Ин таҳқиқот меомӯзад, ки оё бетони асосёфта ба гидрогелро дар шароити ҳарорати паст ва наздик ба вакуум қабат ба қабат чоп кардан мумкин аст. Муҳаққиқон гидрозоли желатинро бо симулянти реголити Марс MGS-1 омехта карда, золи полимерии пуршуда бо зарраҳоро дар принтери экструзионӣ дар дохили камераи махсуси муҳитӣ, ки фишор ва ҳарораташ назоратшаванда аст, санҷидаанд. Ҳарорати мавод дар 25-50 °C, ҳарорати муҳит аз −20 то 20 °C ва фишори муҳит аз 101.325 Pa то 1.000 Pa тағйир дода шудааст.

Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки ҳангоми чоп се тағйирёбандаи асосиро бояд аз ҳам ҷудо кард. Ҳарорати мавод реологияеро идора кардааст, ки оё омехта аз сопло ҷорӣ мешавад ё не. Ҳарорати муҳит ва зерпоя ба сардшавӣ, желатиншавӣ, яхкунӣ ва нигоҳ доштани шакли аввалия пас аз гузоштани мавод таъсир расонидааст. Фишори муҳит бошад, бо тағйир додани васеъшавии гази маҳбус ва устувории моеъ-буғи об худи механизми экструзияро мустақиман дигар кардааст.

Ҳарорати тақрибан 34 °C-и мавод ҳамчун шароити мутавозинтарини байни экструзияи пайваста ва нигоҳ доштани шакли қабатҳо муайян шудааст. Дар фишорҳои наздик ба атмосфера филаментҳои зич ва мунтазам ба вуҷуд омадаанд. Дар вакууми миёна газҳои маҳбус ва ҳалшуда дар омехта васеъ шуда, ҳубобҳо ва сӯрохиҳои андозаи миёнаро ба вуҷуд овардаанд. Вақте фишори муҳит аз фишори буғи тофтаи об дар 34 °C, ки тақрибан 5,3 kPa аст, пасттар шудааст, ҷӯшиши фаврӣ оғоз гардидааст; тавлиди буғ ба баромадани мавод аз сопло мусоидат кардааст, аммо филаментҳоро номунтазам, сӯрохдор вакандашуда гардондааст.

Ҳарорати муҳити −20 °C ба ҷойи он ки худ аз худ чопро вайрон кунад, дар фишори атмосфера ба филаменти гузошташуда кумак кардааст, ки тезтар сард шуда, шакли худро нигоҳ дорад. Баръакс, дар шароите, ки фишори паст ва ҳарорати паст ҳамзамон буданд, сардшавии тез бо бухоршавӣ, ташаккули ҳубоб ва тавлиди сӯрохҳо якҷоя рух додааст. Аз ин рӯ, шароите, ки тезтар сахт мешавад, беҳтарин сифати чопро надодааст.

Томографияи рентгенӣ ва таҳқиқоти микроскопияи электронӣ нишон додаанд, ки бо паст шудани фишор миқдори сӯрохиҳо зиёд шуда, онҳо дар сарҳадҳои қабатҳо ҷамъ мешаванд. Ин нуқсонҳое, ки зери фишори паст ба вуҷуд омадаанд, зичӣ, мустаҳкамии хоси фишорӣ, сахтӣ, кори хамиш ва қобилияти фурӯ бурдани энергияро кам кардаанд. Бо вуҷуди ин, композити асосёфта ба гидрогел нисбат ба бетони сабуки сементӣ бо зичии монанд деформатсияи бештар ва рафтори шикасти тадриҷитар нишон додааст.

Таҳқиқот исбот намекунад, ки дар Марс мустақиман иншоот сохта шудааст ё мавод дар шароити воқеии Марс муддати дароз тоб меорад. Озмоишҳо дар ҷозибаи Замин, бо симулянти MGS-1, бо омехтаи бидуни микроорганизмҳои зинда ва дар ҳадди ақал −20 °C ва 1 kPa анҷом дода шудаанд. Намунаҳои механикӣ пас аз чоп дар шароити муҳит хушк карда шудаанд. Таҳқиқот инчунин preprint аст, ки аз тақризи ҳамсолон нагузаштааст.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Саволи асосии таҳқиқот ин аст, ки оё омехтаи реголити бой аз об ва гидрогелро дар ҳарорати паст ва фишори пасти ҳаво аз сопло пайваста баровардан мумкин аст ва оё қабатҳои гузошташуда ба қадри кофӣ устувор мемонанд, то сохтори қабат-қабатро ташкил диҳанд.

Дар чопи 3B-и бетони рӯи Замин тавозуни асосӣ аз он иборат аст, ки мавод ҳангоми насоскунӣ ва экструзия ба қадри кофӣ ҷорӣ бошад, аммо пас аз баромадан аз сопло барои бардоштани вазни худ сахтии кофӣ дошта бошад. Дар муҳити ба Марс монанд ба ин тавозун се раванди нави физикӣ илова мешаванд:

• Васеъ шудани газҳои маҳбус ё ҳалшуда дар омехта ҳангоми паст шудани фишор
• Ноустувор шудани об дар муҳите, ки фишораш аз фишори буғи тофта паст аст, ва бухоршавии тези он
• Имкони ҳамзамон пеш рафтани сардшавӣ, желатиншавӣ, яхкунӣ, талафи об ва сублиматсия

Барои ҷудо кардани ин таъсирҳо муҳаққиқон системаи чоперо таҳия кардаанд, ки ҳарорати мавод, ҳарорати муҳит, ҳарорати зерпоя ва фишори муҳитро мустақилона идора карда метавонад.

Оё маводи таҳқиқот воқеан “бетони зинда” аст?

Не. Дар муқаддимаи таҳқиқот маводи сохтмонии зинда, яъне композитҳое, ки метавонанд микроорганизмҳои муҳандисишударо дар дохили гидрогел нигоҳ доранд, шарҳ дода шудаанд. Аммо дар ин таҷриба барои ҷудо омӯхтани системаи асосии гидрогел–реголит, ки рафтори чопро идора мекунад, бетони асосёфта ба гидрогели бидуни микроорганизм истифода шудааст.

