Wie die ersten Siedler des Mars mit Erde Lebensräume schaffen werden

Wenn es um Menschen geht, die den Mars besuchen und eine Bleibe benötigen, hat die NASA einen ehrgeizigen Plan: Sie will auf dem Planeten gefundene Rohstoffe nutzen, um vor Ort einen Lebensraum in 3D zu drucken. Das war das Thema der 3D-Printed Habitat Challenge, die die Agentur vor einigen Jahren ins Leben gerufen hat und bei der Designerteams aufgefordert wurden, ihre beste Lösung für das Problem vorzustellen.

Wie genau verwandeln wir also einen Haufen Marsstaub in ein gemütliches Zuhause? Um das herauszufinden, haben wir mit zwei Experten gesprochen, die an diesem Wettbewerb teilgenommen haben – dem Architekten Trey Lane vom siegreichen Team Zopherus und Ingenieur Matthew Troemner vom Team der Northwestern University – darüber, wie man einen Lebensraum auf einem anderen gestaltet und baut Planet.

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Nutzung lokaler Ressourcen

Bei der Planung eines Lebensraum für den MarsDie größte Einschränkung besteht darin, wie viel Material Sie von der Erde mitbringen können. Jedes zusätzliche Gramm Masse, das auf eine Rakete geladen wird, verursacht erhebliche Treibstoffkosten, sodass es einfach nicht möglich ist, Baumaterialien im Wert eines Gebäudes mitzunehmen. Deshalb müssen erste Lebensräume aus lokal auf dem Mars verfügbaren Rohstoffen gebaut werden.

Es ist sicherlich eine andere Herangehensweise an den Bau, wie uns Trey Lane, Architekt des preisgekrönten Team Zopherus, sagte.

In seinen frühen Recherchen fand Lane nicht viel über groß angelegte 3D-Druckprojekte mit lokalen Materialien, also wandte er sich einer unerwarteten Inspirationsquelle zu: Insekten. „Wir begannen, uns nach Wespen, Spinnen und Käfern umzusehen“, sagte er. „Seit Hunderten von Millionen Jahren nutzen sie im Wesentlichen den 3D-Druck, um Lebensräume zu schaffen.“ Insekten gehen in die Umwelt, finden Ressourcen zu nutzen, sie zu nutzbarem Material zu verarbeiten und den praktischsten Lebensraum zu schaffen, der ihren Bedürfnissen entspricht – genau wie Lane es wollte. „Wir haben ehrlich gesagt herausgefunden, dass Insekten bessere Modelle für den Aufbau eines 3D-gedruckten, autonomen, lokalen Ressourcennutzungslebensraums sind als Menschen.“

Sein Team stellte sich einen Lebensraum mit Rovern vor, die in die Umwelt hinausgehen, Materialien sammeln und sie dann zum weiteren Bau zurückbringen würden. „In vielerlei Hinsicht ist es wie eine Wespe, die ein paar lokale Ressourcen zerkaut, daraus Pappmaché macht und daraus ihr Nest baut.“

Es gibt Vorteile, diesen Ansatz auf das Bauwesen anzuwenden, sei es auf dem Mars oder auf der Erde. „Die Tatsache, dass man lokale Ressourcen nutzt, macht einen großen Unterschied für Weltraummissionen“, sagte er. Anstatt sich auf lange Lieferketten zu verlassen, können Sie in Bezug auf Materialien und Energie viel effizienter sein. Darüber hinaus ist der 3D-Druckansatz sicherer als herkömmliche Konstruktionen. „Das Baugewerbe ist eine risikobehaftete Branche … Wenn Sie also bestimmte Aspekte autonom erledigen können, haben Sie auch einen Sicherheitsvorteil.“

Der 3D-Druck kann auch schneller und kostengünstiger sein und bietet ein gewisses Maß an Designfreiheit. „Aus der Sicht eines Architekten eröffnet sich beim 3D-Druck ein gewisses Maß an Freiheit“, sagte er. Sie müssen sich nicht auf massenproduzierte Materialien wie 2x4-Stoffe verlassen, die tendenziell flach und gerade sind, sondern können komplexere Formen entwerfen. „Es gibt Ihnen die Freiheit, ein Design zu erstellen, das genau auf die Lösung zugeschnitten ist.“

