduqca polimer zəncirləri qismən üçlü spiral birləşmə sahələri yaradır. Bu fiziki gelləşmə qarışığın elastik modulunu və aşağı sürüşmə sürətindəki müqavimətini artırır. Reqolit hissəcik skeleti də hidrogel matrisinin hərəkətini məhdudlaşdıraraq bu təsiri gücləndirir.

Yüksək temperaturda isə jelatin şəbəkəsi zəifləyir. Qarışıq ucluqdan daha asan çıxır, lakin yerləşdirildikdən sonra genişlənir, yastılanır və çoxlaylı strukturun çökməsinə səbəb ola bilər.

Reologiya təcrübələri necə aparılmışdır?

Qarışığın reoloji xüsusiyyətləri dördqanadlı həndəsəyə malik Anton Paar MCR 302e reometrlə ölçülmüşdür. Nümunə struktur tarixçəsinin təsirini azaltmaq məqsədilə əvvəlcə 10 s⁻¹ sürüşmə sürətində 30 saniyə ilkin sürüşməyə məruz qoyulmuşdur.

Sürüşmə sürəti daha sonra 10-dan 60 s⁻¹ dəyərinə yüksəldilmiş və ardınca 60-dan 0,2 s⁻¹ dəyərinə pilləli şəkildə azaldılmışdır. Aşağı sürüşmə bölgəsindəki gərginlik məlumatları xətti şəkildə sıfır sürüşmə sürətinə ekstrapolyasiya edilmiş və kəsişmə dəyəri görünən axma gərginliyi kimi götürülmüşdür.

Temperatur təcrübələri 50, 45, 34 və 25 °C-də aparılmışdır. Material 25 °C-yə çatdıqdan sonra 0, 20, 45 və 60 dəqiqəlik dincəlmə müddətləri ayrıca qiymətləndirilmişdir. Osillyasiyalı təcrübələrdə deformasiya amplitudası faiz 0,001-dən faiz 100-ə artırılmış və tezlik 1 Hz olaraq saxlanılmışdır.

Şəkil 3 hansı reoloji pəncərəni göstərir?

Şəkil 3-də 25 °C-də saxlanılan qarışığın aşağı sürüşmə müqaviməti zamanla kəskin artır. Qrafikdən təxminən oxunduqda görünən axma gərginliyi 25 °C-də 60 dəqiqə saxlanılan qarışıqda 2,5 kPa səviyyəsinə çatdığı halda, 34 °C şəraitində təxminən 1,3 kPa səviyyəsindədir.

45 və 50 °C şəraitində axma müqaviməti daha aşağı, itki tangensi isə daha yüksəkdir. Bu, materialın elastik strukturdan daha axıcı və enerjini dissipasiya edən davranışa keçdiyini göstərir.

Buna görə təxminən 34 °C tədqiqatdakı resept və çap parametrləri üçün optimal material temperaturu kimi seçilmişdir. Bu temperatur universal HBC dəyəri deyil; jelatin miqdarı, su nisbəti, dənə paylanması, ucluq və sürət dəyişdikdə pəncərə də dəyişə bilər.

Təzyiq ekstruziya mexanizmini necə dəyişdirmişdir?

Təzyiqin təsiri ətraf mühit təzyiqi ilə material temperaturundakı suyun doyma buxar təzyiqi arasındakı əlaqədən asılıdır. Tədqiqatda 34 °C-də su üçün doyma buxar təzyiqi təxminən 5,3 kPa götürülmüşdür.

\[ P_{\mathrm{amb}} \gtrless P_{\mathrm{sat}}(T_m) \]

Burada:

• \(P_{\mathrm{amb}}\): Çap mühitindəki mütləq təzyiqdir.
• \(P_{\mathrm{sat}}(T_m)\): Material temperaturunda suyun doyma buxar təzyiqidir.
• \(T_m\): Ucluğa gələn təzə qarışığın temperaturudur.

Ətraf mühit təzyiqi doyma təzyiqindən yüksək olduqda su maye fazada sabitdir. Ətraf mühit təzyiqi bunun altına düşdükdə su ucluqdan çıxış zamanı termodinamik baxımdan qeyri-sabitləşə və sürətlə buxar yarada bilər.

Üç ekstruziya rejimi hansılardır?

Bu sərhədlər yalnız istifadə olunan qarışıq, təxminən 34 °C material temperaturu, ucluq və ekstruziya sürəti üçün keçərlidir. Su nisbəti, həll olmuş qaz miqdarı və ya material temperaturu dəyişdikdə doyma təzyiqi və rejim sərhədləri də dəyişəcəkdir.

