Ushbu tadqiqot gidrogel asosidagi betonni past harorat va vakuumga yaqin sharoitlarda qatlamma-qatlam bosib chiqarish mumkinligini o‘rganadi. Tadqiqotchilar jelatin gidrozolini MGS-1 Mars regoliti simulyanti bilan aralashtirib, tayyorlangan zarrachalar yuklangan polimer zolni bosim va harorati nazorat qilinadigan maxsus ekologik kamera ichidagi ekstruziya printerida sinagan. Material harorati 25-50 °C, atrof-muhit harorati −20 dan 20 °C gacha va muhit bosimi 101.325 Pa dan 1.000 Pa gacha o‘zgartirilgan.

Natijalar bosib chiqarish jarayonida bir-biridan ajratilishi kerak bo‘lgan uchta asosiy o‘zgaruvchi mavjudligini ko‘rsatadi. Material harorati aralashmaning nozuldan oqib chiqish-qilmasligini belgilaydigan reologiyani boshqargan. Atrof-muhit va taglik harorati material qo‘yilgandan keyingi sovish, jellanish, muzlash va dastlabki shaklni saqlash jarayoniga ta’sir qilgan. Muhit bosimi esa qamalib qolgan gazning kengayishi va suvning suyuqlik-bug‘ barqarorligini o‘zgartirib, ekstruziya mexanizmini bevosita o‘zgartirgan.

Taxminan 34 °C material harorati uzluksiz ekstruziya bilan qatlamlarning shaklini saqlashi o‘rtasidagi eng muvozanatli sharoit sifatida aniqlangan. Atmosferaga yaqin bosimlarda zich va muntazam filamentlar hosil bo‘lgan. O‘rtacha vakuumda aralashmadagi qamalib qolgan va erigan gazlar kengayib, pufakchalar va o‘rta kattalikdagi g‘ovaklar hosil qilgan. Muhit bosimi 34 °C dagi suvning taxminan 5,3 kPa bo‘lgan to‘yingan bug‘ bosimidan pastga tushganda esa flesh-qaynash boshlangan; bug‘ hosil bo‘lishi materialning nozuldan chiqishiga hissa qo‘shgan, biroq filamentlarni notekis, g‘ovakli va uzilib qoladigan holga keltirgan.

−20 °C atrof-muhit harorati o‘z-o‘zicha bosib chiqarishni buzish o‘rniga, atmosfera bosimida qo‘yilgan filamentning tezroq sovib, shaklini saqlashiga yordam bergan. Bunga qarshi ravishda past bosim va past harorat birga kelgan sharoitlarda tez sovish bug‘lanish, pufakcha hosil bo‘lishi va g‘ovak paydo bo‘lishi bilan bir vaqtda kechgan. Shu sababli eng tez qotgan sharoit eng sifatli bosmani bermagan.

Rentgen tomografiyasi va elektron mikroskopiya tekshiruvlari bosim kamaygani sari g‘ovaklar miqdori ortishini va g‘ovaklar qatlam chegaralarida to‘planishini ko‘rsatgan. Past bosim ostida hosil bo‘lgan bu nuqsonlar zichlikni, solishtirma siqilish mustahkamligini, qattiqlikni, egilish ko‘rsatkichlarini va energiya yutish qobiliyatini pasaytirgan. Shunga qaramay, gidrogel asosidagi kompozit o‘xshash zichlikdagi sement asosidagi yengil betonga nisbatan ko‘proq deformatsiya va asta-sekinroq sinish xatti-harakatini ko‘rsatgan.

Tadqiqot Marsda to‘g‘ridan-to‘g‘ri inshoot ishlab chiqarilganini yoki material haqiqiy Mars sharoitlarida uzoq muddat chidashini isbotlamaydi. Tajribalar Yer gravitatsiyasida, MGS-1 simulyanti bilan, tirik mikroorganizmlarsiz aralashmada va eng pasti −20 °C hamda 1 kPa sharoitlarida o‘tkazilgan. Mexanik namunalar bosib chiqarilgandan keyin atrof-muhit sharoitida quritilgan. Tadqiqot, shuningdek, peer-reviewdan o‘tmagan preprintdir.

Tadqiqotning asosiy savoli nima?

Tadqiqotning asosiy savoli suv va gidrogelga boy regolit aralashmasini past harorat va past havo bosimida nozuldan uzluksiz chiqarish mumkinmi va qo‘yilgan qatlamlar ustma-ust inshoot hosil qiladigan darajada barqaror qoladimi, degan masaladir.

Yer sharoitidagi beton 3B bosmasida asosiy muvozanat materialning nasos va ekstruziya vaqtida yetarlicha oqimchan, nozuldan chiqqandan keyin esa o‘z og‘irligini ko‘tara oladigan darajada qattiq bo‘lishidir. Marsga o‘xshash muhitda bu muvozanatga uchta yangi fizik jarayon qo‘shiladi:

• Aralashmada qamalib qolgan yoki erigan gazlarning bosim pasayganda kengayishi
• Suvning to‘yingan bug‘ bosimidan past muhitda beqarorlashib tez bug‘lanishi
• Sovish, jellanish, muzlash, suv yo‘qotish va sublimatsiyaning bir vaqtda davom etishi mumkinligi

Tadqiqotchilar ushbu ta’sirlarni bir-biridan ajratish uchun material harorati, atrof-muhit harorati, taglik harorati va muhit bosimini mustaqil nazorat qila oladigan bosib chiqarish tizimini ishlab chiqqan.

Tadqiqotdagi material haqiqatan ham “tirik beton”mi?