So drucken Sie einen Lebensraum in 3D

Wenn Sie an 3D-Druck denken, denken Sie wahrscheinlich an ein Desktop-Gerät zum Drucken von Objekten mit einer Breite von wenigen Zentimetern. Wenn es um 3D-Druck im Infrastrukturmaßstab geht, benötigen Sie viel größere Hardware, aber vom Konzept her ist es ähnlich Prozess – „da Sie eine ähnliche Software verwenden würden, würden Sie ähnliche Bewegungstechniken verwenden“, wie Matthew Troemner, Ph. D. Kandidat an der Northwestern University und Leiter des Mars-Habitat-Teams der Universität, erklärt.

Der Unterschied besteht in der Art und Weise, wie das Material abgelegt wird. Desktop-3D-Drucker verwenden eine Schmelzabscheidungsmethode, „die im Wesentlichen wie eine geschmolzene Kunststoffschnur ist“, sagte Troemner. Und obwohl es möglich ist, dies zu vergrößern, wollte Troemners Team für den Druck auf dem Mars eine andere Art von Material namens Marscrete oder Marsbeton verwenden. „Wir mischen das Material vor, erzeugen eine Art Paste und extrudieren es dann“, bevor wir es aushärten lassen, erklärte er.

Marscrete wird durch Mischen von Mars-Regolith – der staubigen, erdähnlichen Substanz, die die Oberfläche des Planeten bedeckt – mit Schwefel hergestellt. Schwefelbeton wird auf der Erde seit Jahrzehnten verwendet und ist stark und verschleißfest, was ihn ideal für den Bau auf dem Mars macht. Sobald es gemischt ist, kann es in Formen gelegt werden, um einen Lebensraum zu schaffen.

„Für Mars- oder Weltraumanwendungen hätte man eine Art Arm, der Material bewegt und ablagert“, sagte er. Auf der Erde sind Mechanismen im Armstil weniger beliebt als Mechanismen im Gantry-Stil für Großformatdrucke, da sie nur in einer begrenzten Größe drucken können – im Wesentlichen der Reichweite des Arms. Doch je komplexer die Druckhardware ist, desto mehr Dinge können schief gehen. Beim Bauen auf einem anderen Planeten ist es wichtig, die Dinge so einfach wie möglich zu halten.

Troemners Team schlug die Verwendung eines aufblasbaren Druckbehälters – im Wesentlichen eines riesigen, starken Ballons – vor würde mit Luft gefüllt werden, um eine Kuppelform zu bilden, mit einem Armmechanismus, der zum Drucken von Marsbeton darauf verwendet wird. Der Druckbehälter hält Luft drinnen und Strahlung draußen, und der Marsbeton macht die Struktur stark und langlebig.

Die Herausforderungen beim Bauen auf dem Mars

Der Mars ist sowohl für Menschen als auch für Gebäude unwirtlich. Da sind zunächst einmal die Temperaturschwankungen auf dem Planeten, wobei die Temperaturen rund um den Äquator von Höchsttemperaturen bis zu Höchsttemperaturen reichen von 70 Grad Fahrenheit (21 Grad Celsius) tagsüber auf minus 100 Grad Fahrenheit (minus 73 Grad Celsius) an Nacht. Das stellt eine große Belastung für die Baumaterialien dar.

„Wir wollten Strukturen haben, die sich unabhängig voneinander ausdehnen und zusammenziehen können“, sagte Troemner, um eine Ausdehnung und Kontraktion in den sehr kalten Nächten und relativ warmen Tagen des Mars zu ermöglichen. Und die Strukturen müssen stark genug sein, um der Staubansammlung durch häufige Staubablagerungen auf dem Planeten standzuhalten Sandstürme. „Wenn sich auf der Hälfte Ihrer Struktur ein Sandhaufen befindet, liegt ein unausgeglichener Belastungszustand vor. Was wird das bewirken?“ er erklärte. Auch Staubstürme können Auswirkungen auf die Bauarbeiten haben, so dass Ausfallzeiten eingeplant werden müssen.