Qabarcıq genişlənməli ekstruziya necə yaranmışdır?

Təzə qarışıq atmosfer təzyiqində hazırlanarkən içinə hava həbs oluna və suda hava həll ola bilər. Təzyiq azaldıqda bu qazların həcmi böyüyür. Hidrogel şəbəkəsi və mineral hissəcik skeleti qabarcıqların tam sərbəst böyüməsinə mane olsa da filament daxilində boşluqlar və səthdə kobudluq yaranır.

Bu rejimdə material hələ də davamlı şəkildə çap edilə bilmişdir. Lakin lay sərhədləri daha nizamsız hala gəlmiş, daxili məsamələr artmış və çoxlaylı strukturun həndəsi dəqiqliyi azalmışdır.

Ani qaynama ilə dəstəklənən ekstruziya nədir?

Ətraf mühit təzyiqi isti qarışıqdakı suyun doyma buxar təzyiqindən aşağı düşdükdə su çox qısa müddətdə buxar yaratmağa başlayır. Bu proses klassik qabarcıq genişlənməsindən fərqlidir; yeni buxar nüvələri yaranır və sürətlə böyüyür.

Buxar yaranması qarışığı ucluqdan çölə doğru itələyərək ekstruziyaya qismən kömək edə bilər. Tədqiqatçılar buna görə ən aşağı təzyiqdəki davranışı yalnız “çap uğursuzluğu” kimi deyil, fərqli material çıxış mexanizmi kimi qiymətləndirmişlər.

Bunun əvəzində filamentin daxili quruluşu ciddi şəkildə pozulmuşdur. Səth kobudlaşmış, filament sərhədləri nizamsızlaşmış, incə və əlaqəli məsamə şəbəkəsi yaranmış və çap yolundakı boşluqların sayı artmışdır.

Mühit temperaturu ani qaynama sərhədini niyə birbaşa müəyyən etməmişdir?

Qarışıq ucluqdan çıxarkən hələ də təxminən 34 °C-dir. Buna görə ilkin maye-buxar sabitliyi soyuq kameranın temperaturundan əvvəl isti qarışığın öz doyma buxar təzyiqi ilə müəyyən edilir.

−20 °C mühit və tabla temperaturu material yerləşdirildikdən sonra təsirli olmuşdur. Soyuq tabla filamentdən istilik çəkərək gelləşməni və mümkün donmanı sürətləndirmiş, beləliklə ilkin forma saxlanmasını yaxşılaşdırmışdır.

Bu fərq tədqiqatın ən mühüm mühəndislik nəticələrindən biridir:

• Material temperaturu: Ucluqdan çıxma qabiliyyətini müəyyən edir.
• Ətraf mühit təzyiqi: Qaz genişlənməsini və ani qaynama mexanizmini müəyyən edir.
• Mühit/tabla temperaturu: Yerləşdirilmiş filamentin nə qədər sürətlə sabit hala gələcəyini müəyyən edir.

İnfraqırmızı görüntülər nə göstərmişdir?

Şəkil 6-da atmosfer təzyiqi və 20 °C-də yerləşdirilən filamentin temperaturu yavaş-yavaş otaq temperaturuna yaxınlaşmışdır. Bu halda forma saxlama əsasən hidrogel şəbəkəsinin öz reoloji bərpasından asılıdır.

Atmosfer təzyiqi və −20 °C-də filament xeyli daha sürətlə soyumuş, buna baxmayaraq çap xətləri nizamlı qalmışdır. Bu nəticə aşağı mühit temperaturunun təkbaşına ekstruziya qüsuru yaratmadığını göstərir.

0,01 atmosfer və −20 °C şəraitində isə filament çox sürətlə soyumuş, lakin eyni vaxtda ani qaynama və intensiv məsamə yaranması baş vermişdir. Soyuma; soyuq tabla, aşağı mühit temperaturu və buxarlanmanın gizli istilik sərfinin birləşməsi ilə sürətlənmişdir.

Beləliklə, sürətli soyuma iki zidd nəticə doğura bilər: forma saxlanmasını yaxşılaşdıra bilər, lakin aşağı təzyiq altında buxarlanma ilə birlikdə baş verdikdə daxili quruluşu poza bilər.

Tək xətt çap keyfiyyəti necə ölçülmüşdür?