Yo‘q. Tadqiqotning kirish qismida tirik qurilish materiallari, ya’ni gidrogel ichida muhandislik yo‘li bilan yaratilgan mikroorganizmlarni saqlashi mumkin bo‘lgan kompozitlar bayon qilinadi. Ammo ushbu tajribada bosib chiqarish xatti-harakatini boshqaradigan asosiy gidrogel–regolit tizimini alohida o‘rganish maqsadida mikroorganizmsiz gidrogel asosidagi beton ishlatilgan.

Tadqiqot terminologiyasiga ko‘ra:

• Gidrogel asosidagi beton (HBC): Gidrogel bog‘lovchi va mineral zarrachalardan tashkil topgan keng material platformasidir.
• Tirik qurilish materiali (LBM): HBC tizimining tirik va funksional mikroorganizmlar mavjud bo‘lgan biologik shaklidir.
• Zarrachalar yuklangan polimer zol (PLPS): Qotishdan oldin nozuldan chiqariladigan yangi HBC aralashmasining oqimchan holatidir.

Shu sababli ushbu tadqiqot natijalari mikroorganizmlarning vakuum, sovuq yoki radiatsiya ostida yashash qobiliyatini bevosita ko‘rsatmaydi. Tajriba asosan gidrogel–regolit matritsasining vaqtinchalik ekstruziya xatti-harakatini o‘rganadi.

Gidrogel asosidagi beton klassik beton bilan bir xil materialmi?

Yo‘q. Tadqiqotdagi materialda Portland sementi yoki an’anaviy gidravlik bog‘lovchi ishlatilmagan. Mineral zarrachalarni bir-biriga bog‘lab turadigan faza jelatin asosidagi gidrogeldir. Bu yerda “beton” so‘zi mineral agregat bilan polimer bog‘lovchidan tuzilgan kompozit tuzilma ma’nosida ishlatiladi.

Bu farq mexanik xatti-harakatni ham tushuntiradi. Sement asosidagi beton odatda yuqori qattiqlik va mo‘rt sinishni ko‘rsatsa, gidrogel–zarracha matritsasi yumshoqroq, ko‘proq deformatsiyalanadigan va energiyani bosqichma-bosqich shikastlanish orqali tarqata oladigan kompozit hosil qilgan.

Aralashmada qaysi materiallardan foydalanilgan?

MGS-1 haqiqiy Mars regolitidan olingan namuna emas. U muayyan mineral va donadorlik xususiyatlarini taqlid qilish uchun Yerda tayyorlangan simulyantdir. Shu sababli tadqiqot haqiqiy Mars regolitidagi reaktivlik, elektrostatik chang xatti-harakati yoki turli don shakllarini bevosita sinamagan.

Yangi aralashma qanday tayyorlangan?

Jelatin kukuni 80 °C haroratdagi deionizatsiyalangan suvga jelatin/suv massa nisbati 0,2 bo‘ladigan tarzda qo‘shilgan. Aralashma magnitli isitkich ustida ikki soat aralashtirilib, bir jinsli jelatin zoli tayyorlangan.

Bu zol keyin MGS-1 zarrachalari bilan zol/agregat massa nisbati 0,2 bo‘ladigan tarzda birlashtirilgan va 23 °C da ikki daqiqa qo‘lda aralashtirilgan. Tayyorlangan yangi material reologiya tajribalarida ishlatilgan yoki 3B printerning yopiq material rezervuariga joylashtirilgan.

Ushbu ishlab chiqarish usuli tajriba miqyosida qo‘llash mumkin bo‘lgan retseptni ko‘rsatadi. Aralashmani katta miqyosda, uzluksiz yoki to‘liq robotlashtirilgan tarzda tayyorlash sinovdan o‘tkazilmagan.

Ekologik 3B bosib chiqarish tizimi qanday ishlagan?

Printer bosimi va harorati dasturlashtirilishi mumkin bo‘lgan yopiq ekologik kamera ichiga o‘rnatilgan. Kameraning texnik ish qobiliyati 1 Pa dan atmosfera bosimigacha va −60 dan 100 °C gacha. Biroq ushbu tadqiqotdagi bosib chiqarish tajribalari 1.000 Pa dan 101.325 Pa gacha va −20 dan 20 °C gacha olib borilgan.

Tizimning asosiy komponentlari quyidagilardir:

• Isitish ko‘ylagi bo‘lgan yopiq material rezervuari
• Ekstruziya printeri va diametri 3 mm bo‘lgan nozul
• Kamera bosimi kamaytirilayotganda erta oqishni oldini oluvchi havo o‘tkazmaydigan klapan
• Bevosita issiqlik o‘tkazish orqali sovitishni ta’minlovchi harorat nazoratli sovuq stol
• Suv bilan sovitiladigan aylanish tizimi
• Tasvir kamerasi va infraqizil kamera
• Bosim va harorat nazorati uchun tashqi kompyuter ulanishlari

Past bosimda tabiiy konveksiya orqali issiqlik almashinuvi susaygani sababli faqat kamera havosini sovitish yetarli emas. Shu sababli tadqiqotchilar filament bilan stol orasidagi bevosita aloqa orqali boshqariladigan issiqlik o‘tkazuvchan sovitishni ta’minlaydigan sovuq stol ishlatgan.

Bosib chiqarish vaqtida qaysi o‘zgaruvchilar o‘zgartirilgan?

Asosiy bosib chiqarish parametrlari qanday?

Reologiya nega hal qiluvchi?

Ekstruziya bosmasida aralashma bir vaqtda bir-biriga zid ikkita talabni qondirishi kerak. Nasos va nozul ichida oqishi uchun oqishga qarshiligi past bo‘lishi, qo‘yilgandan keyin esa yoyilib ketmasligi va yuqori qatlamlarni ko‘tara olishi uchun yetarli elastik tuzilishga ega bo‘lishi zarur.

