Techos corredizos en Marte: ¿plásticos estructurales transparentes duraderos más livianos que el vidrio para enviar desde la Tierra?

Comentarios debajo de esta respuesta a la pregunta ¿Cuál es más fácil de construir en Marte por kilómetro cuadrado? ¿Ventanas de invernadero o fotovoltaica/LED? discutir la posibilidad de usar plástico en lugar de vidrio para techos de invernaderos transparentes en Marte en cantidades de kilómetros cuadrados para contribuir a la producción de alimentos allí.

Si uno está enviando desde la Tierra, la masa es importante. Las densidades del vidrio transparente común y los materiales plásticos útiles para ventanas son de alrededor de 2,4 y 1,2 g/cm^3, por lo que podría enviar el doble de paneles de plástico que de vidrio si las dimensiones fueran iguales.

Pero no lo serán. El conjunto completo de la ventana debe soportar cierto diferencial de presión y aislar contra la pérdida de calor por radiación infrarroja al espacio a través de la delgada atmósfera marciana para mantener las plantas a su temperatura ideal para un crecimiento máximo. Por la noche, puede usar cubiertas aislantes opacas, pero mientras las ventanas dejan pasar la luz del sol, usted estará irradiando al espacio. Si no me cree, apunte un termómetro IR hacia un cielo azul durante el día, pero lejos del sol. Registrará ccc-frío!

Incluso en los rayos UV recibidos en la Tierra al nivel del mar, muchos plásticos envejecerán bajo la luz solar directa. Los rayos UV rompen los enlaces orgánicos más débiles del plástico. Los resultados son solarización, agrietamiento y debilitamiento estructural. En el flujo UV solar mucho más fuerte en la superficie de Marte, esto se acelerará.

¿Existen candidatos de plástico transparente conocidos para un "plástico de Marte" optimizado que podría reemplazar el vidrio como ventanas de invernadero de 15 años en Marte? ¿Serían lo suficientemente fuertes como para que el peso total del envío por kilómetro cuadrado fuera menor que el de los paneles de "vidrio de Marte" optimizado?

abajo: "Ventana de Lexan después de 7 años" (en la Tierra, por supuesto), de Lexan vs. Plexiglass .

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debajo × 3: "Este puerto de plexiglás tiene 38 años". (en la Tierra, por supuesto), de Lexan vs. Plexiglass .