80 mm × 80 mm sahə daxilindəki əyri yol boyunca yerləşdirilən filamentin davamlılığı aşağıdakı nisbətlə qiymətləndirilmişdir:

\[ C_L=\frac{L_{\mathrm{biriken}}}{L_{\mathrm{tasarlanan}}} \]

Burada \(L_{\mathrm{biriken}}\) həqiqətən yaranan filament uzunluğu, \(L_{\mathrm{tasarlanan}}\) isə proqramda müəyyən edilmiş ümumi yoldur. \(C_L\) dəyərinin 1-ə yaxınlaşması layihələndirilmiş yolun demək olar ki, tam çap edildiyini göstərir.

Bundan əlavə, yol üzərindəki ayrı fasilələrin cəmi \(N_{\mathrm{gap}}\) kimi sayılmışdır.

Çoxlaylı strukturun sabitliyi necə qiymətləndirilmişdir?

Layihələndirilmiş struktur təxminən 30 mm baza eninə və 25 layla təxminən 62,5 mm hündürlüyə malikdir. Ağır çökmə, həddindən artıq yayılma və ya daşıma qabiliyyətinin itməsi olmadan çap edilə bilən ən yüksək lay sayı \(N_{\mathrm{stack}}\) kimi müəyyən edilmişdir.

Lay həndəsəsi iki nisbətlə qiymətləndirilmişdir:

\[ K_{\mathrm{yayılma}}=\frac{W_{\max}}{h} \]

\[ R_{\mathrm{temas}}=\frac{W_{\max}}{W_{\mathrm{in}}} \]

Burada \(W_{\max}\) filamentin maksimum eni, \(h\) lay hündürlüyü və \(W_{\mathrm{in}}\) iki layın təmas enidir.

Atmosfer təzyiqi və 34 °C material temperaturunda həm 20 °C, həm də −20 °C mühitdə layihələndirilmiş tam hündürlük əldə edilmişdir. Lay eni nəzarət altında qalmış və laylararası təmas nisbəti təxminən birə yaxın olmuşdur.

40 °C material temperaturunda filament asan çıxmış, lakin həddindən artıq yastılanmış və struktur az sayda laydan sonra çökmüşdür. 25 °C-də gelləşmiş qarışıq isə davamlı filament yarada bilmədiyinə görə çoxlaylı çap faktiki olaraq itirilmişdir.

Aşağı təzyiq altında laylar üst-üstə yerləşdirilə bilmiş, lakin səth və lay həndəsəsi getdikcə nizamsızlaşmışdır. 0,01 atmosfer şəraitində şaquli yığılmanın bir hissəsi qorunsa da strukturun hamarlığı və daxili bütövlüyü ciddi şəkildə pozulmuşdur.

Məsamələr necə araşdırılmışdır?

Çap olunmuş strukturların daxili boşluqları 20 µm voksel ölçülü rentgen kompüter tomoqrafiyası ilə araşdırılmışdır. Rekonstruksiya görüntüləri bərk və məsamə fazalarına ayrılmış və struktur hündürlüyü boyunca yerli məsaməlilik profilləri çıxarılmışdır.

20 µm-dən kiçik və ya cihazın effektiv ayırdetmə qabiliyyətindən aşağı qalan boşluqlar etibarlı şəkildə müəyyən edilə bilmədiyi üçün CT nəticəsi ümumi məsaməlilik deyil, onlarla mikrometr və daha böyük həll edilə bilən məsamələrin payıdır.

Daha kiçik miqyaslı strukturlar SEM ilə araşdırılmışdır. Nümunələr 15 nm qızılla örtülmüş və 20 kV sürətləndirici gərginlikdə görüntülənmişdir.

Təzyiq məsamə arxitekturasını necə dəyişdirmişdir?

Atmosfer təzyiqində çap edilmiş nümunələrdə həll edilə bilən məsamə miqdarı aşağı olmuş və struktur hündürlüyü boyunca nisbətən sabit qalmışdır. Atmosfer təzyiqində mühit temperaturunun −20 °C-yə endirilməsi məsamə miqdarını nəzərəçarpacaq dərəcədə artırmamışdır.

Təzyiq azaldıqda isə məsaməlilik artmışdır:

• Orta səviyyədə azaldılmış təzyiqdə sıxışmış qazların genişlənməsinə bağlı orta miqyaslı məsamələr yaranmışdır.
• 0,05 atmosfer ətrafında məsamə miqdarı nəzərəçarpacaq dərəcədə artmışdır.
• 0,01 atmosferdə struktur hündürlüyünün demək olar ki, hamısında ən yüksək məsaməlilik müşahidə edilmişdir.
• Lay sərhədləri ətrafında dövri məsaməlilik pikləri yaranmışdır.