Jelatin asosidagi tizim sovigan sari polimer zanjirlari qisman uch spiral bog‘lanish hududlarini hosil qiladi. Ushbu fizik jellanish aralashmaning elastik modulini va past siljish tezligidagi qarshiligini oshiradi. Regolit zarrachalar karkasi ham gidrogel matritsasining harakatini cheklab, bu ta’sirni kuchaytiradi.

Yuqori haroratda esa jelatin tarmog‘i zaiflashadi. Aralashma nozuldan osonroq chiqadi, biroq qo‘yilgandan keyin kengayadi, yassilanadi va ko‘p qatlamli tuzilmaning qulashiga sabab bo‘lishi mumkin.

Reologiya tajribalari qanday o‘tkazilgan?

Aralashmaning reologik xususiyatlari to‘rt qanotli geometriyaga ega Anton Paar MCR 302e reometr bilan o‘lchangan. Namuna strukturaviy tarix ta’sirini kamaytirish uchun avval 10 s⁻¹ siljish tezligida 30 soniya oldindan siljishga duchor qilingan.

Siljish tezligi keyin 10 dan 60 s⁻¹ gacha oshirilgan va so‘ng 60 dan 0,2 s⁻¹ gacha bosqichma-bosqich kamaytirilgan. Past siljish hududidagi kuchlanish ma’lumotlari chiziqli ravishda nol siljish tezligigacha ekstrapolyatsiya qilingan va kesishish qiymati ko‘rinma oqish kuchlanishi sifatida qabul qilingan.

Harorat tajribalari 50, 45, 34 va 25 °C da bajarilgan. Material 25 °C ga yetgach, 0, 20, 45 va 60 daqiqalik dam olish muddatlari ham alohida baholangan. Tebranma tajribalarda deformatsiya amplitudasi foiz 0,001 dan foiz 100 gacha oshirilgan va chastota 1 Hz da ushlab turilgan.

3-shakl qaysi reologik oynani ko‘rsatadi?

3-shaklda 25 °C da kutilgan aralashmaning past siljishdagi qarshiligi vaqt o‘tishi bilan keskin oshadi. Grafikdan taxminan o‘qilganda, ko‘rinma oqish kuchlanishi 25 °C da 60 daqiqa turgan aralashmada 2,5 kPa darajasiga yetadi, 34 °C sharoitida esa taxminan 1,3 kPa.

45 va 50 °C sharoitlarida oqish qarshiligi pastroq, yo‘qotish tangensi esa yuqoriroq. Bu material elastik tuzilmadan ko‘proq oqimchan va energiyani tarqatuvchi xatti-harakatga o‘tishini ko‘rsatadi.

Shu sababli taxminan 34 °C ushbu retsept va bosib chiqarish parametrlari uchun optimal material harorati sifatida tanlangan. Bu harorat universal HBC qiymati emas; jelatin miqdori, suv nisbati, donalar taqsimoti, nozul va tezlik o‘zgarsa, ish oynasi ham o‘zgarishi mumkin.

Bosim ekstruziya mexanizmini qanday o‘zgartirgan?

Bosim ta’siri muhit bosimi bilan material haroratidagi suvning to‘yingan bug‘ bosimi o‘rtasidagi munosabatga bog‘liq. Tadqiqotda 34 °C dagi suv uchun to‘yingan bug‘ bosimi taxminan 5,3 kPa deb olingan.

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

Bu yerda:

• \(P_{\mathrm{amb}}\): Bosib chiqarish muhitidagi mutlaq bosim.
• \(P_{\mathrm{sat}}(T_m)\): Material haroratida suvning to‘yingan bug‘ bosimi.
• \(T_m\): Nozulga kelayotgan yangi aralashmaning harorati.

Muhit bosimi to‘yinganlik bosimidan yuqori bo‘lganda suv suyuq fazada barqaror bo‘ladi. Muhit bosimi bundan pastga tushganda suv nozuldan chiqish vaqtida termodinamik jihatdan beqarorlashib, tez bug‘ hosil qilishi mumkin.

Uchta ekstruziya rejimi qanday?

Bu chegaralar faqat ishlatilgan aralashma, taxminan 34 °C material harorati, nozul va ekstruziya tezligi uchun amal qiladi. Suv nisbati, erigan gaz miqdori yoki material harorati o‘zgarsa, to‘yinganlik bosimi va rejim chegaralari ham o‘zgaradi.

Pufakcha kengayishli ekstruziya qanday yuzaga kelgan?

Yangi aralashma atmosfera bosimida tayyorlanganda uning ichiga havo qamalib qolishi va suvda havo erishi mumkin. Bosim kamayganda bu gazlarning hajmi ortadi. Gidrogel tarmog‘i va mineral zarrachalar karkasi pufakchalarning mutlaqo erkin o‘sishiga to‘sqinlik qilsa-da, filament ichida bo‘shliqlar va yuzada dag‘allik hosil bo‘ladi.

Bu rejimda material hali ham uzluksiz ravishda bosib chiqarilgan. Biroq qatlam chegaralari notekisroq bo‘lgan, ichki g‘ovaklar ko‘paygan va ko‘p qatlamli tuzilmaning geometrik aniqligi kamaygan.

Flesh-qaynash bilan qo‘llab-quvvatlanadigan ekstruziya nima?

Muhit bosimi issiq aralashmadagi suvning to‘yingan bug‘ bosimidan pastga tushganda suv juda qisqa vaqt ichida bug‘ hosil qila boshlaydi. Bu jarayon oddiy pufakcha kengayishidan farq qiladi; yangi bug‘ yadrolari hosil bo‘ladi va tez o‘sadi.

Bug‘ hosil bo‘lishi aralashmani nozuldan tashqariga itarib, ekstruziyaga qisman yordam berishi mumkin. Shu sababli tadqiqotchilar eng past bosimdagi xatti-harakatni shunchaki “bosib chiqarish muvaffaqiyatsizligi” emas, balki material chiqishining boshqa mexanizmi sifatida baholagan.