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Un filtro de bloqueo UV sobre la ventana de plástico puede reducir el envejecimiento del plástico. Pero el filtro en sí también puede envejecer.
¿Loción de protección solar @Uwe para ventanas? :) Patentarlo ahora! er... no es mejor patentarlo más tarde y mantenerlo en secreto por ahora. Diecisiete años no es mucho tiempo.
Si visita el chat , mis cálculos muestran que el estadio de béisbol de la degradación UV en Marte es similar o inferior al de la Tierra. La radiación ultravioleta es aproximadamente el doble que en la Tierra (sin atmósfera pero con luz solar más débil), mientras que el oxígeno, que es esencial para la degradación, estaría presente solo en el interior del invernadero (reduciendo a la mitad el área afectada) y probablemente a una presión más baja y a una temperatura parcial más baja. presión (reduciendo aún más el efecto).
Además, los plásticos se pueden reciclar y rehacer en un proceso menos "industrial" que el requerido por el vidrio. (sin necesidad de hornos de alta temperatura). OTOH, la producción de vidrio de ISRU es más viable debido a que el plástico requiere una gran cantidad de hidrógeno, que no está fácilmente disponible en Marte. La sílice es abundante, y procesarla en vidrio es bastante sencillo (si requiere mucha energía).
@SF. por lo que he visto en las cristalerías, reciclar es muy fácil. Lo rompes, lo arrojas en un recipiente, lo derrites y lo viertes. Suponiendo que no haya energía eléctrica adicional, solo haga un horno solar. Un reflector de 3 o 4 metros en marte puede derretir unos litros de vidrio para volver a verterlo. Tal vez haya un plástico que también sea re-fundible/re-castabe y permanezca lo suficientemente transparente y fuerte, si es así identifíquelo y nómbrelo. En cuanto a la UV, todos los procesos dependen en gran medida de la longitud de onda. No se pueden construir argumentos a partir de "menos UV" o "más UV". Necesidad de comparar espectralmente.
@uhoh: "muy fácil" si puede alcanzar la temperatura de fusión del vidrio: 1400-1600 ° C. El horno no es exactamente un dispositivo de bolsillo. Y luego necesita formarlo, lo cual es bastante fácil para artículos pequeños, pero tomó hasta la revolución industrial para que los paneles de vidrio grandes fueran alcanzables.
@SF. oh, quieres vidrio templado ? Hmm... eso va a ser más difícil, sí. Afortunadamente, el vidrio no se degradará con los rayos ultravioleta como el plástico, ¡así que no necesitamos reciclarlo para empezar! Un horno solar de 3 metros de diámetro en Marte derretirá unos pocos litros de vidrio. Lo pones en un cilindro negro, cubres los lados y un extremo con aislamiento de fibra de vidrio, enfocas la luz del Sol en el otro lado del cilindro y obtienes la temperatura que necesitas.
@uhoh: y luego tienes un cilindro de vidrio fundido, ¿cómo lo usas? El vidrio era conocido por los antiguos fenicios. Los paneles de vidrio de más de un par de centímetros son una historia de poco más de un siglo.
@SF. Bien, has regresado al otro punto nuevamente. Por eso evito el chat. Por favor, publique una respuesta si tiene una. ¡Gracias!
@uhoh: acabo de señalar los problemas con el vidrio. Su pregunta se refiere a los plásticos transparentes que durarían 15 años. Creo que una lámina semitransparente que dura 3 años es el enfoque correcto. No tengo ninguna respuesta para tus 15 años de vida de plásticos transparentes. Usted parece insistir en estructuras rígidas similares a los invernaderos de vidrio, mientras que creo que las estructuras inflables y flexibles son mucho más viables.
¿Por qué debería ser un solo panel de vidrio o plástico? Las ventanas de los vehículos blindados son múltiples capas de vidrio y plástico. Para un techo corredizo estable y liviano, se debe considerar una construcción multicapa con elementos de nido de abeja. Dicho techo corredizo no debe ser perforado por pequeños meteoritos. Una descompresión explosiva del invernadero puede matar a un jardinero. Para evitar que las capas de plástico envejezcan con los rayos UV, la capa superior debe ser un filtro bloqueador de rayos UV. Pero reemplazar una ventana dañada debería ser posible sin evacuar todo el invernadero.
@Uwe, ¡tienes muy buenas ideas! ¿Piensas publicar una respuesta? Simplemente podría señalar que la premisa de la pregunta no es ideal, que una combinación laminada de plástico y vidrio podría ser mejor que solo vidrio o solo plástico. ¡Después de todo, mire las ventanas de los automóviles modernos! ¡Por favor considere publicar una respuesta!

Respuestas (1)

En la práctica, se utilizaría un enfoque compuesto, combinando las fuerzas de diferentes materiales.

Las capas requeridas se pueden resumir como:

  • Vejiga que contiene la atmósfera.
  • Una restricción de tejido abierto (cincha) para reducir la tensión de la membrana en la vejiga
  • Un escudo UV, abrasión y micrometeorito

La técnica general de construcción (sin escudo) es similar a la utilizada para los globos de superpresión como los del Proyecto Loon : Globo de súper presión de Project Loon.

La vejiga debe ser transparente y tener una buena resistencia a la tracción, la restricción debe tener una excelente resistencia a la tracción. La resistencia a la tracción del polietileno es solo algo así como 30MPa, mientras que los materiales como el Kevlar pueden tener una resistencia a la tracción de alrededor de 3600MPa. Una restricción más densa da como resultado una masa total reducida al asumir más tensión con la capa de restricción fuerte, pero a expensas de una transparencia reducida.