Lay sərhədləri qonşu filamentlərin tam birləşə bilmədiyi və yerli sıxılmanın daha zəif olduğu bölgələrdir. Təzyiqlə böyüyən qabarcıqlar və ya buxar cibləri bu bölgələrdə toplanaraq laylararası qüsurları gücləndirmişdir.

CT və SEM hansı iki məsamə növünü göstərmişdir?

Bu müşahidə aşağı təzyiqin yalnız ümumi məsamə miqdarını deyil, boşluqların miqyasını, əlaqəliliyini və lay sərhədləri ilə münasibətini də dəyişdirdiyini göstərir.

Mexaniki nümunələr necə hazırlanmışdır?

Çap edilmiş bloklar təcrübə şərtlərinə uyğun istehsal edildikdən sonra əvvəlki tədqiqatda müəyyən edilmiş mühitdə qurutma prosesinə məruz qoyulmuşdur. Qəlibə tökülmüş, lakin 3B çap edilməmiş nümunələr eyni qurutma prosesindən keçirilərək istinad qrupu kimi istifadə edilmişdir.

Bu üsul materialın özünəməxsus davranışı ilə 3B çapın yaratdığı lay sərhədlərinin, istiqamətdən asılılığın və məsamələrin təsirini müqayisə etməyi məqsəd qoymuşdur.

Xüsusi mexaniki xüsusiyyətlər necə qiymətləndirilmişdir?

Təzyiq azaldıqca sıxlıq da azaldığı üçün möhkəmlik və sərtlik yalnız mütləq dəyərlərlə deyil, sıxlığa bölünmüş xüsusi dəyərlərlə müqayisə edilmişdir:

\[ X_{\mathrm{özgül}}=\frac{X}{\rho} \]

Burada \(X\) möhkəmlik, modul və ya enerji udma dəyəri; \(\rho\) isə nümunənin sıxlığıdır.

Bu normallaşdırmaya baxmayaraq, təzyiq azaldıqca xüsusi sıxılma möhkəmliyi, xüsusi sıxılma modulu, xüsusi əyilmə möhkəmliyi, xüsusi əyilmə modulu və xüsusi enerji udma qabiliyyəti azalmışdır. Bu nəticə mexaniki itkinin yalnız materialın yüngülləşməsindən qaynaqlanmadığını; nizamsız, əlaqəli və lay sərhədlərində toplanmış qüsurların da yükdaşıyan şəbəkəni zəiflətdiyini göstərir.

Laylar mexaniki istiqamətdən asılılıq yaratmışdırmı?

Bəli. Sıxılma yükü laylara paralel və perpendikulyar tətbiq edildikdə fərqli xüsusi möhkəmlik və modul dəyərləri əldə edilmişdir. Bu hal çap edilmiş filamentlərin və laylararası təmas bölgələrinin yük ötürülməsində fərqli rollar oynadığını göstərir.

Təzyiq azaldıqca lay sərhədlərində məsamə və nizamsızlıq toplanması artdığından istiqamətdən asılılıq da güclənmişdir. Lay sərhədləri, xüsusilə əyilmə zamanı dartılma çatlağının başlaması üçün üstünlük verilən qüsur bölgələrinə çevrilmişdir.

Hidrogel beton niyə daha çox deformasiya göstərmişdir?

Tədqiqatdakı müqayisədə oxşar sıxlıqdakı yüngül beton daha dik gərginlik–deformasiya əyrisi və pikdən sonra daha qəfil qırılma göstərmişdir. HBC isə daha aşağı sərtlik, daha yüksək deformasiya qabiliyyəti və daha mərhələli zədələnmə nümayiş etdirmişdir.

Tədqiqatçılar bu davranışı aşağıdakı mexanizmlərlə izah edirlər:

• Yumşaq hidrogel matrisinin böyük deformasiya edə bilməsi
• Məsamələrin yük altında mərhələli şəkildə sıxılması
• Mineral hissəciklərin sürtünərək yenidən düzülməsi
• Polimer matrisinin çatların yaranmasını və irəliləməsini gecikdirməsi
• Zədələnmənin tək bir kövrək qırılma əvəzinə müxtəlif bölgələrdə mərhələli inkişaf etməsi

Buna görə materialın əsas üstünlüyü yalnız pik sıxılma möhkəmliyi deyil. Aşağı sıxlıq, nisbətən yüksək əyilmə/sıxılma möhkəmliyi nisbəti və enerji udma qabiliyyəti birlikdə qiymətləndirilməlidir.

