كيف سيصنع المستوطنون الأوائل للمريخ موائل بالتربة

عندما يتعلق الأمر بالبشر الذين يزورون المريخ ويحتاجون إلى مكان للإقامة ، فإن لدى ناسا خطة طموحة: لاستخدام المواد الخام الموجودة على الكوكب لطباعة ثلاثية الأبعاد لموئل في الموقع. كان هذا هو موضوع تحدي الموطن ثلاثي الأبعاد الذي أطلقته الوكالة قبل بضع سنوات ، والذي دعا فرقًا من المصممين لتقديم أفضل حل للمشكلة.

محتويات

  • استخدام الموارد المحلية
  • كيف تطبع موطنًا ثلاثي الأبعاد
  • تحديات البناء على المريخ
  • دور العمارة
  • الذهاب تحت الأرض

إذن كيف يمكننا بالضبط تحويل مجموعة من غبار المريخ إلى منزل مريح؟ لمعرفة الإجابة ، تحدثنا إلى خبيرين شاركا في تلك المسابقة - المهندس Trey Lane من فريق Zopherus الفائز والمهندس ماثيو ترومنر من فريق جامعة نورث وسترن - حول كيفية تصميم وبناء موطن آخر كوكب.

مقاطع الفيديو الموصى بها

هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ، سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ.

استخدام الموارد المحلية

الوصول للمختبر الخارجي zopherus
فريق زوفيروس / ناسا

عند التخطيط لأ موطن كوكب المريخ، أكبر قيد هو كمية المواد التي يمكنك إحضارها من الأرض. كل غرام إضافي من الكتلة يتم تحميله على صاروخ له تكلفة كبيرة من حيث الوقود ، لذلك ليس من المجدي جلب مواد البناء للمبنى. لهذا السبب يجب بناء الموائل الأولى باستخدام المواد الخام المتوفرة محليًا على سطح المريخ.

إنها بالتأكيد طريقة مختلفة للتعامل مع البناء ، كما أخبرنا تري لين ، المهندس المعماري من فريق زوفيروس الفائز بالمسابقة.

"من وجهة نظر المهندس المعماري ، هناك قدر معين من الحرية التي تنفتح عند الطباعة ثلاثية الأبعاد."

في أبحاثه المبكرة ، لم يجد لين الكثير في طريق مشاريع الطباعة ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق باستخدام المواد المحلية ، لذلك لجأ إلى مصدر غير متوقع للإلهام: الحشرات. قال: "بدأنا في النظر إلى الدبابير والعناكب والخنافس". "لمئات الملايين من السنين ، كانوا يقومون بالطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي لإنشاء الموائل." الحشرات تخرج إلى البيئة ، تجد الموارد ، ومعالجتها في مواد قابلة للاستخدام ، وبناء أكثر الموائل العملية لتلبية احتياجاتهم - تمامًا مثل ما أراد لين القيام به. "لقد وجدنا ، بصراحة ، أن الحشرات هي نماذج أفضل لكيفية إنشاء موطن لاستخدام الموارد المحلية المطبوعة بطباعة ثلاثية الأبعاد ومستقل ذاتيًا مقارنة بالبشر."

تصور فريقه موطنًا يشمل المركبات الجوالة التي ستخرج إلى البيئة وتجمع المواد ، ثم تعيدها مرة أخرى لمزيد من البناء. "من نواح كثيرة ، يشبه الأمر دبورًا يذهب ويمضغ القليل من الموارد المحلية ويحول ذلك إلى معجون ورقي ويبني عشه من ذلك."

روفر دوزر المريخ
جامعة نورث وسترن

هناك مزايا لتطبيق هذا النهج في البناء ، سواء على المريخ أو على الأرض. قال: "حقيقة أنك تستخدم الموارد المحلية تحدث فرقًا كبيرًا في مهمات الفضاء". بدلاً من الاعتماد على سلاسل التوريد الطويلة ، يمكنك أن تكون أكثر كفاءة من حيث المواد والطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر نهج الطباعة ثلاثية الأبعاد أكثر أمانًا من البناء التقليدي. "البناء صناعة معرضة للمخاطر... لذلك إذا كان بإمكانك القيام بجوانب معينة من ذلك بشكل مستقل ، فستكون لديك ميزة تتعلق بالسلامة أيضًا."

يمكن أيضًا أن تكون الطباعة ثلاثية الأبعاد أسرع وأرخص ، وهناك درجة من حرية التصميم تتيحها. قال: "من وجهة نظر المهندس المعماري ، هناك قدر معين من الحرية التي تنفتح عند الطباعة ثلاثية الأبعاد". لست مضطرًا إلى الاعتماد على المواد التي يتم إنتاجها بكميات كبيرة مثل 2 × 4 ، والتي تميل إلى أن تكون مسطحة ومستقيمة ، حتى تتمكن من تصميم أشكال أكثر تعقيدًا. "إنه يوفر لك الحرية لإنشاء تصميم مناسب للحل بشكل مخصص."