El escudo debe ser transparente, bloquear los rayos UV, razonablemente resistente a la abrasión y tener una alta probabilidad de proteger la membrana de los micrometeoritos, estos no son una amenaza tan grande en Marte como lo son en el espacio profundo, aquellos que no se desintegran durante la atmósfera. la entrada viajará a velocidad terminal, menos de 1 km/s. Estos aún podrían ser capaces de perforar una membrana delgada y, para un invernadero con un área medida en cientos de m ^ 2, los impactos de micrometeoritos son inevitables, aunque simplemente reparar cualquier perforación sería una estrategia viable siempre que la membrana sea resistente al desgarro.

Además, una de las capas debe tener una barrera radiante (revestimiento de baja emisividad) cuyo propósito es atrapar la energía infrarroja y mantener temperaturas nocturnas más cálidas. Por lo general, consiste en una capa extremadamente delgada de metal como la plata, estas barreras son frágiles y se degradan con el oxígeno, por lo que la capa debe estar en el exterior de la membrana o en el interior del escudo para que esté protegido tanto de la abrasión del polvo como del oxígeno. La masa de este recubrimiento es despreciable.

Un estudio, vinculado a continuación, estima la masa de la vejiga, la restricción y el escudo:1,22 kg/m^3 para membrana, 0,66 kg/m^2 para sujeción

Para una masa total de alrededor de 3 kg/m^2. No es mucho más liviano que el vidrio de una ventana, pero una ventana típica solo está diseñada para soportar cargas de viento de ~0.5kPa, no los 30kPa aproximados de un invernadero inflable.

Algunos PDF útiles están vinculados a continuación:

Estructuras transparentes inflables para aplicaciones de invernaderos en Marte (pdf)
Conceptos de ingeniería para invernaderos de superficie inflables en Marte (pdf)

Interesante, gracias por la discusión y los enlaces. No veo nada sobre una película de plata o metal en esos papeles, y no veo cómo eso funcionaría como una barrera térmica y al mismo tiempo sería lo suficientemente delgado como para servir como una ventana para un invernadero. ¿Es posible elaborar?
Agregué un poco a la respuesta, pero es básicamente su revestimiento típico de baja emisividad que refleja el infrarrojo lejano (y tal vez el infrarrojo cercano) para que la luz visible pueda entrar y el infrarrojo quede atrapado, esto es particularmente relevante para mantener temperaturas cálidas durante la noche. Algunos conceptos de invernadero implican una cubierta aislante que se despliega por la noche, lo que podría cumplir esta función. Además, es probable que todos los invernaderos requieran al menos algo de calefacción activa, si hay un exceso de calor residual que se va a verter en el invernadero, entonces hay menos/no hay necesidad de atrapar infrarrojos.
¡Gracias de nuevo! No he oído hablar de un recubrimiento de tan baja emisividad que esté hecho de plata y sea transparente en el visible pero que refleje el infrarrojo lejano, pero siempre que la frecuencia del plasma esté en algún lugar entre vis e IR térmico, debería funcionar. Leeré un poco más al respecto.
@uhoh, en realidad no es diferente al recubrimiento dorado en los cascos de los trajes espaciales, es transparente porque es muy delgado, pero los fotones de longitud de onda más larga interactúan fuertemente con los átomos metálicos (como la forma en que las microondas pueden ser bloqueadas por una malla metálica)
@Blake Walsh Usted dice que los micrometeoritos "no son una amenaza tan grande en Marte como lo son en el espacio profundo, aquellos que no se desintegran durante la entrada a la atmósfera viajarán a una velocidad terminal, menos de 1 km / s". Tienes una referencia para eso? Si no, ¿puede explicar la física que llevó a esa conclusión? Estoy muy interesado en esto en relación con el daño potencial a los techos rígidos de invernadero. Ver: space.stackexchange.com/questions/49657/…
Techos corredizos en Marte: ¿plásticos estructurales transparentes duraderos más livianos que el vidrio para enviar desde la Tierra?
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