Как първите заселници на Марс ще направят местообитания с пръст

Когато става въпрос за хора, които посещават Марс и се нуждаят от място, където да останат, НАСА има амбициозен план: да използва суровини, открити на планетата, за 3D отпечатване на местообитание на място. Това беше предметът на 3D-Printed Habitat Challenge, който агенцията стартира преди няколко години, който покани екипи от дизайнери да представят най-доброто си решение на проблема.

И така, как точно да трансформираме куп прах от Марс в удобен дом? За да разберем, разговаряхме с двама експерти, участвали в това състезание - архитект Трей Лейн от печелившия отбор Zopherus и инженер Матю Троемнер от екипа на Северозападния университет - за това как да проектираме и изградим местообитание върху друго планета.

Тази статия е част от Живот на Марс, поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс.

Използване на местни ресурси

Когато планирате a местообитание за Марс, най-голямото ограничение е колко материал можете да донесете от Земята. Всеки допълнителен грам маса, зареден на ракета, има значителна цена по отношение на горивото, така че просто не е възможно да вземете със себе си строителни материали на стойността на една сграда. Ето защо първите местообитания ще трябва да бъдат изградени с помощта на суровини, налични на местно ниво на Марс.

Това със сигурност е различен начин да се подходи към строителството, както ни каза Трей Лейн, архитект от спечелилия състезанието Team Zopherus.

В ранните си изследвания Лейн не намери много по пътя на широкомащабни проекти за 3D печат, използващи местни материали, така че той се обърна към неочакван източник за вдъхновение: насекомите. „Започнахме да разглеждаме оси, паяци и бръмбари“, каза той. „В продължение на стотици милиони години те са правили основно 3D принтиране, за да създадат местообитания.“ Насекомите излизат в околната среда, намерете ресурси, да ги преработи в използваем материал и да изгради най-практичното местообитание, за да отговори на техните нужди - точно както искаше да направи Лейн. „Открихме, честно казано, че насекомите са по-добри модели за това как да се изгради 3D-отпечатано, автономно местообитание, използващо местните ресурси, отколкото хората.“

Неговият екип предвиждаше местообитание, включващо роувъри, които излизаха в околната среда и събираха материали, след което ги връщаха за по-нататъшно строителство. „В много отношения това е като оса, която отива и дъвче малко местни ресурси и го превръща в папиемаше и изгражда гнездото си от него.“

Има предимства за прилагането на този подход към строителството, независимо дали на Марс или на Земята. „Фактът, че използвате местни ресурси, прави огромна разлика за космическите мисии“, каза той. Вместо да разчитате на дълги вериги за доставки, можете да бъдете много по-ефективни по отношение на материали и енергия. Плюс това подходът на 3D печат е по-безопасен от традиционното строителство. „Строителството е индустрия, податлива на риск... Така че, ако можете да правите определени аспекти от това автономно, имате и полза за безопасността.“

Освен това може да бъде по-бързо и по-евтино за 3D отпечатване и има известна степен на свобода на дизайна, която позволява. „От гледна точка на архитекта има известна свобода, която се отваря, когато печатате 3D“, каза той. Не е нужно да разчитате на масово произвеждани материали като две на четири, които обикновено са плоски и прави, така че можете да проектирате по-сложни форми. „Освобождава ви да създадете дизайн, който е персонализиран за решението.“

Как да отпечатате 3D местообитание

Когато мислите за 3D печат, вероятно мислите за настолна машина за отпечатване на елементи с ширина няколко инча. Когато става въпрос за 3D печат в инфраструктурен мащаб, имате нужда от много по-голям хардуер, но той е концептуално подобен процес – „в случай, че използвате подобен софтуер, ще използвате подобни техники за движение“, както Матю Троемнер, Ph.D. кандидат в Северозападния университет и ръководител на университетския екип за местообитания на Марс, обясни.

Разликата е в начина на депониране на материала. Настолните 3D принтери използват метод на разтопено отлагане, „който по същество е като разтопена пластмасова връв“, каза Троемнер. И въпреки че е възможно това да се увеличи, за отпечатване на Марс, екипът на Troemner искаше да използва различен тип материал, наречен marscrete или марсиански бетон. „Ние предварително смесваме материала, създаваме вид паста и след това го екструдираме“, преди да го оставим да се втвърди или втвърди, обясни той.