Мувофиқи истилоҳоти таҳқиқот:

• Бетони асосёфта ба гидрогел (HBC): Платформаи васеи маводест, ки аз пайвандкунандаи гидрогелӣ ва зарраҳои минералӣ иборат аст.
• Маводи сохтмонии зинда (LBM): Шакли биологии системаи HBC мебошад, ки микроорганизмҳои зинда ва функсионалӣ дорад.
• Золи полимерии пуршуда бо зарраҳо (PLPS): Ҳолати ҷории омехтаи тару тозаи HBC мебошад, ки пеш аз сахтшавӣ аз сопло гузаронда мешавад.

Аз ин рӯ, натиҷаҳои ин таҳқиқот қобилияти зинда мондани микроорганизмҳоро зери вакуум, сармо ё радиатсия мустақиман нишон намедиҳанд. Озмоиш асосан рафтори муваққатии экструзияи матритсаи гидрогел–реголитро меомӯзад.

Оё бетони асосёфта ба гидрогел ҳамон маводи бетони классикӣ аст?

Не. Дар маводи таҳқиқот Portland cement ё пайвандкунандаи анъанавии гидравликӣ истифода нашудааст. Фазае, ки зарраҳои минералиро ба ҳам мепайвандад, гидрогели асосёфта ба желатин мебошад. Калимаи “бетон” дар ин ҷо ба маънои сохтори композитӣ аз агрегати минералӣ ва пайвандкунандаи полимерӣ истифода шудааст.

Ин фарқ инчунин рафтори механикиро шарҳ медиҳад. Дар ҳоле ки бетони сементӣ одатан сахтии баланд ва шикасти мӯрт нишон медиҳад, матритсаи гидрогел–зарра композити нармтар, бештар деформатсияшаванда ва қобили паҳн кардани энергия тавассути осеби тадриҷиро ба вуҷуд овардааст.

Дар омехта кадом мавод истифода шудааст?

MGS-1 намунае нест, ки аз реголити воқеии Марс гирифта шуда бошад. Он симулянте мебошад, ки дар Замин барои тақлид кардани хусусиятҳои муайяни минералӣ ва донагӣ омода шудааст. Аз ин рӯ, таҳқиқот реактивият, рафтори электростатикии чанг ё шаклҳои гуногуни дона дар реголити воқеии Марсро мустақиман насанҷидааст.

Омехтаи тару тоза чӣ гуна омода шудааст?

Хокаи желатин ба оби де-ионизатсияшудаи 80 °C бо таносуби массаи желатин/об 0,2 илова шудааст. Омехта дар гармкунаки магнитӣ ду соат омехта шуда, золи якхелаи желатин омода гардидааст.

Сипас ин зол бо зарраҳои MGS-1 бо таносуби массаи зол/агрегат 0,2 якҷоя шуда, дар 23 °C ду дақиқа дастӣ омехта шудааст. Маводи тару тозаи омодашуда дар озмоишҳои реологӣ истифода ё ба зарфи пӯшидаи маводи принтери 3B ҷойгир карда шудааст.

Ин роҳи истеҳсол дорухатеро нишон медиҳад, ки дар миқёси озмоишӣ татбиқшаванда аст. Омодасозии омехта дар миқёси калон, пайваста ё пурра роботӣ санҷида нашудааст.

Системаи чопи 3B-и муҳитӣ чӣ гуна кор кардааст?

Принтер дар дохили камераи пӯшидаи муҳитӣ ҷойгир шудааст, ки фишор ва ҳарораташ барномарезишаванда мебошанд. Иқтидори техникии кори камера аз 1 Pa то фишори атмосфера ва аз −60 то 100 °C мебошад. Аммо озмоишҳои чоп дар ин таҳқиқот байни 1.000 Pa ва 101.325 Pa ва аз −20 то 20 °C анҷом дода шудаанд.

Ҷузъҳои асосии система чунинанд:

• Зарфи пӯшидаи мавод бо ҷилди гармкунӣ
• Принтери экструзионӣ ва соплои диаметраш 3 mm
• Клапани герметикӣ барои пешгирӣ аз ҷараёни бармаҳал ҳангоми паст кардани фишори камера
• Мизи сарди дорои назорати ҳарорат барои сардкунии мустақим тавассути ноқилӣ
• Системаи гардиши обии хунукшаванда
• Камераи тасвир ва камераи инфрасурх
• Пайвастҳои компютерии беруна барои назорати фишор ва ҳарорат

Азбаски дар фишори паст интиқоли гармӣ бо конвексияи табиӣ заиф мешавад, танҳо сард кардани ҳавои камера кофӣ нест. Аз ин рӯ, муҳаққиқон мизи сардро истифода кардаанд, ки тавассути тамоси мустақими филамент бо миз сардкунии назоратшавандаи ноқилиро таъмин мекунад.

Ҳангоми чоп кадом тағйирёбандаҳо тағйир дода шуданд?

Параметрҳои асосии чоп кадомҳоянд?

Чаро реология муайянкунанда аст?

Дар чопи экструзионӣ омехта бояд ҳамзамон ду талаботи зиддиро иҷро кунад. Барои ҷорӣ шудан дар насос ва сопло муқовимати ҷараёни паст, аммо пас аз гузоштан барои паҳн нашудан ва бардоштани қабатҳои боло сохтори эластикии кофӣ лозим аст.

Ҳангоми сард шудани системаи асосёфта ба желатин занҷирҳои полимерӣ қисман минтақаҳои пайванди сегонаи спиралиро ташкил медиҳанд. Ин желатиншавии физикӣ модули эластикӣ ва муқовимати омехтаро дар суръати пасти буриш зиёд мекунад. Скелети зарраҳои реголит низ ҳаракати матритсаи гидрогелро маҳдуд карда, ин таъсирро қавитар мекунад.