Deshalb kam Troemners Team auf die Idee der Kuppeln. „Kuppeln haben eine gute Form für die Wärmeausdehnung und auch für die Sanddünenbildung“, sagte er, und sie verteilen die Lasten sehr gut. Tatsächlich kommt den Bauherren durch die reduzierte Schwerkraft auf dem Mars auch eine kleine Erleichterung zugute, „man braucht also weniger Strukturelemente, man braucht ein leichteres Gerät.“

Eine große Frage ist, wie man Mars-Astronauten vor gefährlicher Strahlung schützen kann. „Der Mars-Regolith schützt nicht besonders gut vor der Strahlung, die man auf der Oberfläche erleben würde“, sagte Matthew. Das Kuppeldesign würde zwischen einem und drei Fuß Material zwischen den Menschen innerhalb des Lebensraums und der Außenumgebung erfordern, aber das ist nicht der Fall würde nicht reichen um Astronauten im Inneren zu schützen.

Die Zugabe von Schwefel zum Regolith zur Herstellung von Marsbeton hilft, aber das Team fügte der Mischung auch Polyethylenfasern hinzu, was die Abschirmwirkung verstärken würde. Für eine vollständige Abschirmung würde die aufgeblasene Innenstruktur auch mehr Polyethylen enthalten. Dieses Polyethylen könnte aus der Auskleidung des unbemannten Raumschiffs ausgeschlachtet werden, das die erste Welle von Vorräten zum Mars transportieren würde.

Die Rolle der Architektur

Bei der Gestaltung eines Lebensraums geht es jedoch nicht nur um technische Herausforderungen. Es geht auch darum, einen Raum zu schaffen, in dem Menschen über einen längeren Zeitraum bequem leben und arbeiten können, möglicherweise auch unter großem Stress oder in tiefer Isolation.

Der Lebensraum von Team Zopherus war in drei Module unterteilt: ein Labor für wissenschaftliche Operationen, eine Gemeinschaftseinheit und eine Besatzung Einheit für Bedürfnisse wie sanitäre Einrichtungen und Schlafräume, mit der Möglichkeit, dass je nach Mission weitere Einheiten hinzugefügt werden könnten Bedürfnisse.

Sie wollten, dass der Raum sowohl den praktischen als auch den psychologischen Bedürfnissen der dort untergebrachten Astronauten gerecht wird, was sich in der Gestaltung der Gemeinschaftseinheit widerspiegelte. „Wir haben diesen Raum wirklich um eine große Öffnung im Obergeschoss herum ausgerichtet“, sagte er. Ein großes Fenster ermöglicht es Astronauten, auf die Marsoberfläche zu blicken und gleichzeitig sicher und komfortabel im Inneren zu bleiben. „Wir wollten die Fähigkeit der Astronauten maximieren, ihre Umgebung zu sehen und sich mit ihr zu verbinden.“

Das ist wichtig, um Aufgaben zu erledigen, wie zum Beispiel die Verwendung eines mechanischen Arms, um Dinge im Freien zu bewegen. Aber es gibt auch einen erheblichen psychologischen Vorteil. „Wenn man ein Jahr lang in einem etwa tausend Quadratmeter großen Weltraum auf einem Planeten eingesperrt ist, der einen töten will Überall, außer direkt dort, wo man lebt, ist das Gefühl, nicht in einer Dose zu sein, wirklich vorteilhaft“, sagte er.

Das Team hat diesem Raum auch den Hydrokulturgarten hinzugefügt, damit die Pflanzen Licht bekommen und so Astronauten, die unten herumlaufen, würden die psychologische Pause genießen, das Gefühl zu haben, als würden sie durch einen gehen bewaldeter Raum. Für Lane ist es eine Schlüsselaufgabe eines Architekten, die Schnittstelle zwischen praktischen und psychologischen Bedürfnissen in Einklang zu bringen. „Architekten stellen eine Schnittstelle zwischen den Bedürfnissen des Menschen und der physischen Umwelt dar“, sagte er. „Die physische Umgebung, in der sich jemand befindet, beeinflusst ihn psychisch und auch operativ.“