Mexaniki nəticələrin tam dəyərləri niyə verilmir?

Yüklənmiş preprint versiyasında Şəkil 10-un əsas qrafikləri səhifənin sol yuxarı hissəsində oxuna bilməyəcək qədər kiçik yerləşdirilmiş və bəzi ox başlıqları səhifənin aşağı hissəsində tək qalmışdır. Mətn təzyiq azaldıqca bütün xüsusi mexaniki göstəricilərin aşağı düşdüyünü açıq şəkildə bildirir, lakin tam rəqəmsal dəyərləri ayrıca cədvəl şəklində vermir.

Buna görə bu yazıda qrafik nöqtələri böyüdülərək təxmin edilməmişdir. Nəticələr yalnız tədqiqatın açıq şəkildə dəstəklədiyi istiqamətli müqayisələrlə təqdim edilmişdir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr hansılardır?

• Jelatin–reqolit simulyantı qarışığının ekstruziyası üçün temperaturdan asılı dar reoloji pəncərə mövcuddur.
• Təxminən 34 °C istifadə olunan resept və çap parametrləri üçün axıcılıqla forma saxlama arasında ən balanslı şəraitdir.
• −20 °C mühit temperaturu təzyiq kifayət qədər yüksək olduqda filament davamlılığını pozmadan forma saxlanmasını sürətləndirə bilər.
• Ətraf mühit təzyiqi sabit sıx ekstruziyadan qabarcıq genişlənməli və ani qaynama ilə dəstəklənən ekstruziyaya keçidi müəyyən edir.
• 34 °C-də təxminən 5,3 kPa-dan aşağı təzyiqlər suyun sürətli buxar yaratması üçün əlverişli olur.
• 0,01 atmosferdə material hələ də yerləşdirilə bilmiş, lakin çap yolu daha fasiləli və daxili struktur daha məsaməli olmuşdur.
• Aşağı təzyiqdəki məsamələr lay sərhədlərində cəmləşmiş və çap istiqamətindən asılı mexaniki davranışı artırmışdır.
• Təzyiq azaldıqca sıxlıq, xüsusi möhkəmlik, sərtlik, əyilmə performansı və enerji udma qabiliyyəti azalmışdır.
• HBC oxşar sıxlıqdakı yüngül sement betonu ilə müqayisədə daha mərhələli və deformasiyaya tolerant qırılma davranışı göstərmişdir.
• Ekstruziya təzyiqinin saxlanması və yerləşdirilmiş filamentin yerli şəkildə soyudulması prosesin inkişafı üçün məntiqli istiqamət kimi təklif edilmişdir.

Tədqiqat nəyi sübut etmir?

• Real Mars reqolitinin eyni şəkildə çap edilə biləcəyini sübut etmir.
• Materialın real Mars atmosferinin karbon qazı üstünlük təşkil edən kimyəvi tərkibində eyni davranacağını göstərmir.
• Canlı və ya genetik olaraq hazırlanmış mikroorqanizmlərin çap zamanı yaşaya bildiyini sübut etmir.
• Bağlayıcının Mars resurslarından istehsal edildiyini göstərmir; təcrübədə kommersiya donuz dərisi jelatini istifadə edilmişdir.
• 1 kPa-dan daha aşağı təzyiq və ya −20 °C-dən daha aşağı çap temperaturlarının təsirini sınaqdan keçirmir.
• Azaldılmış Mars cazibəsini təqlid etmir.
• Radiasiyanı, uzunmüddətli vakuum yaşlanmasını, aşınmanı və termal dövr davamlılığını qiymətləndirmir.
• Çap edilmiş strukturun suyu nə dərəcədə saxladığını və ya geri qazana bildiyini göstərmir.
• Tam miqyaslı yaşayış sahəsi və ya yükdaşıyan konstruksiya çap etməmişdir.
• Çoxlaylı nümunələrin uzunmüddətli sürünmə, yorulma və ya zərbə davranışını araşdırmır.
• Mexaniki nümunələrin yalnız Marsabənzər mühitdə bərkimiş son strukturu təmsil etdiyini göstərmir; nümunələr daha sonra mühitdə qurudulmuşdur.
• Yüngül beton müqayisəsi eyni laboratoriyada eyni vaxtda hazırlanmış nəzarət qrupuna deyil, oxşar sıxlıqdakı dərc olunmuş beton məlumatlarına əsaslanır.