Buning evaziga filamentning ichki tuzilishi jiddiy buzilgan. Yuza dag‘allashgan, filament chegaralari notekislashgan, ingichka va o‘zaro bog‘langan g‘ovak tarmog‘i hosil bo‘lgan va bosib chiqarish yo‘lidagi bo‘shliqlar soni oshgan.

Atrof-muhit harorati nega flesh-qaynash chegarasini bevosita belgilamagan?

Aralashma nozuldan chiqayotganida ham taxminan 34 °C bo‘ladi. Shu sababli dastlabki suyuqlik-bug‘ barqarorligi sovuq kameraning haroratidan oldin issiq aralashmaning o‘z to‘yingan bug‘ bosimi bilan belgilanadi.

−20 °C atrof-muhit va stol harorati material qo‘yilgandan keyin ta’sirli bo‘lgan. Sovuq stol filamentdan issiqlikni tortib olib jellanishni va mumkin bo‘lgan muzlashni tezlashtirgan, shu tariqa erta shaklni saqlashni yaxshilagan.

Bu farqlash tadqiqotning eng muhim muhandislik natijalaridan biridir:

• Material harorati: Nozuldan chiqish qobiliyatini belgilaydi.
• Muhit bosimi: Gaz kengayishi va flesh-qaynash mexanizmini belgilaydi.
• Atrof-muhit/stol harorati: Qo‘yilgan filament qanchalik tez barqarorlashishini belgilaydi.

Infraqizil tasvirlar nimani ko‘rsatgan?

6-shaklda atmosfera bosimi va 20 °C da qo‘yilgan filament harorati asta-sekin xona haroratiga yaqinlashgan. Bu holatda shaklni saqlash asosan gidrogel tarmog‘ining o‘z reologik tiklanishiga bog‘liq bo‘lgan.

Atmosfera bosimi va −20 °C da filament ancha tez sovigan, shunga qaramay bosma chiziqlari muntazam qolgan. Bu natija past atrof-muhit haroratining o‘zi ekstruziya nuqsonini keltirib chiqarmasligini ko‘rsatadi.

0,01 atmosfera va −20 °C sharoitida esa filament juda tez sovigan, biroq ayni vaqtda flesh-qaynash va kuchli g‘ovak hosil bo‘lishi yuz bergan. Sovish sovuq stol, past atrof-muhit harorati va bug‘lanishning yashirin issiqlik sarfi kombinatsiyasi bilan tezlashgan.

Shunday qilib, tez sovish ikki qarama-qarshi natija berishi mumkin: shaklni saqlashni yaxshilashi mumkin, biroq past bosimda bug‘lanish bilan birga kechganda ichki tuzilishni buzishi mumkin.

Bir chiziqli bosma sifati qanday o‘lchangan?

80 mm × 80 mm maydon ichidagi egri yo‘l bo‘ylab qo‘yilgan filamentning uzluksizligi quyidagi nisbat bilan baholangan:

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

Bu yerda \(L_{\mathrm{biriken}}\) amalda hosil bo‘lgan filament uzunligi, \(L_{\mathrm{tasarlanan}}\) esa dasturda belgilangan jami yo‘ldir. \(C_L\) qiymatining 1 ga yaqinlashishi loyihalangan yo‘l deyarli to‘liq bosilganini ko‘rsatadi.

Shuningdek, yo‘l bo‘ylab alohida uzilishlarning jami \(N_{\mathrm{gap}}\) sifatida sanalgan.

Ko‘p qatlamli tuzilmaning barqarorligi qanday baholangan?

Loyihalangan tuzilma taxminan 30 mm asos kengligiga va 25 qatlam bilan taxminan 62,5 mm balandlikka ega. Og‘ir qulash, ortiqcha yoyilish yoki yuk ko‘tarish qobiliyatining yo‘qolishisiz bosib chiqarish mumkin bo‘lgan eng yuqori qatlam soni \(N_{\mathrm{stack}}\) deb ta’riflangan.

Qatlam geometriyasi ikki nisbat bilan baholangan:

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

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

Bu yerda \(W_{\max}\) filamentning maksimal kengligi, \(h\) qatlam balandligi va \(W_{\mathrm{in}}\) ikki qatlamning aloqa kengligidir.

Atmosfera bosimi va 34 °C material haroratida ham 20 °C, ham −20 °C muhitda loyihalangan to‘liq balandlikka erishilgan. Qatlam kengligi nazorat ostida qolgan va qatlamlararo aloqa nisbati taxminan birga yaqin bo‘lgan.

40 °C material haroratida filament oson chiqqan, biroq haddan tashqari yassilangan va tuzilma oz sonli qatlamlardan keyin qulagan. 25 °C da jellangan aralashma esa uzluksiz filament hosil qila olmagani sababli ko‘p qatlamli bosib chiqarish amalda yo‘qolgan.

Past bosim ostida qatlamlar ustma-ust qo‘yilgan, biroq yuza va qatlam geometriyasi tobora notekislashgan. 0,01 atmosfera sharoitida vertikal yig‘ilishning bir qismi saqlangan bo‘lsa-da, tuzilmaning muntazamligi va ichki yaxlitligi jiddiy buzilgan.

G‘ovaklar qanday o‘rganilgan?

Bosilgan tuzilmalarning ichki bo‘shliqlari 20 µm voksel o‘lchamli rentgen kompyuter tomografiyasi yordamida o‘rganilgan. Rekonstruksiya tasvirlari qattiq va g‘ovak fazalarga ajratilgan hamda tuzilma balandligi bo‘ylab mahalliy g‘ovaklilik profillari chiqarilgan.