كيف تطبع موطنًا ثلاثي الأبعاد

عندما تفكر في الطباعة ثلاثية الأبعاد ، فمن المحتمل أن تفكر في جهاز سطح مكتب لطباعة العناصر التي يبلغ عرضها بضع بوصات. عندما يتعلق الأمر بالطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق البنية التحتية ، فأنت بحاجة إلى أجهزة أكبر بكثير ، لكنها متشابهة من الناحية المفاهيمية العملية - "من حيث أنك ستستخدم برنامجًا مشابهًا ، فإنك تستخدم تقنيات حركة مماثلة" ، مثل ماثيو ترومنر ، دكتوراه. مرشح في جامعة نورث وسترن وقائد فريق موئل المريخ بالجامعة.

يكمن الاختلاف في طريقة إيداع المواد. تستخدم طابعات سطح المكتب ثلاثية الأبعاد طريقة ترسيب مدمجة ، "تشبه في الأساس خيطًا بلاستيكيًا ذائبًا" ، على حد قول ترويمنر. وعلى الرغم من أنه من الممكن توسيع نطاق هذا الأمر ، إلا أنه من أجل الطباعة على المريخ ، أراد فريق Troemner استخدام نوع مختلف من المواد يسمى الخرسانة المرنة ، أو الخرسانة الخاصة بالمريخ. وأوضح قائلاً: "نحن نقوم بخلط المواد مسبقًا ، ونصنع نوعًا من المعجون ، ثم نبثقه" قبل السماح لها بالتعافي أو التصلب.

Northwestern Marscrete قبل وبعد الاختبار
جويل وينترمانتل / جامعة نورث وسترن

يُصنع المرسكريت عن طريق خلط الثرى المريخي - المادة المتربة الشبيهة بالتربة التي تغطي سطح الكوكب - بالكبريت. تُستخدم الخرسانة الكبريتية على الأرض منذ عقود وهي قوية ومقاومة للتآكل ، مما يجعلها مثالية للبناء على سطح المريخ. بمجرد مزجها ، يمكن وضعها في أشكال لتشكيل موطن.

قال: "بالنسبة للمريخ أو تطبيقات الفضاء ، سيكون لديك نوع من الذراع التي تتحرك وترسب المواد". على الأرض ، تعتبر آليات نمط الذراع أقل شيوعًا من الآليات ذات النمط العملاق للطباعة على نطاق واسع لأنها لا يمكنها الطباعة إلا بحجم محدود - بشكل أساسي ، مدى وصول الذراع. ولكن كلما زادت تعقيد أجهزة الطباعة ، زادت الأشياء التي يمكن أن تسوء. هناك قيمة في إبقاء الأشياء بسيطة قدر الإمكان عند البناء على كوكب آخر.

شمال غرب روبوت الطباعة ثلاثية الأبعاد
جامعة نورث وسترن

اقترح فريق Troemner استخدام وعاء ضغط قابل للنفخ - في الأساس ، بالون ضخم وقوي - والذي سيتم ملؤها بالهواء لتشكيل شكل قبة ، مع آلية ذراع تستخدم لطباعة الخرسانة فوقها. يحافظ وعاء الضغط على دخول الهواء وإخراجه من الإشعاع ، كما أن طبقة الخرسانة تجعل الهيكل قويًا ومتينًا.

تحديات البناء على المريخ

المريخ غير مضياف لكل من البشر والمباني. كبداية ، هناك تقلبات في درجات الحرارة على الكوكب ، حيث تتراوح درجات الحرارة حول خط الاستواء بين مرتفع 70 درجة فهرنهايت (21 درجة مئوية) أثناء النهار إلى 100 درجة فهرنهايت تحت الصفر (ناقص 73 درجة مئوية) عند ليلة. هذا يضع الكثير من الضغط على مواد البناء.

قال ترويمنر: "أردنا أن يكون لدينا هياكل يمكن أن تتوسع وتتقلص بشكل مستقل عن بعضها البعض" ، للسماح بالتوسع والانكماش خلال ليالي المريخ شديدة البرودة والأيام الدافئة نسبيًا. ويجب أن تكون الهياكل قوية بما يكفي لتحمل تراكم الغبار من تواتر الكوكب عواصف رملية. "إذا كان لديك كومة من الرمل على نصف هيكلك ، لديك حالة تحميل غير متوازنة ، فماذا سيفعل ذلك؟" هو شرح. يمكن أن تؤثر العواصف الترابية أيضًا على البناء ، مما يعني أن هناك حاجة للسماح بالتوقف عن العمل.