Дар ҳарорати баланд бошад, шабакаи желатин заиф мешавад. Омехта аз сопло осонтар мебарояд, вале пас аз гузоштан васеъ ва ҳамвор шуда, метавонад боиси фурӯ рафтани сохтори бисёрқабата гардад.

Озмоишҳои реологӣ чӣ гуна гузаронида шуданд?

Хусусиятҳои реологии омехта бо реометри Anton Paar MCR 302e-и дорои геометрияи чорпарра чен шудаанд. Барои кам кардани таъсири таърихи сохторӣ, намуна аввал дар суръати буриши 10 s⁻¹ барои 30 сония пешбуриш шудааст.

Суръати буриш сипас аз 10 то 60 s⁻¹ баланд карда шуда, баъдан аз 60 то 0,2 s⁻¹ қадам ба қадам паст карда шудааст. Додаҳои таниш дар минтақаи буриши паст ба таври хаттӣ то суръати буриши сифр дароз карда шуда, арзиши буриш ҳамчун таниши зоҳирии ҷараён қабул шудааст.

Озмоишҳои ҳарорат дар 50, 45, 34 ва 25 °C анҷом дода шудаанд. Пас аз расидани мавод ба 25 °C, вақтҳои истироҳати 0, 20, 45 ва 60 дақиқа низ ҷудогона арзёбӣ шудаанд. Дар озмоишҳои оссилятсионӣ амплитудаи деформатсия аз фоиз 0,001 то фоиз 100 зиёд карда шуда, басомад дар 1 Hz нигоҳ дошта шудааст.

Шакли 3 кадом равзанаи реологиро нишон медиҳад?

Дар Шакли 3 муқовимати буриши пасти омехтае, ки дар 25 °C нигоҳ дошта шудааст, бо мурури вақт хеле зиёд мешавад. Аз график тахминан хонда мешавад, ки таниши зоҳирии ҷараён дар омехтае, ки дар 25 °C барои 60 дақиқа мондааст, ба 2,5 kPa мерасад, дар ҳоле ки дар шароити 34 °C тақрибан 1,3 kPa мебошад.

Дар шароити 45 ва 50 °C муқовимати ҷараён пасттар ва тангенси талаф баландтар аст. Ин нишон медиҳад, ки мавод аз сохтори эластикӣ ба рафтори ҷоритар ва паҳнкунандаи энергия мегузарад.

Аз ин рӯ, тақрибан 34 °C ҳамчун ҳарорати оптималии мавод барои дорухат ва параметрҳои чопи таҳқиқот интихоб шудааст. Ин ҳарорат арзиши универсалии HBC нест; бо тағйири миқдори желатин, таносуби об, тақсимоти дона, сопло ва суръат равзана низ тағйир меёбад.

Фишор механизми экструзияро чӣ гуна тағйир дод?

Таъсири фишор ба муносибати байни фишори муҳит ва фишори буғи тофтаи об дар ҳарорати мавод вобаста аст. Дар таҳқиқот барои об дар 34 °C фишори буғи тофта тақрибан 5,3 kPa гирифта шудааст.

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

Дар ин ҷо:

• \(P_{\mathrm{amb}}\): Фишори мутлақ дар муҳити чоп.
• \(P_{\mathrm{sat}}(T_m)\): Фишори буғи тофтаи об дар ҳарорати мавод.
• \(T_m\): Ҳарорати омехтаи тару тозае, ки ба сопло мерасад.

Вақте фишори муҳит аз фишори тофта баландтар аст, об дар фазаи моеъ устувор мемонад. Вақте фишори муҳит аз ин пасттар мешавад, об ҳангоми баромад аз сопло метавонад аз ҷиҳати термодинамикӣ ноустувор шуда, зуд буғ тавлид кунад.

Се режими экструзия кадомҳоянд?

Ин ҳудудҳо танҳо барои омехтаи истифодашуда, ҳарорати тақрибан 34 °C-и мавод, сопло ва суръати экструзия эътибор доранд. Агар таносуби об, миқдори гази ҳалшуда ё ҳарорати мавод тағйир ёбад, фишори тофта ва сарҳадҳои режим низ тағйир меёбанд.

Экструзия бо васеъшавии ҳубоб чӣ гуна ба вуҷуд омадааст?

Ҳангоми омода кардани омехтаи тару тоза дар фишори атмосфера ҳаво метавонад дар дохил маҳбус шавад ва дар об ҳал гардад. Бо паст шудани фишор ҳаҷми ин газҳо зиёд мешавад. Гарчанде шабакаи гидрогел ва скелети зарраҳои минералӣ намегузоранд ҳубобҳо комилан озодона калон шаванд, дар дохили филамент холигиҳо ва дар рӯй ноҳамворӣ ба вуҷуд меоянд.

Дар ин режим мавод ҳанӯз ҳам пайваста чоп шуда метавонист. Аммо сарҳадҳои қабат номунтазамтар шуда, сӯрохиҳои дохилӣ зиёд ва дақиқии геометрии сохтори бисёрқабата кам шудааст.

Экструзияи дастгиришуда бо ҷӯшиши фаврӣ чист?

Вақте фишори муҳит аз фишори буғи тофтаи об дар омехтаи гарм пасттар мешавад, об дар муддати хеле кӯтоҳ ба тавлиди буғ оғоз мекунад. Ин раванд аз васеъшавии классикии ҳубоб фарқ мекунад; ядроҳои нави буғ ба вуҷуд омада, зуд калон мешаванд.

Тавлиди буғ метавонад омехтаро ба берун аз сопло тела дода, қисман ба экструзия мусоидат кунад. Аз ин рӯ, муҳаққиқон рафторро дар фишори пасттарин на танҳо ҳамчун “нокомии чоп”, балки ҳамчун механизми дигари баромади мавод арзёбӣ кардаанд.

Ба ивази ин сохтори дохилии филамент сахт вайрон шудааст. Рӯй дағал, сарҳадҳои филамент номунтазам, шабакаи борик ва пайвастаи сӯрохҳо ба вуҷуд омада, шумораи холигиҳо дар роҳи чоп зиёд шудааст.

