Weltraumforschung der ESA: Beton mischen im Weltall

Wie verhält sich Beton im All? ESA-Astronaut Matthias Maurer hat es im Rahmen eines Experiments ausprobiert. Den Betonmischer dazu hat die Hochschule Luzern (HSLU) entwickelt. Das Baublatt hat nachgefragt, wie es dazu kam.

Quelle: ESA NASA

ESA-Astronaut Matthias Maurer rührte bei seiner Ende August abgeschlossenen Weltraummission auf der Internationalen Raumstation ISS unermüdlich Beton mit unterschiedlichen Zuschlägen an.

Ob die Menschheit jemals auf dem Mond bauen wird, steht in den Sternen. Wie sich aber Beton im Weltraum verhält, das testet man schon heute. ESA-Astronaut Matthias Maurer rührte bei seiner Ende August abgeschlossenen Weltraummission auf der Internationalen Raumstation ISS jedenfalls unermüdlich Beton mit unterschiedlichen Zuschlägen an. Auf diese Weise will man herausfinden, was mit Beton passiert, wenn er unter Null Gravitation angemischt wird und erhärtet.

Denn auf der Erde wird die Erhärtung stark von der Schwerkraft beeinflusst. «Mit Computertomografie-Aufnahmen sieht man etwa auf den ersten Blick, dass sich die Proben von der Erde von denen der ISS durch die andere Verteilung der Luftblasen und Poren unterscheiden», so Karsten Tell vom Institut für Theoretische Physik der Universität zu Köln. Die Forscher wollen deshalb die chemischen und physikalischen Prozesse besser verstehen lernen.

Betonmischen in Handarbeit

Den Betonmischer dafür hat ein Team um Bernd Rattenbacher von der Hochschule Luzern (HSLU) in Zusammenarbeit mit der Universität Duisburg-Essen und der Universität zu Köln entwickelt. Der Betonmischer muss die strengen Vorschriften der ISS erfüllen und verfügt daher gleich über drei Sicherheitsstufen. Rattenbacher hat auch dafür gesorgt, dass Beton und Betonmischer sicher ins All gelangten.

Rattenbachers Job ist es normalerweise, Experimente, die Wissenschaftler für die Raumstation entwickeln, weltraumtauglich zu machen. Ganze Maschinen entwickelt er dafür aber eher selten. Meist geht es darum, Methoden zu entwickeln, wie die Experimente im All mit all den nötigen Sicherheitskonzepten erfolgreich durchgeführt werden können.

Quelle: Bernd Rattenbacher HSLU

Gut sechzig dieser eigens entwickelten Betonmischer waren auf der Internationalen Raumstation ISS.

Im Beutel geht es nicht

In das Thema Beton musste sich Rattenbacher erst einmal hineinfuchsen. «Anfangs hatten wir die Idee, dass der Beton einfach staubsicher in einem Beutel angerührt wird und dort erhärtet. Da hat man uns dann aber sehr schnell klar gemacht, dass es eine feste, normierbare Form braucht, wenn man die Ergebnisse auch sinnvoll auswerten will.»

Die Bedingungen waren also klar. Es musste mit mindestens drei Sicherheitsstufen abgesichert werden, dass keinerlei Zementstaub in die Raumstation entweicht, den den hätte man kaum je wie-der aus der Luft entfernen können. Dieser Aspekt wurde schliesslich so gelöst, dass der Betonmischer selbst zwei Sicherheitsstufen hat und darüber noch ein dichtes Zelt mit integrierten Handschuhen errichtet wird, wie man es aus Hochsicherheitslaboren kennt, die mit gefährlichen Viren hantieren müssen.

Die zweite Schwierigkeit: Wenn man in der Schwerelosigkeit Wasser einfach auf ein Zement-Sand-Gemisch kippt, kriegt man das nie und nimmer zu einer homogenen Masse vermischt. Die Lösung? «Die Stange, die das Mischerblatt führt, haben wir hohl ausgestaltet. So kann Maurer darüber das Wasser mit einer Spritze injizieren. Der Zement kann das Wasser auf diese Weise über die Kapillarkräfte aufnehmen.» In jeder der Betonproben musste ESA-Astronaut Maurer dann noch zwei Minuten geduldig das Rührblatt kurbeln, bis alle Komponenten ausreichend vermischt waren.

Quelle: NASA ESA

Das Mischen erfolgte unter aufwendigen Sicherheitsmassnahmen. Keinesfalls durfte Betonstaub in die Raumstation entweichen, da dieser kaum wieder aus der Luft hätte entfernt werden können.

Portlandzement im All

Für die Versuche im All wurden Portlandzemente CEM I 42,5 N und 52,5 R verwendet. Als Gesteinskörnung kam Sand, Quarzsand oder Mondregulit – ein Granulat, das dem Mondstaub nachempfunden ist – zum Einsatz. Den verschiedenen Mischungen fügte Maurer dann Wasser hinzu, das zum Teil mit Fliessmittel oder Luftporenbildner vermischt war. Rattenbacher und seine Kollegen füllten jeweils exakt 54 Gramm Material unterschiedlicher Zusammensetzung in jeden Mischer.

Insgesamt haben sie an die dreihundert Mini-Betonmischer aus den nötigen Einzelteilen in Handarbeit zusammengebaut. Viele davon wurden für Referenzversuche gebraucht, weitere zum Nachweis, dass die nötigen Sicherheitsanforderungen erfüllt sind. Nur 64 Betonmischer reisten schliesslich zur Raumstation ins All.

Video zum Weltall-Versuch. (Quelle: European Space Agency, ESA)

Andere Verteilung der Poren

Wozu nun das Ganze? Für die Festigkeit von Beton ist neben dem Mischverhältnis und der Armierung das Aushärten des Materials entscheidend. Dieser ist entscheidend für die Anordnung der Bestandteile im Inneren des Betons sowie die Verteilung von eingeschlossenen Luftblasen. Die Aushärtung wird auf der Erde stark von der Gravitation beeinflusst. Für die Materialforschung ist es daher interessant, wie sich diese Mischung aus versintertem Kalk und Ton, Sand und Wasser ohne diesen Einfluss verhält.

Da die Erstarrungs- und Trocknungsprozesse des Betons Wochen dauern können, ist die Forschung auf der Internationalen Raumstation so wichtig. Hier herrschen dauerhaft die gleichen Bedingungen von Null Gravitation. Jetzt warten die Wissenschaftler geduldig, dass Maurers Betonproben aus den USA zurück nach Europa geschickt werden.

Das dauert erfahrungsgemäss einige Wochen. Erst dann können sie sich an die Auswertung machen. Dann werden Drucktests, Tomographie und all die anderen Tests durchgeführt, die es braucht, um die Eigenschaften des im Weltraum produzierten Betons zu messen.

Quelle: ESA NASA

Für die Versuche im All wurden Portlandzemente CEM I 42,5 N und 52,5 R verwendet. Als Gesteinskörnung kam Sand, Quarzsand oder Mondregulit – ein Granulat, das dem Mondstaub nachempfunden ist – zum Einsatz.