1 ل 3

جامعة نورث وسترن
جامعة نورث وسترن
جامعة نورث وسترن

لهذا السبب جاء فريق Troemner بفكرة القباب. قال "القباب شكل جيد للتمدد الحراري وكذلك لتراكم الكثبان الرملية" ، وهي توزع الأحمال بشكل جيد للغاية. يحصل البناة في الواقع على القليل من المساعدة من خلال انخفاض الجاذبية على المريخ أيضًا ، "لذلك تحتاج إلى عدد أقل من العناصر الهيكلية ، فأنت بحاجة إلى قطعة أخف من المعدات."

تتمثل إحدى المشكلات الكبيرة في كيفية حماية رواد الفضاء المريخيين من الإشعاع الخطير. قال ماثيو: "الثرى المريخي ليس حقًا ممتازًا في الحماية من الإشعاع الذي قد تتعرض له على السطح". سيكون لتصميم القبة ما بين قدم وثلاثة أقدام من المواد بين الأشخاص داخل الموطن والبيئة الخارجية ، لكن هذا لن يكون كافيا لحماية رواد الفضاء بالداخل.

تساعد إضافة الكبريت إلى الثرى لصنع الخرسانة المستخرجة ، لكن الفريق أضاف أيضًا ألياف البولي إيثيلين إلى المزيج ، مما يزيد من تأثير التدريع. من أجل التدريع الكامل ، سيكون للهيكل الداخلي المتضخم المزيد من البولي إيثيلين أيضًا. يمكن تفكيك هذا البولي إيثيلين من بطانة المركبة الفضائية غير المأهولة التي ستنقل الموجة الأولى من الإمدادات إلى المريخ.

دور العمارة

لا يقتصر تصميم الموطن على التحديات الهندسية فقط. يتعلق الأمر أيضًا بإنشاء مساحة يمكن للناس أن يعيشوا ويعملوا فيها بشكل مريح لفترة طويلة من الزمن ، ربما أثناء تعرضهم للكثير من التوتر أو في حالة عزلة عميقة.

تم تقسيم موطن فريق Zopherus إلى ثلاث وحدات: مختبر للعمليات العلمية ، ووحدة مجتمعية ، وطاقم وحدة لاحتياجات مثل الصرف الصحي وأماكن النوم ، مع إمكانية إضافة المزيد من الوحدات على أساس المهمة الاحتياجات.

1 ل 2

فريق زوفيروس / ناسا
فريق زوفيروس / ناسا

لقد أرادوا المساحة لدعم كل من الاحتياجات العملية والاحتياجات النفسية لرواد الفضاء المقيمين هناك ، وهو ما انعكس في كيفية تصميمهم للوحدة المشتركة. قال: "لقد وجهنا حقًا تلك المساحة حول فتحة كبيرة في المستوى العلوي". تسمح النافذة الكبيرة لرواد الفضاء بالنظر إلى سطح المريخ مع البقاء بأمان وراحة في الداخل. "أردنا تعظيم قدرة رواد الفضاء على رؤية محيطهم والتواصل معه."

هذا مهم لإكمال المهام مثل ، على سبيل المثال ، استخدام ذراع ميكانيكية لتحريك الأشياء في الخارج. ولكن هناك فائدة نفسية كبيرة أيضًا. "إذا كنت محبوسًا في مساحة تبلغ حوالي ألف قدم مربع لمدة عام على كوكب يريد قتلك في كل مكان باستثناء المكان الذي تعيش فيه ، فإن الشعور بأنك لست في علبة هو أمر مفيد حقًا ".

لا يتعلق التصميم لإفادة رواد الفضاء من الناحية النفسية بجعل مبنى جذابًا من أجله ، ولكنه يتعلق بإيجاد أفضل حل لمشكلة التصميم.

أضاف الفريق أيضًا حديقة الزراعة المائية إلى هذه المساحة حتى تحصل النباتات على الضوء وهكذا سيستمتع رواد الفضاء الذين يمشون في الأسفل بالانقطاع النفسي للشعور كما لو كانوا يسيرون في أ مساحة مشجرة. بالنسبة إلى لين ، فإن تحقيق التوازن بين هذا التقاطع بين الاحتياجات العملية والنفسية هو مهمة أساسية للمهندس المعماري. قال "المهندسين المعماريين يتعاملون بين احتياجات البشر والبيئة المادية". "البيئة المادية التي يعيش فيها شخص ما تؤثر عليه نفسيا وعمليا أيضا."