Marscrete се получава чрез смесване на марсиански реголит - прашното вещество, подобно на почва, което покрива повърхността на планетата - със сяра. Серният бетон се използва на Земята от десетилетия и е здрав и устойчив на износване, което го прави идеален за строителство на Марс. След като се смеси, може да се постави във форми, за да се образува местообитание.

„За Марс или космически приложения ще имате някаква ръка, която се движи и отлага материал“, каза той. На Земята механизмите в стил ръка са по-малко популярни от механизмите в стил портал за широкомащабен печат, тъй като те могат да печатат само в ограничен размер - по същество, обсега на ръката. Но колкото по-сложен е хардуерът за печат, толкова повече неща могат да се объркат. Има смисъл да поддържате нещата възможно най-прости, когато строите на друга планета.

Екипът на Troemner предложи използването на надуваем съд под налягане - по същество гигантски, здрав балон - който ще бъде изпълнен с въздух, за да образува куполообразна форма, с раменен механизъм, използван за отпечатване на marscrete върху това. Съдът под налягане задържа въздуха вътре и радиацията навън, а marscrete прави структурата здрава и издръжлива.

Предизвикателствата на строителството на Марс

Марс е негостоприемен както за хората, така и за сградите. Като начало има температурни колебания на планетата, като температурите около екватора варират от висок от 70 градуса по Фаренхайт (21 градуса по Целзий) през деня до минус 100 градуса по Фаренхайт (минус 73 по Целзий) при нощ. Това поставя голямо напрежение върху строителните материали.

„Искахме да имаме структури, които могат да се разширяват и свиват независимо една от друга“, каза Троемнер, за да позволи разширяване и свиване през много студените нощи и сравнително топлите дни на Марс. А структурите трябва да са достатъчно здрави, за да издържат натрупването на прах от честотата на планетата прашни бури. „Ако имате купчина пясък върху половината от конструкцията си, имате небалансирано състояние на натоварване, какво ще направи това?“ той обясни. Прашните бури също могат да повлияят на строителството, което означава, че е необходимо да се предвиди престой.

Ето защо екипът на Troemner излезе с идеята за куполи. „Куполите са добра форма за термично разширение, а също и за натрупване на пясъчни дюни“, каза той, и те разпределят товарите много добре. На строителите всъщност им е оказана малка помощ и от намалената гравитация на Марс, „така че имате нужда от по-малко структурни елементи, имате нужда от по-леко оборудване“.

Един голям проблем е как да защитим марсианските астронавти от опасна радиация. „Марсианският реголит всъщност не е толкова отличен в защитата от радиацията, която бихте изпитали на повърхността“, каза Матю. Дизайнът на купола ще има между един и три фута материал между хората в местообитанието и външната среда, но това няма да е достатъчно за защита на астронавтите вътре.

Добавянето на сяра към реголита, за да се направи marscrete, помага, но екипът също така добави полиетиленови влакна към сместа, което ще допринесе за екраниращия ефект. За пълно екраниране, вътрешната надута структура също би имала повече полиетилен. Този полиетилен може да бъде канибализиран от облицовката на космическия кораб без екипаж, който ще пренесе първата вълна от доставки до Марс.

Ролята на архитектурата

Проектирането на местообитание обаче не е свързано само с инженерни предизвикателства. Става дума и за създаване на пространство, в което хората могат да живеят и работят комфортно за дълъг период от време, потенциално докато са подложени на силен стрес или изпитват дълбока изолация.

Местообитанието на екип Zopherus беше разделено на три модула: лаборатория за научни операции, общинска единица и екипаж единица за нужди като санитарни и спални помещения, с възможността да се добавят още единици въз основа на мисията потребности.

Те искаха пространството да поддържа както практическите нужди, така и психологическите нужди на астронавтите, пребиваващи там, което беше отразено в начина, по който проектираха общата единица. „Ние наистина ориентирахме това пространство около голям отвор на горното ниво“, каза той. Голям прозорец позволява на астронавтите да гледат към повърхността на Марс, като същевременно остават в безопасност и удобни вътре. „Искахме да увеличим максимално способността на астронавтите да виждат заобикалящата ги среда и да се свързват с нея.“

Това е важно за изпълнение на задачи като например използване на механична ръка за преместване на неща навън. Но има и значителна психологическа полза. „Ако сте затворен в около хиляда квадратни фута пространство за една година на планета, която иска да ви убие навсякъде, с изключение на мястото, където живеете, чувството, че не сте в кутия, е наистина полезно“, каза той.