20 µm dan kichik yoki qurilmaning samarali aniqligidan past bo‘lgan bo‘shliqlar ishonchli aniqlanmagani sababli CT natijasi jami g‘ovaklilik emas, balki o‘nlab mikrometr va undan kattaroq o‘lchamdagi aniqlanadigan g‘ovaklar ulushidir.

Kichikroq o‘lchamli tuzilmalar SEM bilan tekshirilgan. Namunalar 15 nm oltin bilan qoplangan va 20 kV tezlashtiruvchi kuchlanishda tasvirlangan.

Bosim g‘ovak arxitekturasini qanday o‘zgartirgan?

Atmosfera bosimida bosilgan namunalarda aniqlanadigan g‘ovaklar miqdori past bo‘lgan va tuzilma balandligi bo‘ylab nisbatan barqaror qolgan. Atmosfera bosimida atrof-muhit haroratini −20 °C ga tushirish g‘ovak miqdorini sezilarli oshirmagan.

Bosim kamayganda esa g‘ovaklilik oshgan:

• O‘rtacha kamaytirilgan bosimda qamalib qolgan gazlarning kengayishiga bog‘liq o‘rta o‘lchamli g‘ovaklar hosil bo‘lgan.
• 0,05 atmosfera atrofida g‘ovak miqdori sezilarli oshgan.
• 0,01 atmosfera sharoitida tuzilma balandligining deyarli barchasida eng yuqori g‘ovaklilik kuzatilgan.
• Qatlam chegaralari atrofida davriy g‘ovaklilik cho‘qqilari hosil bo‘lgan.

Qatlam chegaralari qo‘shni filamentlar to‘liq birlasha olmaydigan va mahalliy siqilish zaifroq bo‘lgan hududlardir. Bosim bilan kengaygan pufakchalar yoki bug‘ cho‘ntaklari bu hududlarda to‘planib, qatlamlararo nuqsonlarni kuchaytirgan.

CT va SEM qaysi ikki xil g‘ovak turini ko‘rsatgan?

Bu kuzatuv past bosim nafaqat jami g‘ovak miqdorini, balki bo‘shliqlarning o‘lchami, bog‘langanligi va qatlam chegaralari bilan munosabatini ham o‘zgartirishini ko‘rsatadi.

Mexanik namunalar qanday tayyorlangan?

Bosilgan bloklar tajriba sharoitlariga ko‘ra ishlab chiqarilgach, avvalgi tadqiqotda ta’riflangan atrof-muhitda quritish jarayoniga duchor qilingan. Qolipga quyilgan, biroq 3B bosilmagan namunalar ayni quritish jarayonidan o‘tkazilib, referens guruh sifatida ishlatilgan.

Bu usul materialning o‘ziga xos xatti-harakati bilan 3B bosmaning hosil qilgan qatlam chegaralari, yo‘nalishga bog‘liqligi va g‘ovaklar ta’sirini taqqoslashni maqsad qilgan.

Solishtirma mexanik xususiyatlar qanday baholangan?

Bosim kamaygani sari zichlik ham pasaygani sababli mustahkamlik va qattiqlik faqat mutlaq qiymatlar bilan emas, zichlikka bo‘lingan solishtirma qiymatlar bilan ham taqqoslangan:

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

Bu yerda \(X\) mustahkamlik, modul yoki energiya yutish qiymati; \(\rho\) esa namuna zichligidir.

Ushbu normallashtirishga qaramay bosim pasaygani sari solishtirma siqilish mustahkamligi, solishtirma siqilish moduli, solishtirma egilish mustahkamligi, solishtirma egilish moduli va solishtirma energiya yutish qobiliyati kamaygan. Bu natija mexanik yo‘qotish faqat materialning yengillashishidan kelib chiqmaganini; notekis, bog‘langan va qatlam chegaralarida to‘plangan nuqsonlar ham yuk ko‘taruvchi tarmoqni zaiflashtirganini ko‘rsatadi.

Qatlamlar mexanik yo‘nalishga bog‘liqlik hosil qilganmi?

Ha. Siqilish yuki qatlamlarga parallel va perpendikulyar qo‘llanganda turli solishtirma mustahkamlik va modul qiymatlari olingan. Bu bosilgan filamentlar va qatlamlararo aloqa hududlari yuk uzatishda turli rol o‘ynashini ko‘rsatadi.

Bosim pasaygani sari qatlam chegaralarida g‘ovak va notekislik to‘planishi oshgani uchun yo‘nalishga bog‘liqlik ham kuchaygan. Qatlam chegaralari, ayniqsa egilish vaqtida cho‘zilish yorig‘i boshlanishi uchun afzal nuqson hududlariga aylangan.

Nega gidrogel beton ko‘proq deformatsiya ko‘rsatgan?

Tadqiqotdagi taqqoslashda o‘xshash zichlikdagi yengil beton keskinroq kuchlanish–deformatsiya egri chizig‘i va cho‘qqidan keyin yanada to‘satdan sinishni ko‘rsatgan. HBC esa pastroq qattiqlik, yuqoriroq deformatsiya qobiliyati va asta-sekinroq shikastlanishni ko‘rsatgan.

Tadqiqotchilar bu xatti-harakatni quyidagi mexanizmlar bilan izohlaydi:

• Yumshoq gidrogel matritsasining katta deformatsiyaga uchrashi mumkinligi
• G‘ovaklarning yuk ostida bosqichma-bosqich siqilishi
• Mineral zarrachalarning ishqalanib qayta joylashishi
• Polimer matritsasining yoriq hosil bo‘lishi va rivojlanishini kechiktirishi
• Shikastlanishning bitta mo‘rt sinish o‘rniga turli hududlarda bosqichma-bosqich rivojlanishi

Shu sababli materialning asosiy ustunligi faqat cho‘qqi siqilish mustahkamligi emas. Past zichlik, nisbatan yuqori egilish/siqilish mustahkamligi nisbati va energiya yutish qobiliyatini birgalikda baholash kerak.