الطريقة التي كان يفكر بها في الأمر لم تكن من منظور احتياجات إرسالية منفصلة واحتياجات نفسية. بدلاً من ذلك ، يرى هؤلاء على أنهم مترابطون. قال: "هذه الاحتياجات النفسية هي في الواقع احتياجات عملية عندما تتعامل مع إنسان". "لأن نفسية رواد الفضاء تؤثر بشكل مباشر على أدائهم في المهمة."

فريق زوفيروس / ناسا

لا يتعلق التصميم لإفادة رواد الفضاء من الناحية النفسية بجعل مبنى جذابًا من أجله ، ولكنه يتعلق بإيجاد أفضل حل لمشكلة التصميم. وأشار إلى الأناقة والجمال في كثير من جوانب هندسة الفضاء. قال: "هناك حقًا شيء جميل في التصميم يناسب المشكلة جيدًا" ، على غرار الجمال المتأصل في العديد من الأشكال العضوية. "اتباع القيود العملية لمشكلة التصميم ، مع مراعاة صحة الركاب و ينتج عن العافية وعلم النفس شيئًا ربما يكون تصميمًا أكثر إرضاءً من الناحية الجمالية ".

قال: "يمكنك أن تذهب بعيدًا في صنع شيء جميل". "لكن جعلها تعمل بشكل جيد بالنسبة للشخص الذي سيعيش فيها ، بالنسبة لي ، هو اعتبار عملي للغاية."

الذهاب تحت الأرض

اتفق الخبيران على أن مستقبل تصميم موطن المريخ له العديد من الاحتمالات ، بما في ذلك احتمال التحرك تحت السطح. إنشاء قاعدة تحت الأرض له العديد من المزايا ، مثل الحفاظ على الناس في مأمن من العواصف الإشعاعية والترابية. لكن لديها تحدياتها أيضًا.

وقال ترويمنر عندما يتعلق الأمر بالبناء تحت الأرض ، "لا يزال هناك الكثير من الأشياء المجهولة". هناك الكثير الذي لا نعرفه عن تكوين باطن سطح المريخ وكيفية البناء في تلك البيئة. "على الأقل بالنسبة للخطوة الأولى ، إذا كنا نتحدث عن المستقبل القريب ، فإن شيئًا ما على السطح يكون أكثر منطقية لأنه لا توجد نفس مستويات المجهول كما هو الحال عند التنقيب."

بمجرد أن نكون على سطح المريخ لفترة من الوقت ، قد يتغير ذلك. "على المدى الطويل ، بعد إنشاء الهياكل الأولية القليلة ، ربما كان لديك المزيد من المركبات الجوالة على السطح ، ربما كان لديك رواد فضاء على السطح ، فربما تكون القاعدة تحت الأرض هي السبيل للذهاب في المستقبل ، "قال.

وافق لين. كان يعتقد أن المهمة الأولى إلى المريخ قد تشمل بقاء الناس في "أشياء على السطح تأتي في الغالب من الأرض" ، مثل بعثات أبولو إلى القمر. ولكن بالنسبة لعدد أكبر من الأشخاص الذين يقيمون لفترات أطول ، فأنت بحاجة إلى المزيد من البنية التحتية الدائمة. قال: "في هذه المرحلة ، تبدأ بالذهاب إلى تحت الأرض أو الطباعة ثلاثية الأبعاد لموائلك".

في النهاية ، تصور لين مجموعة واسعة من الموائل التي صممتها وبنيت من قبل وكالات أو شركات فضائية مختلفة. قال: "سنرى المزيد من التنوع في موائلنا التي نقوم بإنشائها ، لأن احتياجاتنا ستكون أكثر تنوعًا ، وسنحتاج إلى استيعاب المزيد من الحجم". من هذا التنوع ، سنتعلم المزيد حول أفضل طريقة للعيش على كوكب آخر ، مما سيساعدنا في بناء موائل أفضل في المستقبل. "هذا شيء أنا متحمس له حقًا ، في العقود القادمة من البشر الذين يغامرون بالخروج إلى القمر والمريخ."

هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ، سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ.

توصيات المحررين

  • الاتصالات الكونية: كيف سيتواصل البشر الأوائل على المريخ مع الأرض
  • علم النفس الفلكي: كيف تبقى عاقلًا على المريخ
  • أجواء اصطناعية: كيف سنبني قاعدة بهواء قابل للتنفس على سطح المريخ
  • الزراعة الفلكية: كيف سنزرع المحاصيل على المريخ
  • غبار المريخ مشكلة كبيرة لرواد الفضاء. وإليك كيف تحاربها وكالة ناسا