Jak si první osadníci Marsu vytvoří stanoviště s půdou

Když přijde na lidi, kteří navštíví Mars a potřebují někde zůstat, NASA má ambiciózní plán: použít suroviny nalezené na planetě k 3D tisku stanoviště in situ. To bylo předmětem soutěže 3D-Printed Habitat Challenge, kterou agentura zahájila před několika lety a která pozvala týmy designérů, aby navrhly nejlepší řešení problému.

Jak přesně tedy přeměníme hromadu prachu z Marsu na pohodlný domov? Abychom to zjistili, oslovili jsme dva odborníky, kteří se této soutěže zúčastnili – architekt Trey Lane z vítězného týmu Zopherus a inženýr Matthew Troemner z týmu Northwestern University – o tom, jak navrhnout a postavit stanoviště na jiném planeta.

Tento článek je součástí Život na Marsu, 10dílný seriál, který zkoumá špičkovou vědu a technologii, která lidem umožní okupovat Mars.

Použití místních zdrojů

Při plánování a stanoviště pro Mars, největším omezením je, kolik materiálu si můžete přivézt ze Země. Každý gram hmoty navíc naložený na raketu má značnou cenu, pokud jde o palivo, takže je prostě nemožné vzít s sebou stavební materiály v hodnotě budovy. Proto bude potřeba vybudovat první stanoviště za použití surovin, které jsou na Marsu dostupné lokálně.

Je to určitě jiný způsob, jak přistupovat ke stavbě, jak nám řekl Trey Lane, architekt z vítězného týmu Zopherus.

Ve svém raném výzkumu Lane nenašel mnoho ve způsobech rozsáhlých 3D tiskových projektů využívajících místní materiály, a tak se obrátil k nečekanému zdroji inspirace: hmyzu. "Začali jsme se dívat na vosy, pavouky a brouky," řekl. "Po stovky milionů let dělali v podstatě 3D tisk, aby vytvořili stanoviště." Hmyz vyráží do prostředí, najde zdroje, zpracovat je na použitelný materiál a postavit nejpraktičtější stanoviště, aby vyhovovalo jejich potřebám – přesně tak, jak to chtěl udělat Lane. "Upřímně jsme zjistili, že hmyz je lepším modelem pro to, jak postavit 3D tisk, autonomní prostředí využívající místní zdroje než lidé."

Jeho tým si představoval stanoviště, které zahrnovalo rovery, které by vyjely do prostředí a sbíraly materiály a pak je přivedly zpět k další výstavbě. "V mnoha ohledech je to jako vosa, která jde a žvýká trochu místních zdrojů a přeměňuje je na papír-mache a staví si z toho své hnízdo."

Uplatnění tohoto přístupu při stavbě, ať už na Marsu nebo na Zemi, má své výhody. "Skutečnost, že používáte místní zdroje, je pro vesmírné mise obrovský rozdíl," řekl. Namísto spoléhání se na dlouhé dodavatelské řetězce můžete být mnohem efektivnější z hlediska materiálů a energie. Přístup 3D tisku je navíc bezpečnější než tradiční konstrukce. "Stavebnictví je odvětví náchylné k riziku... Takže pokud dokážete určité aspekty dělat autonomně, máte také bezpečnostní výhodu."

3D tisk může být také rychlejší a levnější a umožňuje určitou míru svobody návrhu. "Z pohledu architekta existuje určitá svoboda, která se otevírá při 3D tisku," řekl. Nemusíte se spoléhat na sériově vyráběné materiály, jako jsou dva na čtyři, které bývají ploché a rovné, takže můžete navrhovat složitější tvary. "Uvolňuje vás to vytvořit design, který je přizpůsoben danému řešení."

Jak 3D tisknout stanoviště

Když přemýšlíte o 3D tisku, pravděpodobně si představíte stolní stroj pro tisk položek o šířce několika palců. Pokud jde o 3D tisk v měřítku infrastruktury, potřebujete mnohem větší hardware, ale je to koncepčně podobné proces – „v tom, že byste použili podobný software, použili byste podobné pohybové techniky,“ jak říká Matthew Troemner, Ph.D. kandidát na Northwestern University a vedoucí univerzitního týmu pro stanoviště Marsu, vysvětlil.

Rozdíl je ve způsobu ukládání materiálu. Stolní 3D tiskárny používají metodu taveného nanášení, „což je v podstatě jako roztavený plastový provázek,“ řekl Troemner. A i když je možné toto zvětšit, pro tisk na Marsu chtěl Troemnerův tým použít jiný typ materiálu zvaný marscrete nebo Mars beton. "Předmícháváme materiál, vytváříme jakousi pastu a pak ji vytlačujeme", než ji necháme vytvrdit nebo ztvrdnout, vysvětlil.