Nega mexanik natijalarning to‘liq qiymatlari berilmagan?

Yuklangan preprint versiyasida 10-shaklning asosiy grafiklari sahifaning yuqori chap qismida o‘qib bo‘lmaydigan darajada kichik joylashtirilgan va ayrim o‘q sarlavhalari sahifaning pastki qismida alohida qolgan. Matn bosim kamaygani sari barcha solishtirma mexanik mezonlar pasayishini aniq bildiradi, biroq to‘liq sonli qiymatlarni alohida jadval shaklida bermaydi.

Shu sababli ushbu maqolada grafik nuqtalari kattalashtirib taxmin qilinmagan. Natijalar faqat tadqiqot ochiq tarzda qo‘llab-quvvatlaydigan yo‘nalishli taqqoslashlar bilan berilgan.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan natijalar nimalar?

• Jelatin–regolit simulyanti aralashmasining ekstruziyasi uchun haroratga bog‘liq tor reologik oyna mavjud.
• Taxminan 34 °C ishlatilgan retsept va bosib chiqarish parametrlari uchun oqimchanlik bilan shaklni saqlash o‘rtasidagi eng muvozanatli sharoitdir.
• −20 °C atrof-muhit harorati bosim yetarlicha yuqori bo‘lganda filament uzluksizligini buzmay, shaklni saqlashni tezlashtira oladi.
• Muhit bosimi barqaror zich ekstruziyadan pufakcha kengayishli va flesh-qaynash bilan qo‘llab-quvvatlanadigan ekstruziyaga o‘tishni belgilaydi.
• 34 °C da taxminan 5,3 kPa dan past bosimlar suvning tez bug‘ hosil qilishi uchun qulay bo‘ladi.
• 0,01 atmosfera sharoitida material hali ham qo‘yilgan, biroq bosma yo‘li ko‘proq uzilgan va ichki tuzilma g‘ovakliroq bo‘lgan.
• Past bosimdagi g‘ovaklar qatlam chegaralarida to‘plangan va bosib chiqarish yo‘nalishiga bog‘liq mexanik xatti-harakatni kuchaytirgan.
• Bosim kamaygani sari zichlik, solishtirma mustahkamlik, qattiqlik, egilish ko‘rsatkichi va energiya yutish qobiliyati pasaygan.
• HBC o‘xshash zichlikdagi yengil sement betoniga nisbatan asta-sekinroq va deformatsiyaga chidamliroq sinish xatti-harakatini ko‘rsatgan.
• Ekstruziya bosimini saqlab, qo‘yilgan filamentni mahalliy sovitish jarayonni rivojlantirish uchun mantiqiy yo‘nalish sifatida taklif etilgan.

Tadqiqot nimani isbotlamaydi?

• Haqiqiy Mars regoliti ayni tarzda bosib chiqarilishi mumkinligini isbotlamaydi.
• Material haqiqiy Mars atmosferasining karbonat angidridga boy kimyoviy tarkibida xuddi shunday xatti-harakat qilishini ko‘rsatmaydi.
• Tirik yoki genetik jihatdan loyihalangan mikroorganizmlar bosib chiqarish vaqtida yashab qolishini isbotlamaydi.
• Bog‘lovchi Mars manbalaridan ishlab chiqarilganini ko‘rsatmaydi; tajribada tijoriy cho‘chqa terisi jelatini ishlatilgan.
• 1 kPa dan past bosim yoki −20 °C dan past bosib chiqarish haroratlarining ta’sirini sinamaydi.
• Kamaytirilgan Mars gravitatsiyasini taqlid qilmaydi.
• Radiatsiya, uzoq muddatli vakuum qarishi, yeyilish va termal sikllarga chidamlilikni baholamaydi.
• Bosilgan tuzilma suvni qanchalik saqlashi yoki qayta tiklashi mumkinligini ko‘rsatmaydi.
• To‘liq o‘lchamli yashash joyi yoki yuk ko‘taruvchi inshoot bosib chiqarilmagan.
• Ko‘p qatlamli namunalarning uzoq muddatli surilish, charchash yoki zarba xatti-harakatini o‘rganmaydi.
• Mexanik namunalar faqat Marsga o‘xshash muhitda qotirilgan yakuniy tuzilmani ifodalashini ko‘rsatmaydi; namunalar keyinchalik atrof-muhit sharoitida quritilgan.
• Yengil beton taqqoslanishi ayni laboratoriyada bir vaqtda ishlab chiqarilgan nazorat guruhiga emas, o‘xshash zichlikdagi e’lon qilingan beton ma’lumotlariga asoslangan.

Turkiya nuqtai nazaridan nega muhim?

Tadqiqotning eng muhim hissasi faqat Mars uchun yangi material taklif qilish emas. U bosim, material harorati va atrof-muhit sovitishini 3B ekstruziyada bir-biridan mustaqil boshqarish kerakligini tajribaviy ravishda ko‘rsatadi.

Bu yondashuv Turkiyada quyidagi tadqiqot yo‘nalishlariga moslashtirilishi mumkin:

• Kosmos va sayyora yuzasi inshootlari uchun robotlashtirilgan ishlab chiqarish
• Regolit va mineral simulyantlarni 3B bosib chiqarish
• Past haroratda beton va polimer kompozit ekstruziyasi
• Vakuum ostida suv saqlovchi materiallarning faza o‘zgarishi
• Falokat yoki inson kirishi cheklangan muhitlarda avtomatlashtirilgan qurilish
• Past zichlikli va energiya yutuvchi qurilish materiallari

Turkiyada olib boriladigan keyingi tadqiqotlarda mahalliy tayyorlangan mineral simulyantlar, turli biopolimerlar va xavfsizroq yoki barqarorroq bog‘lovchilar taqqoslanishi mumkin. Bosim nazorat qilinadigan nozul bilan faqat qo‘yilgan qatlamni sovitadigan hududiy tizimlardan foydalanish past bosimda flesh-qaynashni kamaytirib, qatlam barqarorligini saqlashi mumkin.