Чаро ҳарорати муҳит сарҳади ҷӯшиши фавриро мустақим муайян накардааст?

Омехта ҳангоми баромадан аз сопло ҳанӯз тақрибан 34 °C аст. Аз ин рӯ, устувории аввалияи моеъ-буғ пеш аз ҳарорати камераи сард аз фишори буғи тофтаи худи омехтаи гарм муайян мешавад.

Ҳарорати муҳит ва мизи −20 °C пас аз гузошта шудани мавод таъсир кардааст. Мизи сард аз филамент гармӣ гирифта, желатиншавӣ ва яхкунии эҳтимолиро тезонидааст ва ҳамин тавр нигоҳ доштани шакли барвақтиро беҳтар кардааст.

Ин ҷудокунӣ яке аз муҳимтарин натиҷаҳои муҳандисии таҳқиқот мебошад:

• Ҳарорати мавод: Қобилияти баромадан аз соплоро муайян мекунад.
• Фишори муҳит: Васеъшавии газ ва механизми ҷӯшиши фавриро муайян мекунад.
• Ҳарорати муҳит/мизи сард: Муайян мекунад, ки филаменти гузошташуда чӣ қадар зуд устувор мешавад.

Тасвирҳои инфрасурх чиро нишон доданд?

Дар Шакли 6 ҳарорати филаменте, ки дар фишори атмосфера ва 20 °C гузошта шудааст, оҳиста ба ҳарорати хона наздик шудааст. Дар ин ҳолат нигоҳ доштани шакл асосан ба барқароршавии реологии худи шабакаи гидрогел вобаста буд.

Дар фишори атмосфера ва −20 °C филамент хеле тезтар сард шуд, вале хатҳои чоп мунтазам боқӣ монданд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки ҳарорати пасти муҳит худ аз худ нуқсони экструзия ба вуҷуд намеорад.

Дар шароити 0,01 атмосфера ва −20 °C бошад, филамент хеле зуд сард шуд, аммо ҳамзамон ҷӯшиши фаврӣ ва ташаккули зиёди сӯрохҳо ба амал омад. Сардшавӣ аз якҷояшавии мизи сард, ҳарорати пасти муҳит ва сарфи гармии ниҳонии бухоршавӣ тез гардид.

Аз ин рӯ, сардшавии тез метавонад ду натиҷаи зиддиро ба вуҷуд оварад: нигоҳ доштани шаклро беҳтар кунад, аммо ҳангоми ҳамзамон рух додан бо бухоршавӣ дар фишори паст сохтори дохилиро вайрон намояд.

Сифати чопи якхатта чӣ гуна чен карда шуд?

Пайвастагии филаменте, ки дар тӯли роҳи каҷ дар майдони 80 mm × 80 mm гузошта шудааст, бо таносуби зерин арзёбӣ шудааст:

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

Дар ин ҷо \(L_{\mathrm{biriken}}\) дарозии филаментест, ки воқеан ба вуҷуд омадааст, ва \(L_{\mathrm{tasarlanan}}\) роҳи умумии дар нармафзор муайяншуда мебошад. Наздик шудани арзиши \(C_L\) ба 1 нишон медиҳад, ки роҳи тарҳрезишуда қариб пурра чоп шудааст.

Илова бар ин, шумораи умумииқатъшавиҳои ҷудогона дар роҳ ҳамчун \(N_{\mathrm{gap}}\) ҳисоб шудааст.

Устувории сохтори бисёрқабата чӣ гуна арзёбӣ шуд?

Сохтори тарҳрезишуда тақрибан 30 mm бари поя ва бо 25 қабат тақрибан 62,5 mm баландӣ дошт. Баландтарин шумораи қабатҳое, ки бе фурӯравии шадид, паҳншавии аз ҳад зиёд ё аз даст додани қобилияти борбардорӣ чоп шуда метавонистанд, ҳамчун \(N_{\mathrm{stack}}\) таъриф шуданд.

Геометрияи қабат бо ду таносуб арзёбӣ шудааст:

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

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

Дар ин ҷо \(W_{\max}\) паҳнои максималии филамент, \(h\) баландии қабат ва \(W_{\mathrm{in}}\) паҳнои тамоси ду қабат мебошад.

Дар фишори атмосфера ва ҳарорати маводи 34 °C ҳам дар муҳити 20 °C ва ҳам дар −20 °C баландии пурраи тарҳрезишуда ба даст омадааст. Паҳнои қабат зери назорат монда, таносуби тамоси байни қабатҳо тақрибан ба як наздик буд.

Дар ҳарорати маводи 40 °C филамент осон баромад, аммо аз ҳад зиёд ҳамвор шуд ва сохтор баъд аз шумораи ками қабатҳо фурӯ рафт. Омехтаи желатиншуда дар 25 °C бошад, азбаски филаменти пайваста ташкил карда натавонист, чопи бисёрқабата амалан аз даст рафт.

Дар фишори паст қабатҳо метавонанд рӯйи ҳам гузошта шаванд, вале геометрияи рӯй ва қабат тадриҷан номунтазамтар шудааст. Дар шароити 0,01 атмосфера, гарчанде қисми ҷамъшавии амудӣ нигоҳ дошта шуд, ҳамворӣ ва якпорчагии дохилии сохтор ба таври ҷиддӣ вайрон гардид.

Сӯрохиҳо чӣ гуна таҳқиқ шуданд?

Холигиҳои дохилии сохторҳои чопшуда бо томографияи компютерии рентгенӣ бо андозаи воксели 20 µm омӯхта шуданд. Тасвирҳои реконструксия ба фазаҳои сахт ва сӯрох ҷудо шуда, профилҳои маҳаллии сӯрохнокӣ дар тӯли баландии сохтор бароварда шуданд.