Marscrete se vyrábí smícháním marťanského regolitu – prašné půdě podobné substance, která pokrývá povrch planety – se sírou. Sirný beton se na Zemi používá po desetiletí a je pevný a odolný vůči opotřebení, díky čemuž je ideální pro stavbu na Marsu. Jakmile je smíchán, může být položen do tvarů, aby vytvořil stanoviště.

"Pro Mars nebo vesmírné aplikace byste měli nějaký druh paže, která se pohybuje a ukládá materiál," řekl. Na Zemi jsou mechanismy ve stylu ramene méně populární než mechanismy ve stylu portálů pro tisk ve velkém měřítku, protože mohou tisknout pouze v omezené velikosti - v podstatě v dosahu ramene. Ale čím složitější je tiskový hardware, tím více věcí se může pokazit. Při stavbě na jiné planetě má cenu věci co možná nejjednodušší.

Troemnerův tým navrhl použít nafukovací tlakovou nádobu – v podstatě obří, silný balón – který by byly naplněny vzduchem, aby vytvořily kopulovitý tvar, s ramenním mechanismem používaným k tisku marscrete na vrcholu toho. Tlaková nádoba udržuje vzduch dovnitř a záření ven a marscrete dělá konstrukci pevnou a odolnou.

Výzvy stavby na Marsu

Mars je nehostinný jak pro lidi, tak pro budovy. Pro začátek jsou na planetě teplotní výkyvy, přičemž teploty kolem rovníku se pohybují od vysokých od 70 stupňů Fahrenheita (21 stupňů Celsia) během dne do minus 100 stupňů Fahrenheita (minus 73 Celsia) při noc. To klade velký důraz na stavební materiály.

"Chtěli jsme mít struktury, které by se mohly rozšiřovat a smršťovat nezávisle na sobě," řekl Troemner, abychom umožnili expanzi a kontrakci během velmi chladných nocí a relativně teplých dnů na Marsu. A struktury musí být dostatečně pevné, aby vydržely časté nahromadění prachu na planetě písečné bouře. "Pokud máte na polovině své konstrukce hromadu písku, máte nevyvážený stav zatížení, co to udělá?" vysvětlil. Prachové bouře mohou také ovlivnit výstavbu, což znamená, že je potřeba počítat s prostoji.

Proto Troemnerův tým přišel s myšlenkou kopulí. „Kupoly mají dobrý tvar pro tepelnou roztažnost a také pro nahromadění písečných dun,“ řekl a velmi dobře rozkládají zatížení. Stavitelům ve skutečnosti také trochu pomáhá snížená gravitace na Marsu, "takže potřebujete méně konstrukčních prvků, potřebujete lehčí zařízení."

Jedním velkým problémem je, jak chránit marťanské astronauty před nebezpečným zářením. "Marťanský regolit ve skutečnosti není tak skvělý v odstínění záření, které byste zažili na povrchu," řekl Matthew. Návrh kopule by měl mezi lidmi uvnitř biotopu a vnějším prostředím mezi jednou a třemi stopami materiálu, ale to by nestačilo chránit astronauty uvnitř.

Přidání síry do regolitu k vytvoření marscrete pomáhá, ale tým také přidal do směsi polyetylenová vlákna, která by přidala na stínícím efektu. Pro úplné stínění by vnitřní nafouknutá konstrukce měla také více polyethylenu. Tento polyethylen by mohl být kanibalizován z obložení vesmírné lodi bez posádky, která by dopravila první vlnu zásob na Mars.

Role architektury

Navrhování stanoviště však není jen o technických výzvách. Jde také o vytvoření prostoru, ve kterém mohou lidé pohodlně žít a pracovat po dlouhou dobu, potenciálně ve velkém stresu nebo prožívat hlubokou izolaci.

Stanoviště týmu Zopherus bylo rozděleno do tří modulů: Laboratoř pro vědecké operace, komunální jednotka a posádka. jednotka pro potřeby, jako je hygiena a spací prostory, s možností přidání dalších jednotek na základě mise potřeby.

Chtěli, aby prostor podporoval praktické i psychologické potřeby tam pobývajících astronautů, což se promítlo i do toho, jak komunální jednotku navrhli. "Opravdu jsme ten prostor orientovali kolem velkého otvoru v horní úrovni," řekl. Velké okno umožňuje astronautům dívat se na povrch Marsu a přitom zůstat uvnitř v bezpečí a pohodlí. "Chtěli jsme maximalizovat schopnost astronautů vidět své okolí a spojit se s ním."