Haqiqiy qo‘llanishga yaqinlashish uchun kamaytirilgan gravitatsiya tajribasi, uzoq muddatli termal sikllar, radiatsiya, suvni qayta tiklash, avtomatik aralashtirish, katta miqyosli bosib chiqarish va strukturaviy ishonchlilik tahlillari zarur.

Tadqiqot usuli va natijalari

Tadqiqot dizayni

Tadqiqot material tayyorlash, boshqariladigan reologiya, ekologik kamera ichida bosib chiqarish, optik va termal tasvirlash, geometrik o‘lchash, rentgen tomografiyasi, elektron mikroskopiya va mexanik sinovlarni birlashtirgan tajribaviy qurilish materiali tadqiqotidir.

Bosim–harorat tajriba matritsasi

Asosiy tajriba topilmalari

Shakllarning ilmiy xabari

• 1-shakl: Gidrozol tayyorlash, regolit bilan aralashtirish, robotlashtirilgan ekstruziya, muhit ta’sirida qotirish va materialni qayta ishlashdan iborat konseptual Mars qurilish zanjirini ko‘rsatadi.
• 2-shakl: Isitilgan material rezervuari, havo o‘tkazmaydigan klapan, sovuq stol, ekologik kamera, optik kamera va infraqizil kameradan iborat maxsus bosib chiqarish platformasini ko‘rsatadi.
• 3-shakl: Harorat pasaygani va kutish muddati uzaygani sari oqish qarshiligi bilan elastik modul oshishini; taxminan 34 °C da bosma oynasi hosil bo‘lishini ko‘rsatadi.
• 4-shakl: Yuqori haroratda yoyilish va qulashni, past haroratda uzilib qolgan ekstruziyani va o‘rta haroratda barqaror bosma misollarini taqqoslaydi.
• 5-shakl: Barqaror, pufakcha kengayishli va flesh-qaynash bilan qo‘llab-quvvatlanadigan uchta bosim rejimini; 34 °C da taxminan 5,3 kPa suyuqlik-bug‘ chegarasini ko‘rsatadi.
• 6-shakl: Atmosfera, sovuq va past bosimli muhitlarda filamentlarning dastlabki 100 soniyadagi termal tasvirlari va harorat o‘zgarishini ko‘rsatadi.
• 7-shakl: Bir chiziqli uzluksizlik optimal sharoitda taxminan 1 ekanini; jellangan va 0,01 atmosferada bosilgan aralashmalarda bo‘shliqlar ko‘payishini ko‘rsatadi.
• 8-shakl: Qatlam soni, kenglik, aloqa nisbati va yoyilish koeffitsiyentining harorat hamda bosimga bog‘liq o‘zgarishini ko‘rsatadi.
• 9-shakl: Bosim pasaygani sari g‘ovaklilik oshishini; pufakcha manbali o‘rta g‘ovaklardan flesh-qaynash manbali ingichka g‘ovak tarmog‘iga o‘tishni ko‘rsatadi.
• 10-shakl: Siqilish, egilish, zichlik va solishtirma mexanik mezonlarni taqqoslash uchun tayyorlangan; biroq yuklangan versiyada asosiy grafik nihoyatda kichik va son jihatdan o‘qib bo‘lmaydigan holatda.

Tadqiqotning kuchli tomonlari

• Material harorati, atrof-muhit harorati va muhit bosimi bir-biridan mustaqil nazorat qilingan.
• Bosib chiqarish xatti-harakati faqat kuzatuv bilan emas, reologiya va termal tasvirlash orqali mexanistik tarzda izohlangan.
• Bir chiziqli va ko‘p qatlamli bosma alohida mezonlar bilan baholangan.
• Bosimning pasayishi shunchaki muvaffaqiyat/muvaffaqiyatsizlik emas, balki turli ekstruziya rejimlari ko‘rinishida tasniflangan.
• Ichki g‘ovaklar ham uch o‘lchamli CT, ham kichikroq miqyosda SEM bilan o‘rganilgan.
• Qatlam chegaralaridagi davriy g‘ovaklilik ko‘rsatilgan.
• Siqilish va egilish sinovlarida har bir guruh uchun kamida o‘nta namuna ishlatilgan.
• Bosilgan namunalar qolipga quyilgan referenslar bilan taqqoslangan.
• Mexanik xususiyatlar zichlikka normalizatsiyalanib, faqat yengillashish ta’siridan ajratishga urinish qilingan.

Tadqiqotning cheklovlari

• Tadqiqot peer-reviewdan o‘tmagan preprintdir.
• Tajriba materialida tirik mikroorganizmlar mavjud emas.
• Haqiqiy Mars regoliti o‘rniga faqat MGS-1 simulyanti ishlatilgan.
• Bog‘lovchi Marsda ishlab chiqarilgan biomaterial emas, balki tijoriy cho‘chqa terisi jelatinidir.
• Eng past tajriba harorati −20 °C, eng past bosib chiqarish bosimi 1 kPa.
• Atmosfera gazining kimyoviy tarkibi Mars atmosferasi sifatida qayta yaratilmagan.
• Barcha tajribalar Yer gravitatsiyasida bajarilgan.
• Bosilgan mexanik namunalar keyin atrof-muhit sharoitida quritilgan.
• Quritish protokoli tafsilotlari ushbu tadqiqot ichida to‘liq berilmagan, avvalgi tadqiqotga yo‘naltirilgan.
• Radiatsiya, uzoq muddatli vakuum, termal sikl va yeyilish baholanmagan.
• To‘liq o‘lchamli devor yoki yashash joyi ishlab chiqarilmagan.
• Yengil beton taqqoslanishi bir vaqtdagi nazorat tajribasiga emas, e’lon qilingan adabiyot ma’lumotlariga asoslangan.
• 10-shakl grafik joylashuvi xato bo‘lgani sababli to‘liq mexanik qiymatlarni tasdiqlab bo‘lmaydi.
• Xom tajriba ma’lumotlari va alohida ochiq ma’lumotlar ombori havolasi berilmagan.