Türkiyə baxımından niyə əhəmiyyətlidir?

Tədqiqatın ən mühüm töhfəsi yalnız Mars üçün yeni material təklif etməsi deyil. Təzyiqin, material temperaturunun və ekoloji soyutmanın 3B ekstruziyada bir-birindən müstəqil idarə edilməli olduğunu təcrübi şəkildə göstərməsidir.

Bu yanaşma Türkiyədə aşağıdakı tədqiqat sahələrinə uyğunlaşdırıla bilər:

• Kosmos və planet səthi strukturları üçün robotlaşdırılmış istehsal
• Reqolit və mineral simulyantların 3B çapı
• Aşağı temperaturda beton və polimer kompozit ekstruziyası
• Vakuum altında su ehtiva edən materialların faza dəyişməsi
• Fəlakət və ya insan girişinin məhdud olduğu mühitlərdə avtomatlaşdırılmış tikinti
• Aşağı sıxlıqlı və enerji uducu tikinti materialları

Türkiyədə aparılacaq davam tədqiqatlarında yerli hazırlanmış mineral simulyantlar, müxtəlif biopolimerlər və daha təhlükəsiz və ya dayanıqlı bağlayıcılar müqayisə edilə bilər. Təzyiqlə idarə olunan ucluqla yalnız yerləşdirilmiş layı soyudan regional sistemlərin istifadəsi aşağı təzyiqdə ani qaynamani azaldarkən lay sabitliyini qoruya bilər.

Real tətbiqə yaxınlaşmaq üçün aşağı cazibə təcrübəsi, uzunmüddətli termal dövr, radiasiya, suyun geri qazanılması, avtomatik qarışdırma, böyük miqyaslı çap və struktur etibarlılığı analizləri tələb olunur.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

Tədqiqat dizaynı

Tədqiqat material hazırlama, idarə olunan reologiya, ekoloji kamera daxilində çap, optik və termal görüntüləmə, həndəsi ölçmə, rentgen tomoqrafiyası, elektron mikroskopiya və mexaniki sınaqları birləşdirən təcrübi tikinti materialı araşdırmasıdır.

Təzyiq–temperatur təcrübə matrisi

Əsas təcrübi tapıntılar

Şəkillərin elmi mesajı

• Şəkil 1: Hidrozol istehsalı, reqolitlə qarışdırma, robotlaşdırılmış ekstruziya, mühitə məruz qoyaraq bərkitmə və materialın təkrar emalından ibarət konseptual Mars tikinti zəncirini göstərir.
• Şəkil 2: Qızdırılan material kamerası, hava keçirməyən klapan, soyuq tabla, ekoloji kamera, optik kamera və infraqırmızı kameradan ibarət xüsusi çap platformasını göstərir.
• Şəkil 3: Temperatur azaldıqca və gözləmə müddəti uzandıqca axma müqaviməti ilə elastik modulun yüksəldiyini; təxminən 34 °C-də çap pəncərəsi yarandığını göstərir.
• Şəkil 4: Yüksək temperaturda yayılma və çökmə, aşağı temperaturda fasiləli ekstruziya və orta temperaturda sabit çap nümunələrini müqayisə edir.
• Şəkil 5: Sabit, qabarcıq genişlənməli və ani qaynama ilə dəstəklənən üç təzyiq rejimini; 34 °C-də təxminən 5,3 kPa maye-buxar sərhədini göstərir.
• Şəkil 6: Atmosferik, soyuq və aşağı təzyiqli mühitlərdə filamentlərin ilk 100 saniyədəki termal görüntülərini və temperatur dəyişməsini göstərir.
• Şəkil 7: Tək xətt davamlılığının optimal şəraitdə təxminən 1 olduğunu; gelləşmiş və 0,01 atmosferdə çap edilmiş qarışıqlarda boşluqların artdığını göstərir.
• Şəkil 8: Lay sayı, en, təmas nisbəti və yayılma əmsalının temperatur və təzyiqdən asılı dəyişməsini göstərir.
• Şəkil 9: Təzyiq azaldıqca məsaməliliyin artdığını; qabarcıq mənşəli orta məsamələrdən ani qaynama mənşəli incə məsamə şəbəkəsinə keçildiyini göstərir.
• Şəkil 10: Təzyiq, əyilmə, sıxlıq və xüsusi mexaniki göstəriciləri müqayisə etmək üçün hazırlanmışdır; lakin yüklənmiş versiyada əsas qrafik son dərəcə kiçik və rəqəmsal olaraq oxunmaz vəziyyətdədir.