Екипът добави и хидропонната градина към това пространство както за да могат растенията да получават светлина, така и за това астронавтите, които вървят отдолу, биха се насладили на психологическата почивка от усещането, че вървят през a гористо пространство. За Лейн балансирането на тази пресечна точка на практически и психологически нужди е ключова работа на архитекта. „Архитектите взаимодействат между нуждите на хората и физическата среда“, каза той. „Физическата среда, в която се намира някой, им влияе психологически, а също и оперативно.“

Начинът, по който мислеше за това, не беше от гледна точка на отделни нужди на мисията и психологически нужди. Вместо това той ги вижда като взаимосвързани. „Тези психологически нужди всъщност са практически нужди, когато имате работа с човек“, каза той. „Защото психологията на вашите астронавти пряко влияе върху представянето им в мисията.“

Проектирането в полза на астронавтите психологически не означава да направиш една сграда привлекателна заради самата нея, а да намериш най-доброто решение на проблем с дизайна. Той посочи елегантността и красотата в много аспекти на космическото инженерство. „Има наистина нещо красиво в дизайна, което пасва добре на проблема“, каза той, подобно на присъщата красота на много органични форми. „Следвайки прагматичните ограничения на проблема с дизайна и като вземем предвид здравето на пътниците и уелнес и психология води до нещо, което вероятно ще бъде по-естетически приятен дизайн.

„Можеш да отидеш твърде далеч в създаването на нещо красиво“, каза той. „Но да го накарам да работи добре за човека, който ще го обитава, за мен е много практично съображение.“

Да отидеш в нелегалност

И двамата експерти се съгласиха, че бъдещето на дизайна на местообитанията на Марс има много възможности, включително потенциално движение под повърхността. Изграждането на подземна база има много предимства, като предпазване на хората от радиация и прашни бури. Но има и своите предизвикателства.

Що се отнася до подземното строителство, „все още има толкова много неизвестни“, каза Троемнер. Има много неща, които не знаем за състава на подземната повърхност на Марс и как да се изгради в тази среда. „Поне за първа стъпка, ако говорим за близкото бъдеще, нещо на повърхността има повече смисъл, защото няма същите нива на неизвестни, каквито биха били при копаене.“

След като сме били на Марс за известно време обаче, това може да се промени. „В дългосрочен план, след като сте създали първите няколко първоначални структури, може би сте имали повече роувъри на повърхността имали сте астронавти на повърхността, тогава може би подземна база е начинът да отидете в бъдеще“, каза той.

Лейн се съгласи. Той смяташе, че първата мисия до Марс може да включва хора, които остават в „неща на повърхността, които идват предимно от Земята“, като мисиите на Аполо до Луната. Но за повече хора, които остават за по-дълго време, се нуждаете от по-постоянна инфраструктура. „В този момент започвате да се спускате под земята или да отпечатвате 3D своите местообитания“, каза той.

В крайна сметка Лейн си представи голямо разнообразие от местообитания, проектирани и построени от различни космически агенции или компании. „Ще видим повече разнообразие в нашите местообитания, които създаваме, защото нашите нужди ще бъдат по-разнообразни и ще трябва да се приспособим към по-голям мащаб“, каза той. От това разнообразие ще научим повече за това кой е най-добрият начин да живеем на друга планета, което ще ни помогне да изградим още по-добри местообитания в бъдеще. „Което е нещо, от което наистина се вълнувам, през следващите десетилетия хората ще се осмелят да излязат на Луната и Марс.“

Тази статия е част от Живот на Марс, поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс.

Препоръки на редакторите

• Космически съобщения: Как първите хора на Марс ще комуникират със Земята
• Астропсихология: Как да останем здрави на Марс
• Изкуствена атмосфера: Как ще изградим база с годен за дишане въздух на Марс
• Астроземеделие: Как ще отглеждаме култури на Марс
• Марсианският прах е голям проблем за астронавтите. Ето как НАСА се бори с това