Азбаски холигиҳои хурдтар аз 20 µm ё аз ҳалнокии самараноки дастгоҳ пасттар боэътимод муайян намешаванд, натиҷаи CT сӯрохнокии умумӣ нест, балки саҳми сӯрохиҳои ҳалшаванда дар андозаи даҳҳо микрометр ва болотар мебошад.

Сохторҳои миқёси хурдтар бо SEM омӯхта шуданд. Намунаҳо бо қабати 15 nm тилло пӯшонида шуда, дар шиддати тезонандаи 20 kV тасвир гирифта шуданд.

Фишор меъмории сӯрохҳоро чӣ гуна тағйир дод?

Дар намунаҳои дар фишори атмосфера чопшуда миқдори сӯрохиҳои ҳалшаванда кам ва дар тӯли баландии сохтор нисбатан устувор буд. Дар фишори атмосфера паст кардани ҳарорати муҳит то −20 °C миқдори сӯрохҳоро ба таври назаррас зиёд накард.

Бо паст шудани фишор бошад, сӯрохнокӣ зиёд шуд:

• Дар фишори миёнаи пастшуда сӯрохиҳои андозаи миёна, ки аз васеъшавии гази маҳбус ба вуҷуд омадаанд, пайдо шуданд.
• Дар атрофи 0,05 атмосфера миқдори сӯрохҳо ба таври равшан зиёд шуд.
• Дар 0,01 атмосфера дар қариб тамоми баландии сохтор сатҳи баландтарини сӯрохнокӣ мушоҳида шуд.
• Дар атрофи сарҳадҳои қабат қуллаҳои даврии сӯрохнокӣ ба вуҷуд омаданд.

Сарҳадҳои қабат минтақаҳое мебошанд, ки филаментҳои ҳамсоя пурра ба ҳам намепайванданд ва фишурдашавии маҳаллӣ заифтар аст. Ҳубобҳои аз фишор калоншуда ё ҷайбҳои буғ дар ин минтақаҳо ҷамъ шуда, нуқсонҳои байниқабатиро қавитар кардаанд.

CT ва SEM кадом ду навъи сӯрохро нишон доданд?

Ин мушоҳида нишон медиҳад, ки фишори паст на танҳо миқдори умумии сӯрохҳоро, балки миқёс, пайвастагӣ ва робитаи холигиҳоро бо сарҳадҳои қабат низ тағйир медиҳад.

Намунаҳои механикӣ чӣ гуна омода карда шуданд?

Пас аз он ки блокҳои чопшуда мувофиқи шароити таҷриба истеҳсол шуданд, онҳо ба раванди хушккунӣ дар муҳите, ки дар таҳқиқоти қаблӣ таъриф шудааст, гузаронида шуданд. Намунаҳои қолабрезишуда, вале 3B-чопнашуда, аз ҳамон раванди хушккунӣ гузашта, ҳамчун гурӯҳи истинод истифода шуданд.

Ин усул ҳадаф дошт, ки рафтори хоси маводро бо таъсири сарҳадҳои қабат, вобастагии самтӣ ва сӯрохиҳое, ки аз чопи 3B ба вуҷуд омадаанд, муқоиса кунад.

Хусусиятҳои хоси механикӣ чӣ гуна арзёбӣ шуданд?

Азбаски бо паст шудани фишор зичӣ низ кам шуд, мустаҳкамӣ ва сахтӣ на танҳо бо арзишҳои мутлақ, балки бо арзишҳои хосе, ки ба зичӣ тақсим шудаанд, муқоиса шуданд:

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

Дар ин ҷо \(X\) арзиши мустаҳкамӣ, модул ё фурӯ бурдани энергия ва \(\rho\) зичии намуна мебошад.

Бо вуҷуди ин нормализатсия, ҳангоми паст шудани фишор мустаҳкамии хоси фишорӣ, модули хоси фишорӣ, мустаҳкамии хоси хамиш, модули хоси хамиш ва қобилияти хоси фурӯ бурдани энергия кам шуданд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки талафи механикӣ танҳо аз сабуктар шудани мавод ба вуҷуд наомадааст; нуқсонҳои номунтазам, пайваста ва ҷамъшуда дар сарҳадҳои қабат низ шабакаи борбардорро заиф кардаанд.

Оё қабатҳо вобастагии механикӣ ба самт ба вуҷуд оварданд?

Бале. Ҳангоми татбиқи бори фишорӣ параллел ва перпендикуляр ба қабатҳо арзишҳои гуногуни мустаҳкамии хос ва модул ба даст омадаанд. Ин нишон медиҳад, ки филаментҳои чопшуда ва минтақаҳои тамоси байниқабатӣ дар интиқоли бор нақшҳои гуногун доранд.

Бо паст шудани фишор, азбаски ҷамъшавии сӯрох ва номунтазамӣ дар сарҳадҳои қабат зиёд шуд, вобастагии самтӣ низ қавитар гардид. Сарҳадҳои қабат махсусан ҳангоми хамиш ба минтақаҳои афзалиятноки нуқсон барои оғози тарқиши кашишӣ табдил ёфтанд.

Чаро бетони гидрогелӣ деформатсияи бештар нишон дод?

Дар муқоисаи таҳқиқот, бетони сабук бо зичии монанд каҷи таниш–деформатсияи нишебтар ва шикасти ногаҳонии бештар пас аз қулларо нишон дод. HBC бошад, сахтии пасттар, қобилияти деформатсияи баландтар ва осеби тадриҷитар нишон дод.

Муҳаққиқон ин рафторро бо механизмҳои зерин шарҳ медиҳанд:

• Қобилияти матритсаи нарми гидрогел ба деформатсияи калон
• Фишурда шудани тадриҷии сӯрохиҳо зери бор
• Аз нав ҷойгир шудани зарраҳои минералӣ бо соиш
• Ба таъхир андохтани ташаккул ва пешрафти тарқиш аз ҷониби матритсаи полимерӣ
• Рушди марҳилавии осеб дар минтақаҳои гуногун ба ҷойи як шикасти ягонаи мӯрт

Аз ин рӯ, бартарии асосии мавод танҳо мустаҳкамии қуллаи фишорӣ нест. Зичии паст, таносуби нисбатан баланди мустаҳкамии хамиш/фишорӣ ва қобилияти фурӯ бурдани энергия бояд якҷоя арзёбӣ шаванд.