Tədqiqatın güclü tərəfləri

• Material temperaturu, mühit temperaturu və ətraf mühit təzyiqi bir-birindən müstəqil şəkildə idarə edilmişdir.
• Çap davranışı yalnız müşahidə ilə deyil, reologiya və termal görüntüləmə ilə mexanistik şəkildə izah edilmişdir.
• Tək xətt və çoxlaylı çap ayrı göstəricilərlə qiymətləndirilmişdir.
• Təzyiq azalması yalnız uğur/uğursuzluq kimi deyil, fərqli ekstruziya rejimləri şəklində təsnif edilmişdir.
• Daxili məsamələr həm üçölçülü CT, həm də daha kiçik miqyasda SEM ilə araşdırılmışdır.
• Lay sərhədlərində dövri məsaməlilik göstərilmişdir.
• Sıxılma və əyilmə sınaqlarında hər qrup üçün ən azı on nümunə istifadə edilmişdir.
• Çap edilmiş nümunələr qəlibə tökülmüş istinadlarla müqayisə edilmişdir.
• Mexaniki xüsusiyyətlər sıxlığa görə normallaşdırılaraq yalnız yüngülləşmə təsirindən ayrılmağa çalışılmışdır.

Tədqiqatın məhdudiyyətləri

• Tədqiqat resenziyadan keçməmiş preprintdir.
• Təcrübə materialında canlı mikroorqanizm yoxdur.
• Real Mars reqoliti əvəzinə yalnız MGS-1 simulyantı istifadə edilmişdir.
• Bağlayıcı Marsda istehsal olunmuş biomaterial deyil, kommersiya donuz dərisi jelatinidir.
• Ən aşağı təcrübə temperaturu −20 °C, ən aşağı çap təzyiqi 1 kPa-dır.
• Atmosfer qazının kimyəvi tərkibi Mars atmosferi kimi yenidən yaradılmamışdır.
• Bütün təcrübələr Yer cazibəsində aparılmışdır.
• Çap edilmiş mexaniki nümunələr sonradan mühit şəraitində qurudulmuşdur.
• Qurutma protokolunun təfərrüatları bu tədqiqatda tam verilməmiş, əvvəlki araşdırmaya istinad edilmişdir.
• Radiasiya, uzunmüddətli vakuum, termal dövr və aşınma qiymətləndirilməmişdir.
• Tam miqyaslı divar və ya yaşayış sahəsi istehsal edilməmişdir.
• Yüngül beton müqayisəsi paralel nəzarət təcrübəsinə deyil, dərc olunmuş ədəbiyyat məlumatlarına əsaslanır.
• Şəkil 10-un qrafik yerləşimi qüsurlu olduğuna görə tam mexaniki dəyərlər yoxlanıla bilmir.
• Xam təcrübə məlumatları və ayrıca açıq məlumat deposu bağlantısı verilməmişdir.

Gələcəkdə tələb olunan təsdiqləmələr

• Təzyiqlə idarə olunan və ya qismən təzyiqləndirilmiş ucluğun hazırlanması
• Ekstruziyadan sonra yalnız filamentin yerli şəkildə soyudulması
• Qarışıqdakı həll olmuş və sıxışmış qazların çapdan əvvəl azaldılması
• Daha aşağı su nisbəti və fərqli biopolimerlərin müqayisəsi
• Realistik karbon qazı üstünlük təşkil edən atmosfer tərkibi altında təcrübə
• Azaldılmış cazibə və ya parabolik uçuş təcrübələri
• Radiasiya və uzunmüddətli vakuum yaşlandırması
• Donma-ərimə və təzyiq dövrləri
• Sublimasiya olunan suyun toplanması və yenidən istifadəsi
• Canlı mikroorqanizm ehtiva edən LBM qarışıqlarının çap və canlılıq təcrübələri
• Böyük miqyaslı robotlaşdırılmış çap və struktur yük sınaqları
• Oxuna bilən mexaniki məlumat cədvəlləri və xam məlumatların açıq paylaşılması

Mənbə və Metod Qeydi

Tədqiqatın tam orijinal adı: 3D printing of hydrogel-based concrete under combined subzero-temperature and near-vacuum conditions for Martian construction

Müəlliflər: Ning Liu, Shing Chi Lam, Hau King Zhang, Chaoyu Dou, Shaofeng Qin, Yihong Tang, Yiwei Weng və Jishen Qiu.