Kelajakda zarur bo‘lgan tasdiqlashlar

• Bosim boshqariladigan yoki qisman bosimlashtirilgan nozulni ishlab chiqish
• Ekstruziyadan keyin faqat filamentni mahalliy sovitish
• Aralashmadagi erigan va qamalib qolgan gazlarni bosmadan oldin kamaytirish
• Pastroq suv nisbati va turli biopolimerlarni taqqoslash
• Haqiqiy karbonat angidridga boy atmosfera tarkibi ostida tajriba
• Kamaytirilgan gravitatsiya yoki parabolik parvoz tajribalari
• Radiatsiya va uzoq muddatli vakuumda qaritish
• Muzlash-erish va bosim sikllari
• Sublimatsiyalangan suvni yig‘ish va qayta ishlatish
• Tirik mikroorganizmlar saqlovchi LBM aralashmalarining bosma va yashovchanlik tajribalari
• Katta miqyosli robotlashtirilgan bosma va strukturaviy yuk sinovlari
• O‘qilishi mumkin bo‘lgan mexanik ma’lumot jadvallari va xom ma’lumotlarni ochiq ulashish

Manba va usul bo‘yicha izoh

Tadqiqotning to‘liq asl nomi: 3D printing of hydrogel-based concrete under combined subzero-temperature and near-vacuum conditions for Martian construction

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

Mualliflar tartibi: Ning Liu birinchi, Shing Chi Lam ikkinchi, Hau King Zhang uchinchi, Chaoyu Dou to‘rtinchi, Shaofeng Qin beshinchi, Yihong Tang oltinchi, Yiwei Weng yettinchi va Jishen Qiu sakkizinchi muallifdir.

Teng hissa ma’lumoti: Teng birinchi mualliflik yoki teng hissa bayonoti mavjud emas.

Mas’ul muallif: Jishen Qiu.

Muassasalar:

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

DOI: 10.2139/ssrn.7196756

SSRN yozuv raqami: 7196756

Yuklangan sana: 28 iyul 2026.

Sahifa soni: 29.

Jurnal: Ushbu versiya asosida peer-reviewli jurnalda nashr qilingani tasdiqlanmagan.

Nashr platformasi: SSRN.

Nashriyot: Ushbu versiya uchun nashriyot mavjud emas. SSRN Elsevier oilasidagi preprint platformasidir va o‘zini nashriyot deb ta’riflamaydi.

Manba turi: Reologiya, ekologik 3B bosma, termal tasvirlash, rentgen tomografiyasi, SEM va mexanik tajribalarni o‘z ichiga olgan, peer-reviewdan o‘tmagan muhandislik preprinti.

Rasmiy havola:https://ssrn.com/abstract=7196756

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

Muallif hissalari: Ning Liu; tadqiqot, metod, ma’lumotlarni tartibga solish, dasturiy ta’minot, formal tahlil, tasdiqlash, vizualizatsiya va dastlabki qoralama uchun mas’ul. Shing Chi Lam, Hau King Zhang, Chaoyu Dou, Shaofeng Qin va Yihong Tang tadqiqot va tasdiqlashga hissa qo‘shgan. Yiwei Weng tadqiqot, resurs va maslahat taqdim etgan. Jishen Qiu konseptuallashtirish, metod, resurs, maslahat, moliyalashtirish, ko‘rib chiqish va loyiha boshqaruvi uchun mas’ul.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Yuklangan tadqiqotda alohida va aniq manfaatlar to‘qnashuvi bayonoti mavjud emas.

Ma’lumotlarga kirish: Xom reologiya, bosma, CT va mexanik ma’lumotlar uchun ochiq ma’lumotlar ombori havolasi berilmagan.

Tahririy vizual izoh: 10-shaklning asosiy grafik qismi yuklangan versiyada o‘qib bo‘lmaydigan darajada kichraytirilgan va o‘q sarlavhalari grafikdan ajralgan. Shu sababli mexanik grafiklarning nuqtaviy qiymatlari ushbu maqolaga ko‘chirilmagan.

Ushbu maqola yuklangan tadqiqot matni, tajriba parametrlari, bosim–harorat xaritasi, reologiya grafiklari, infraqizil tasvirlar, bosma namunalari, rentgen tomografiyasi, SEM tekshiruvlari, mexanik tajriba bayonlari va tadqiqotchilarning mexanizm talqinlari asosida tayyorlangan. Tadqiqotda mavjud bo‘lmagan yangi tajriba natijasi, Mars missiyasi muvaffaqiyati, to‘liq o‘lchamli inshoot ko‘rsatkichi yoki uzoq muddatli xavfsizlik da’vosi qo‘shilmagan.

Tadqiqot peer-reviewdan o‘tmagan. Natijalar muayyan jelatin/MGS-1 retseptiga, 3 mm nozulga, 30 mm/s bosma tezligiga, Yer gravitatsiyasiga va laboratoriya miqyosidagi namunalarga tegishli. Haqiqiy Mars qo‘llanmasi uchun atmosfera tarkibi, past gravitatsiya, radiatsiya, uzoq muddatli vakuum, termal sikl, suvni qayta tiklash, biologik barqarorlik va to‘liq o‘lchamli strukturaviy tasdiqlash alohida talab qilinadi.