Чаро арзишҳои пурраи натиҷаҳои механикӣ дода нашудаанд?

Дар версияи preprint-и боршуда графикҳои асосии Шакли 10 дар қисми болоии чапи саҳифа ба андозае хурд ҷойгир шудаанд, ки хонда намешаванд, ва баъзе унвонҳои меҳвар дар қисми поёни саҳифа танҳо мондаанд. Матн ошкоро мегӯяд, ки бо паст шудани фишор ҳамаи нишондиҳандаҳои хоси механикӣ кам мешаванд, аммо арзишҳои пурраи ададиро дар ҷадвали алоҳида пешниҳод намекунад.

Аз ин рӯ, дар ин навишта нуқтаҳои график бо калонкунӣ тахмин карда нашудаанд. Натиҷаҳо танҳо бо муқоисаҳои самтӣ оварда шудаанд, ки таҳқиқот ба таври равшан дастгирӣ мекунад.

Таҳқиқот кадом натиҷаҳоро дастгирӣ мекунад?

• Барои экструзияи омехтаи желатин–симулянти реголит равзанаи танги реологии вобаста ба ҳарорат вуҷуд дорад.
• Тақрибан 34 °C барои дорухат ва параметрҳои чопи истифодашуда мувозинаттарин шароити байни ҷорӣшавӣ ва нигоҳ доштани шакл мебошад.
• Ҳарорати муҳити −20 °C, агар фишор ба қадри кофӣ баланд бошад, метавонад бе вайрон кардани пайвастагии филамент нигоҳ доштани шаклро тезонад.
• Фишори муҳит гузаришро аз экструзияи зичи устувор ба экструзияи васеъшавии ҳубоб ва сипас ба экструзияи дастгиришуда бо ҷӯшиши фаврӣ муайян мекунад.
• Дар 34 °C фишорҳои зери тақрибан 5,3 kPa барои тавлиди тези буғи об мусоид мешаванд.
• Дар 0,01 атмосфера мавод ҳанӯз ҳам гузошта шуд, аммо роҳи чопбештар қатъшуда ва сохтори дохилӣ сӯрохдортар гардид.
• Сӯрохиҳои фишори паст дар сарҳадҳои қабат ҷамъ шуда, рафтори механикии вобаста ба самти чопро зиёд карданд.
• Бо паст шудани фишор зичӣ, мустаҳкамии хос, сахтӣ, кори хамиш ва қобилияти фурӯ бурдани энергия коҳиш ёфт.
• HBC нисбат ба бетони сабуки сементии зичиаш монанд рафтори шикасти тадриҷитар ва таҳаммулпазиртар ба деформатсия нишон дод.
• Нигоҳ доштани фишори экструзия ва сард кардани маҳаллии танҳо филаменти гузошташуда ҳамчун самти мантиқии рушди раванд пешниҳод шудааст.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Исбот намекунад, ки реголити воқеии Марс ба ҳамин шакл чоп мешавад.
• Нишон намедиҳад, ки мавод дар таркиби химиявии воқеии атмосфераи Марс, ки аз гази карбон бой аст, ҳамин тавр рафтор мекунад.
• Исбот намекунад, ки микроорганизмҳои зинда ё генетикӣ тарҳрезишуда ҳангоми чоп зинда мемонанд.
• Нишон намедиҳад, ки пайвандкунанда аз захираҳои Марс истеҳсол шудааст; дар таҷриба желатини тиҷоратии пӯсти хук истифода шудааст.
• Таъсири фишори аз 1 kPa пасттар ё ҳарорати чопи аз −20 °C пасттарро намесанҷад.
• Ҷозибаи камшудаи Марсро тақлид намекунад.
• Радиатсия, пиршавии дарозмуддат дар вакуум, фарсудашавӣ ва устуворӣ дар даврҳои гармиро арзёбӣ намекунад.
• Нишон намедиҳад, ки сохтори чопшуда то чӣ андоза обро нигоҳ медорад ё барқарор мекунад.
• Ягон манзил ё сохтори борбардори пурмиқёс чоп нашудааст.
• Рафтори дарозмуддати хазиш, хастагӣ ё зарбаи намунаҳои бисёрқабатаро намеомӯзад.
• Нишон намедиҳад, ки намунаҳои механикӣ танҳо сохтори ниҳоии дар муҳити ба Марс монанд сахтшударо намояндагӣ мекунанд; намунаҳо баъдан дар муҳит хушк карда шудаанд.
• Муқоисаи бетони сабук ба гурӯҳи назоратии ҳамзамон дар ҳамон лаборатория истеҳсолшуда не, балки ба додаҳои нашршудаи бетони зичии монанд асос ёфтааст.

Чаро аз нуқтаи назари Туркия муҳим аст?

Саҳми муҳимтарини таҳқиқот танҳо пешниҳоди маводи нав барои Марс нест. Он ба таври таҷрибавӣ нишон медиҳад, ки фишор, ҳарорати мавод ва сардкунии муҳитӣ дар экструзияи 3B бояд мустақилона аз ҳам идора карда шаванд.

Ин равиш метавонад дар Туркия ба самтҳои таҳқиқотии зерин мутобиқ карда шавад:

• Истеҳсоли роботӣ барои сохторҳои кайҳонӣ ва сатҳи сайёраҳо
• Чопи 3B-и реголит ва симулянтҳои минералӣ
• Экструзияи бетон ва композитҳои полимерӣ дар ҳарорати паст
• Тағйири фазаи маводи дорои об дар вакуум
• Сохтмони автоматӣ дар офатҳо ё муҳитҳое, ки дастрасии инсон маҳдуд аст
• Маводи сохтмонии зичии паст ва фурӯбарандаи энергия

Дар таҳқиқоти минбаъдаи Туркия метавон симулянтҳои минералии маҳаллӣ, биополимерҳои гуногун ва пайвандкунандаҳои бехатартар ё устувортарро муқоиса кард. Истифодаи соплои назоратшавандаи фишор бо системаҳои минтақавие, ки танҳо қабати гузошташударо сард мекунанд, метавонад ҷӯшиши фавриро дар фишори паст кам карда, устувории қабатро нигоҳ дорад.