Müəllif sıralaması: Ning Liu birinci, Shing Chi Lam ikinci, Hau King Zhang üçüncü, Chaoyu Dou dördüncü, Shaofeng Qin beşinci, Yihong Tang altıncı, Yiwei Weng yeddinci və Jishen Qiu səkkizinci müəllifdir.

Bərabər töhfə məlumatı: Bərabər birinci müəlliflik və ya bərabər töhfə bəyanı yoxdur.

Məsul müəllif: Jishen Qiu.

Qurumlar:

• Department of Civil and Environmental Engineering, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, Çin.
• Department of Building and Real Estate, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, Çin.

DOI: 10.2139/ssrn.7196756

SSRN qeydiyyat nömrəsi: 7196756

Yüklənmə tarixi: 28 İyul 2026.

Səhifə sayı: 29.

Jurnal: Resenziyalı jurnalda dərc edildiyi bu versiya əsasında təsdiqlənməmişdir.

Nəşr platforması: SSRN.

Nəşriyyat: Bu versiya üçün nəşriyyat yoxdur. SSRN Elsevier ailəsinə daxil olan preprint platformasıdır və özünü nəşriyyat kimi təqdim etmir.

Mənbə növü: Reologiya, ekoloji 3B çap, termal görüntüləmə, rentgen tomoqrafiyası, SEM və mexaniki sınaqları ehtiva edən, resenziyadan keçməmiş mühəndislik preprinti.

Rəsmi keçid:https://ssrn.com/abstract=7196756

Maliyyələşdirmə: Hong Kong Research Grants Council Collaborative Research Fund, C6002-24Y.

Müəllif töhfələri: Ning Liu; tədqiqat, metod, məlumatların idarə edilməsi, proqram təminatı, formal analiz, yoxlama, vizuallaşdırma və ilkin layihəyə cavabdehdir. Shing Chi Lam, Hau King Zhang, Chaoyu Dou, Shaofeng Qin və Yihong Tang tədqiqat və yoxlamaya töhfə vermişlər. Yiwei Weng tədqiqat, resurs və məsləhət təmin etmişdir. Jishen Qiu konseptuallaşdırma, metod, resurs, məsləhət, maliyyələşdirmə, nəzərdən keçirmə və layihə idarəçiliyinə cavabdehdir.

Maraqlar toqquşması: Yüklənmiş tədqiqatda ayrıca və açıq maraqlar toqquşması bəyanı yoxdur.

Məlumatlara çıxış: Xam reologiya, çap, CT və mexaniki məlumatlar üçün açıq məlumat deposu bağlantısı verilməmişdir.

Redaksiya vizual qeydi: Şəkil 10-un əsas qrafik hissəsi yüklənmiş versiyada oxunmayacaq qədər kiçik miqyaslanmış və ox başlıqları qrafikdən ayrılmışdır. Buna görə mexaniki qrafiklərdəki nöqtəvi dəyərlər bu yazıya köçürülməmişdir.

Bu məqalə yüklənmiş tədqiqatın mətni, təcrübə parametrləri, təzyiq–temperatur xəritəsi, reologiya qrafikləri, infraqırmızı görüntüləri, çap nümunələri, rentgen tomoqrafiyası, SEM araşdırmaları, mexaniki sınaq izahları və tədqiqatçıların mexanizm şərhləri əsasında hazırlanmışdır. Tədqiqatda olmayan yeni təcrübə nəticəsi, Mars missiyasının uğuru, tam miqyaslı struktur performansı və ya uzunmüddətli təhlükəsizlik iddiası əlavə edilməmişdir.

Tədqiqat resenziyadan keçməmişdir. Nəticələr müəyyən jelatin/MGS-1 reseptinə, 3 mm ucluğa, 30 mm/s çap sürətinə, Yer cazibəsinə və laboratoriya miqyaslı nümunələrə aiddir. Real Mars tətbiqi üçün atmosfer tərkibi, aşağı cazibə, radiasiya, uzunmüddətli vakuum, termal dövr, suyun geri qazanılması, bioloji sabitlik və tam miqyaslı struktur təsdiqi ayrıca tələb olunur.