To je důležité pro plnění úkolů, jako je například použití mechanické paže k pohybu věcí venku. Ale má to také významný psychologický přínos. „Pokud se na rok uvězníte na ploše asi tisíc čtverečních stop na planetě, která vás chce zabít všude kromě toho, kde žijete, je pocit, že nejste v plechovce, opravdu prospěšný,“ řekl.

Tým také přidal hydroponickou zahradu do tohoto prostoru, aby rostliny mohly získat světlo a tak astronauti, kteří jdou níže, by si užili psychickou přestávku v pocitu, jako by procházeli a zalesněný prostor. Pro Lanea je vyvážení tohoto průniku praktických a psychologických potřeb klíčovou prací architekta. "Architekti tvoří rozhraní mezi potřebami lidí a fyzickým prostředím," řekl. "Fyzické prostředí, ve kterém se někdo nachází, ho ovlivňuje psychicky a také provozně."

Způsob, jakým o tom přemýšlel, nebyl z hlediska oddělených potřeb mise a psychologických potřeb. Místo toho je vidí jako propojené. "Tyto psychologické potřeby jsou ve skutečnosti praktické potřeby, když jednáte s člověkem," řekl. "Protože psychologie vašich astronautů přímo ovlivňuje jejich výkon na misi."

Navrhování pro psychologický přínos pro astronauty není o tom, aby byla budova atraktivní kvůli ní, ale o nalezení nejlepšího řešení konstrukčního problému. Poukázal na eleganci a krásu v mnoha aspektech kosmického inženýrství. "Na designu je opravdu něco krásného, ​​co dobře zapadá do problému," řekl, podobně jako vrozená krása mnoha organických tvarů. „V souladu s pragmatickými omezeními konstrukčního problému as ohledem na zdraví cestujících a wellness a psychologie vyústí v něco, co bude pravděpodobně estetičtější design.“

"Při výrobě něčeho hezkého můžete zajít příliš daleko," řekl. "Ale zajistit, aby to dobře fungovalo pro osobu, která ho bude obývat, je pro mě velmi praktická úvaha."

Jít do podzemí

Oba odborníci se shodli, že budoucnost designu stanovišť na Marsu má mnoho možností, včetně možného pohybu pod povrchem. Vybudování podzemní základny má mnoho výhod, jako je ochrana lidí před radiací a prachovými bouřemi. Ale má to i svá úskalí.

Pokud jde o podzemní výstavbu, „je tu stále tolik neznámých,“ řekl Troemner. Je toho mnoho, co nevíme o složení podpovrchu Marsu a o tom, jak v tomto prostředí konstruovat. "Aspoň pro první krok, pokud mluvíme o blízké budoucnosti, něco na povrchu dává větší smysl, protože tam nejsou stejné úrovně neznámých, jaké by byly při kopání."

Až budeme chvíli na Marsu, může se to změnit. „Dlouhodobě, poté, co jste vytvořili několik prvních počátečních struktur, měli jste na povrchu více roverů, možná když jste měli astronauty na povrchu, možná je podzemní základna tou správnou cestou v budoucnu,“ řekl.

Lane souhlasil. Myslel si, že první mise na Mars by mohla zahrnovat lidi zdržující se „ve věcech na povrchu, které většinou pocházely ze Země“, jako jsou mise Apollo na Měsíc. Ale aby více lidí zůstalo delší dobu, potřebujete trvalejší infrastrukturu. "V tu chvíli začnete jít do podzemí nebo 3D tisknout svá stanoviště," řekl.

Nakonec si Lane představil širokou škálu biotopů navržených a postavených různými vesmírnými agenturami nebo společnostmi. "Uvidíme více rozmanitosti v našich stanovištích, která vytváříme, protože naše potřeby budou rozmanitější a budeme se muset přizpůsobit většímu rozsahu," řekl. Z této rozmanitosti se dozvíme více o tom, jaký je nejlepší způsob života na jiné planetě, což nám v budoucnu pomůže vybudovat ještě lepší stanoviště. "Což je něco, z čeho jsem opravdu nadšený, v příštích desetiletích, kdy se lidé vydají na Měsíc a Mars."

Tento článek je součástí Život na Marsu, 10dílný seriál, který zkoumá špičkovou vědu a technologii, která lidem umožní okupovat Mars.

Doporučení redakce

• Kosmické komunikace: Jak budou první lidé na Marsu komunikovat se Zemí
• Astropsychologie: Jak si udržet zdravý rozum na Marsu
• Umělé atmosféry: Jak na Marsu postavíme základnu s dýchatelným vzduchem
• Astrozemědělství: Jak budeme pěstovat plodiny na Marsu
• Marťanský prach je pro astronauty velkým problémem. Zde je návod, jak s tím NASA bojuje