Барои наздик шудан ба татбиқи воқеӣ озмоиши ҷозибаи паст, даврҳои дарозмуддати гармӣ, радиатсия, барқарорсозии об, омехтакунии автоматӣ, чопи калонмиқёс ва таҳлили эътимоднокии сохторӣ заруранд.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Тарҳи таҳқиқот

Таҳқиқот омӯзиши таҷрибавии маводи сохтмонӣ мебошад, ки омодасозии мавод, реологияи назоратшаванда, чоп дар камераи муҳитӣ, тасвиргирии оптикӣ ва гармӣ, ченкунии геометрӣ, томографияи рентгенӣ, микроскопияи электронӣ ва озмоишҳои механикиро муттаҳид мекунад.

Матритсаи таҷрибавии фишор–ҳарорат

Бозёфтҳои асосии таҷрибавӣ

Паёми илмии шаклҳо

• Шакли 1: Занҷири консептуалии сохтмони Марсро нишон медиҳад, ки аз истеҳсоли гидрозол, омехта бо реголит, экструзияи роботӣ, сахтшавӣ бо таъсири муҳит ва бозкоркарди мавод иборат аст.
• Шакли 2: Платформаи махсуси чопро аз зарфи гармшудаи мавод, клапани герметикӣ, мизи сард, камераи муҳитӣ, камераи оптикӣ ва камераи инфрасурх нишон медиҳад.
• Шакли 3: Нишон медиҳад, ки бо паст шудани ҳарорат ва дароз шудани вақти интизорӣ муқовимати ҷараён ва модули эластикӣ зиёд мешаванд; дар тақрибан 34 °C равзанаи чоп ба вуҷуд меояд.
• Шакли 4: Намунаҳои паҳншавӣ ва фурӯравӣ дар ҳарорати баланд, экструзияиқатъшуда дар ҳарорати паст ва чопи устувор дар ҳарорати миёнаро муқоиса мекунад.
• Шакли 5: Се режими фишори устувор, васеъшавии ҳубоб ва дастгиришуда бо ҷӯшиши фавриро; дар 34 °C сарҳади моеъ-буғи тақрибан 5,3 kPa-ро нишон медиҳад.
• Шакли 6: Тасвирҳои гармии филаментҳо ва тағйири ҳароратро дар 100 сонияи аввал дар муҳитҳои атмосферӣ, сард ва фишори паст нишон медиҳад.
• Шакли 7: Нишон медиҳад, ки пайвастагии якхатта дар шароити оптималӣ тақрибан 1 аст; дар омехтаи желатиншуда ва дар 0,01 атмосфера чопшуда холигиҳо зиёд мешаванд.
• Шакли 8: Тағйири шумораи қабатҳо, паҳноӣ, таносуби тамос ва коэффисиенти паҳншавиро вобаста ба ҳарорат ва фишор нишон медиҳад.
• Шакли 9: Нишон медиҳад, ки бо паст шудани фишор сӯрохнокӣ зиёд мешавад; аз сӯрохиҳои миёнаи ҳубобӣ ба шабакаи борики сӯрохҳои аз ҷӯшиши фаврӣ сарчашмагирифта гузариш ба амал меояд.
• Шакли 10: Барои муқоисаи фишор, хамиш, зичӣ ва нишондиҳандаҳои хоси механикӣ омода шудааст; аммо дар версияи боршуда графики асосӣ хеле хурд ва аз ҷиҳати ададӣ хонданашаванда аст.

Нуқтаҳои қавии таҳқиқот

• Ҳарорати мавод, ҳарорати муҳит ва фишори муҳит мустақилона аз ҳам назорат шудаанд.
• Рафтори чоп на танҳо бо мушоҳида, балки бо реология ва тасвиргирии гармӣ ба таври механизмӣ шарҳ дода шудааст.
• Чопи якхатта ва бисёрқабата бо меъёрҳои алоҳида арзёбӣ шудаанд.
• Пастшавии фишор на танҳо ҳамчун муваффақият/нокомӣ, балки ҳамчун режимҳои гуногуни экструзия тасниф шудааст.
• Сӯрохиҳои дохилӣ ҳам бо CT-и сеандоза ва ҳам дар миқёси хурдтар бо SEM омӯхта шудаанд.
• Сӯрохнокии даврӣ дар сарҳадҳои қабат нишон дода шудааст.
• Дар озмоишҳои фишор ва хамиш барои ҳар гурӯҳ ҳадди ақал даҳ намуна истифода шудааст.
• Намунаҳои чопшуда бо намунаҳои истинодии қолабрезишуда муқоиса шудаанд.
• Хусусиятҳои механикӣ ба зичӣ нормализатсия шуда, кӯшиш шудааст таъсири танҳо сабукшавӣ ҷудо карда шавад.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Таҳқиқот preprint аст, ки аз тақризи ҳамсолон нагузаштааст.
• Дар маводи таҷрибавӣ микроорганизмҳои зинда вуҷуд надоранд.
• Ба ҷойи реголити воқеии Марс танҳо симулянти MGS-1 истифода шудааст.
• Пайвандкунанда биомаводи дар Марс истеҳсолшуда не, балки желатини тиҷоратии пӯсти хук аст.
• Ҳарорати пасттарини таҷриба −20 °C ва фишори пасттарини чоп 1 kPa мебошад.
• Таркиби химиявии гази атмосфера ҳамчун атмосфераи Марс бозсозӣ нашудааст.
• Ҳамаи озмоишҳо дар ҷозибаи Замин анҷом шудаанд.
• Намунаҳои механикии чопшуда баъдан дар шароити муҳит хушк карда шудаанд.
• Тафсилоти протоколи хушккунӣ дар худи ин таҳқиқот пурра дода нашуда, ба таҳқиқоти қаблӣ ишора шудааст.
• Радиатсия, вакууми дарозмуддат, даврҳои гармӣ ва фарсудашавӣ арзёбӣ нашудаанд.
• Девор ё манзили пурмиқёс истеҳсол нашудааст.
• Муқоисаи бетони сабук на ба озмоиши назоратии ҳамзамон, балки ба додаҳои нашршудаи адабиёт асос ёфтааст.
• Азбаски ҷойгиркунии графики Шакли 10 хато аст, арзишҳои пурраи механикӣ тасдиқ карда намешаванд.
• Додаҳои хоми таҷрибавӣ ва пайванди алоҳидаи махзани кушодаи додаҳо дода нашудаанд.