Die Art und Weise, wie er darüber nachdachte, bezog sich nicht auf getrennte Missionsbedürfnisse und psychologische Bedürfnisse. Stattdessen sieht er diese als miteinander verknüpft an. „Diese psychologischen Bedürfnisse sind eigentlich praktische Bedürfnisse, wenn man es mit einem Menschen zu tun hat“, sagte er. „Denn die Psychologie Ihrer Astronauten wirkt sich direkt auf ihre Leistung bei der Mission aus.“

Beim Design, das den Astronauten psychologisch zugute kommt, geht es nicht darum, ein Gebäude um seiner selbst willen attraktiv zu machen, sondern darum, die beste Lösung für ein Designproblem zu finden. Er wies auf die Eleganz und Schönheit vieler Aspekte der Raumfahrttechnik hin. „Design hat wirklich etwas Schönes, das gut zum Problem passt“, sagte er, ähnlich der inhärenten Schönheit vieler organischer Formen. „Den pragmatischen Zwängen des Designproblems folgen und die Gesundheit der Bewohner berücksichtigen Wellness und Psychologie führen zu etwas, das wahrscheinlich ein ästhetisch ansprechenderes Design sein wird.“

„Man kann zu weit gehen, wenn man etwas Hübsches macht“, sagte er. „Aber dafür zu sorgen, dass es für die Person, die es bewohnen wird, gut funktioniert, ist für mich eine sehr praktische Überlegung.“

In den Untergrund abtauchen

Beide Experten waren sich einig, dass die zukünftige Gestaltung von Lebensräumen auf dem Mars viele Möglichkeiten bietet, einschließlich der Möglichkeit, sich unter die Oberfläche zu bewegen. Der Bau einer unterirdischen Basis hat viele Vorteile, wie zum Beispiel den Schutz der Menschen vor Strahlung und Staubstürmen. Aber es hat auch seine Herausforderungen.

Wenn es um den Tiefbau gehe, „gibt es noch so viele Unbekannte“, sagte Troemner. Wir wissen viel nicht über die Zusammensetzung des Marsuntergrunds und darüber, wie man in dieser Umgebung konstruieren kann. „Zumindest für einen ersten Schritt, wenn wir über die nahe Zukunft sprechen, macht etwas an der Oberfläche mehr Sinn, weil es nicht die gleichen Ebenen an Unbekannten gibt, wie es beim Ausgraben der Fall wäre.“

Sobald wir jedoch eine Weile auf dem Mars sind, könnte sich das ändern. „Langfristig, nachdem man ein paar erste Strukturen geschaffen hat, werden vielleicht mehr Rover an der Oberfläche sein „Wenn Sie Astronauten auf der Oberfläche hatten, dann ist vielleicht eine unterirdische Basis der richtige Weg für die Zukunft“, sagte er.

Lane stimmte zu. Er ging davon aus, dass die erste Mission zum Mars Menschen beinhalten könnte, die sich in „Dingen auf der Oberfläche aufhalten, die größtenteils von der Erde stammen“, wie bei den Apollo-Missionen zum Mond. Aber für mehr Menschen, die sich über einen längeren Zeitraum aufhalten, ist eine dauerhaftere Infrastruktur erforderlich. „An diesem Punkt fängt man an, in den Untergrund zu gehen oder seine Lebensräume in 3D zu drucken“, sagte er.

Schließlich stellte sich Lane eine große Vielfalt an Lebensräumen vor, die von verschiedenen Raumfahrtagenturen oder -unternehmen entworfen und gebaut wurden. „Wir werden mehr Vielfalt in unseren Lebensräumen sehen, die wir schaffen, weil unsere Bedürfnisse vielfältiger sein werden und wir uns an größere Maßstäbe anpassen müssen“, sagte er. Aus dieser Vielfalt werden wir mehr darüber lernen, wie man auf einem anderen Planeten am besten lebt, was uns dabei helfen wird, in Zukunft noch bessere Lebensräume zu schaffen. „Das ist etwas, worüber ich mich wirklich freue, wenn die Menschen in den nächsten Jahrzehnten den Mond und den Mars bereisen werden.“

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars, eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen.

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