Тасдиқҳои зарурӣ дар оянда

• Таҳияи соплои назоратшавандаи фишор ё қисман фишордор
• Пас аз экструзия танҳо филаментро маҳаллӣ сард кардан
• Кам кардани газҳои ҳалшуда ва маҳбус дар омехта пеш аз чоп
• Муқоисаи таносуби пасттари об ва биополимерҳои гуногун
• Озмоиш дар таркиби воқеии атмосфераи бой аз гази карбон
• Озмоишҳои ҷозибаи паст ё парвози параболӣ
• Радиатсия ва пиршавии дарозмуддати вакуумӣ
• Даврҳои яхкунӣ-обшавӣ ва фишор
• Ҷамъоварӣ ва истифодаи дубораи оби сублиматсияшуда
• Озмоишҳои чоп ва зиндамонии омехтаҳои LBM-и дорои микроорганизмҳои зинда
• Чопи роботии калонмиқёс ва озмоишҳои бори сохторӣ
• Нашри кушодаи ҷадвалҳои хондашавандаи механикӣ ва додаҳои хом

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: 3D printing of hydrogel-based concrete under combined subzero-temperature and near-vacuum conditions for Martian construction

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

Тартиби муаллифон: Ning Liu муаллифи якум, Shing Chi Lam дуюм, Hau King Zhang сеюм, Chaoyu Dou чорум, Shaofeng Qin панҷум, Yihong Tang шашум, Yiwei Weng ҳафтум ва Jishen Qiu ҳаштум мебошад.

Маълумоти саҳми баробар: Изҳороти муаллифии якуми баробар ё саҳми баробар вуҷуд надорад.

Муаллифи масъул: Jishen Qiu.

Муассисаҳо:

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

DOI: 10.2139/ssrn.7196756

Рақами сабти SSRN: 7196756

Санаи боргузорӣ: 28 июли 2026.

Шумораи саҳифаҳо: 29.

Маҷалла: Аз рӯи ин версия нашр шудан дар маҷаллаи тақризшуда тасдиқ нашудааст.

Платформаи нашр: SSRN.

Ношир: Барои ин версия ношир вуҷуд надорад. SSRN платформаи preprint дар оилаи Elsevier аст ва худро ҳамчун ношир таъриф намекунад.

Навъи манбаъ: Preprint-и муҳандисие, ки аз тақризи ҳамсолон нагузаштааст ва реология, чопи 3B-и муҳитӣ, тасвиргирии гармӣ, томографияи рентгенӣ, SEM ва озмоишҳои механикиро дар бар мегирад.

Пайванди расмӣ:https://ssrn.com/abstract=7196756

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

Саҳми муаллифон: Ning Liu барои таҳқиқот, усул, танзими додаҳо, нармафзор, таҳлили расмӣ, тасдиқ, визуализатсия ва тарҳи аввал масъул аст. Shing Chi Lam, Hau King Zhang, Chaoyu Dou, Shaofeng Qin ва Yihong Tang ба таҳқиқот ва тасдиқ саҳм гузоштаанд. Yiwei Weng таҳқиқот, захира ва машварат таъмин кардааст. Jishen Qiu барои консептуализатсия, усул, захира, машварат, маблағгузорӣ, бозбинӣ ва идоракунии лоиҳа масъул аст.

Бархӯрди манфиатҳо: Дар таҳқиқоти боршуда изҳороти ҷудогона ва ошкори бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Дастрасии додаҳо: Барои додаҳои хоми реология, чоп, CT ва механикӣ пайванди махзани кушодаи додаҳо дода нашудааст.

Ёддошти визуалии таҳрирӣ: Қисми асосии графики Шакли 10 дар версияи боршуда ба андозае хурд карда шудааст, ки хонда намешавад ва унвонҳои меҳвар аз график ҷудо мондаанд. Аз ин рӯ, арзишҳои нуқтавии графикҳои механикӣ ба ин мақола гузаронида нашудаанд.

Ин мақола бар асоси матни таҳқиқоти боршуда, параметрҳои таҷрибавӣ, харитаи фишор–ҳарорат, графикҳои реология, тасвирҳои инфрасурх, намунаҳои чоп, томографияи рентгенӣ, таҳқиқоти SEM, тавсифи озмоишҳои механикӣ ва тафсири механизмҳои муҳаққиқон омода шудааст. Натиҷаи нави таҷрибавӣ, муваффақияти миссияи Марс, кори сохтори пурмиқёс ё даъвои бехатарии дарозмуддат, ки дар таҳқиқот вуҷуд надорад, илова нашудааст.

Таҳқиқот аз тақризи ҳамсолон нагузаштааст. Натиҷаҳо ба дорухати муайяни желатин/MGS-1, соплои 3 mm, суръати чопи 30 mm/s, ҷозибаи Замин ва намунаҳои миқёси лабораторӣ тааллуқ доранд. Барои татбиқи воқеии Марс таркиби атмосфера, ҷозибаи паст, радиатсия, вакууми дарозмуддат, даврҳои гармӣ, барқарорсозии об, устувории биологӣ ва тасдиқи сохтории пурмиқёс алоҳида заруранд.