Πώς οι πρώτοι άποικοι του Άρη θα δημιουργήσουν ενδιαιτήματα με χώμα

Όταν πρόκειται για ανθρώπους που επισκέπτονται τον Άρη και χρειάζονται κάπου να μείνουν, η NASA έχει ένα φιλόδοξο σχέδιο: Να χρησιμοποιήσει πρώτες ύλες που βρίσκονται στον πλανήτη για την τρισδιάστατη εκτύπωση ενός οικοτόπου in situ. Αυτό ήταν το θέμα του 3D-Printed Habitat Challenge που ξεκίνησε ο οργανισμός πριν από μερικά χρόνια, το οποίο κάλεσε ομάδες σχεδιαστών να παρουσιάσουν την καλύτερη λύση στο πρόβλημα.

Πώς ακριβώς μετατρέπουμε ένα μάτσο σκόνης του Άρη σε ένα άνετο σπίτι; Για να μάθουμε, μιλήσαμε με δύο ειδικούς που συμμετείχαν σε αυτόν τον διαγωνισμό — τον αρχιτέκτονα Trey Lane από τη νικήτρια ομάδα Zopherus και ο μηχανικός Matthew Troemner από την ομάδα του Northwestern University — για το πώς να σχεδιάσετε και να χτίσετε έναν βιότοπο σε άλλο πλανήτης.

Αυτό το άρθρο είναι μέρος του Ζωή στον Άρη, μια σειρά 10 μερών που εξερευνά την επιστήμη και την τεχνολογία αιχμής που θα επιτρέψει στους ανθρώπους να καταλάβουν τον Άρη.

Χρήση τοπικών πόρων

Όταν σχεδιάζετε α βιότοπος για τον Άρη, ο μεγαλύτερος περιορισμός είναι πόσο υλικό μπορείτε να φέρετε από τη Γη. Κάθε επιπλέον γραμμάριο μάζας που φορτώνεται σε έναν πύραυλο έχει σημαντικό κόστος όσον αφορά τα καύσιμα, επομένως δεν είναι εφικτό να φέρουμε μαζί τα υλικά κατασκευής ενός κτιρίου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι πρώτοι βιότοποι θα πρέπει να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας πρώτες ύλες που είναι διαθέσιμες τοπικά στον Άρη.

Είναι σίγουρα ένας διαφορετικός τρόπος προσέγγισης της κατασκευής, όπως μας είπε ο Trey Lane, αρχιτέκτονας από τη βραβευμένη σε διαγωνισμό Team Zopherus.

Στην πρώιμη έρευνά του, ο Lane δεν βρήκε πολλά για τα έργα τρισδιάστατης εκτύπωσης μεγάλης κλίμακας που χρησιμοποιούν τοπικά υλικά, έτσι στράφηκε σε μια απροσδόκητη πηγή έμπνευσης: Τα έντομα. «Αρχίσαμε να κοιτάμε σφήκες, αράχνες και σκαθάρια», είπε. «Για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, έκαναν ουσιαστικά τρισδιάστατη εκτύπωση για να δημιουργήσουν ενδιαιτήματα». Τα έντομα βγαίνουν στο περιβάλλον, βρε πόρους, μεταποιήστε τους σε χρησιμοποιήσιμο υλικό και κατασκευάστε τον πιο πρακτικό βιότοπο για να καλύψετε τις ανάγκες τους — όπως ακριβώς ήθελε να κάνει η Lane. «Διαπιστώσαμε, ειλικρινά, ότι τα έντομα είναι καλύτερα μοντέλα για τον τρόπο κατασκευής ενός τρισδιάστατου εκτυπωμένου, αυτόνομου οικοτόπου αξιοποίησης τοπικών πόρων από τους ανθρώπους».

Η ομάδα του οραματίστηκε έναν βιότοπο που περιελάμβανε ρόβερ που θα έβγαιναν στο περιβάλλον και θα μάζευαν υλικά και στη συνέχεια θα τα έφερναν πίσω για περαιτέρω κατασκευή. «Με πολλούς τρόπους, είναι σαν μια σφήκα που πηγαίνει και μασάει λίγους τοπικούς πόρους και τους μετατρέπει σε χαρτί και χτίζει τη φωλιά της από αυτό».

Υπάρχουν πλεονεκτήματα στην εφαρμογή αυτής της προσέγγισης στην κατασκευή, είτε στον Άρη είτε στη Γη. «Το γεγονός ότι χρησιμοποιείτε τοπικούς πόρους κάνει τεράστια διαφορά για τις διαστημικές αποστολές», είπε. Αντί να βασίζεστε σε μεγάλες αλυσίδες εφοδιασμού, μπορείτε να είστε πολύ πιο αποδοτικοί όσον αφορά τα υλικά και την ενέργεια. Επιπλέον, η προσέγγιση της τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι ασφαλέστερη από την παραδοσιακή κατασκευή. «Οι κατασκευές είναι μια βιομηχανία επιρρεπής σε κινδύνους… Έτσι, εάν μπορείτε να κάνετε ορισμένες πτυχές αυτού αυτόνομα, έχετε επίσης ένα όφελος για την ασφάλεια».

Μπορεί επίσης να είναι πιο γρήγορο και φθηνότερο στην εκτύπωση 3D και υπάρχει ένας βαθμός σχεδιαστικής ελευθερίας που επιτρέπει. «Από τη σκοπιά ενός αρχιτέκτονα, υπάρχει μια ορισμένη ελευθερία που ανοίγεται όταν εκτυπώνετε 3D», είπε. Δεν χρειάζεται να βασίζεστε σε υλικά μαζικής παραγωγής, όπως δύο προς τέσσερα, τα οποία τείνουν να είναι επίπεδα και ίσια, ώστε να μπορείτε να σχεδιάσετε πιο σύνθετα σχήματα. "Σας ελευθερώνει για να δημιουργήσετε ένα σχέδιο που είναι προσαρμοσμένο στη λύση."

Πώς να εκτυπώσετε 3D έναν βιότοπο

Όταν σκέφτεστε την τρισδιάστατη εκτύπωση, πιθανότατα σκέφτεστε μια επιτραπέζια μηχανή για την εκτύπωση αντικειμένων πλάτους λίγων ιντσών. Όταν πρόκειται για τρισδιάστατη εκτύπωση σε κλίμακα υποδομής, χρειάζεστε πολύ μεγαλύτερο υλικό, αλλά είναι εννοιολογικά παρόμοιο διαδικασία — «στο ότι θα χρησιμοποιούσατε παρόμοιο λογισμικό, θα χρησιμοποιούσατε παρόμοιες τεχνικές κίνησης», όπως είπε ο Matthew Troemner, Ph. D. υποψήφιος στο Northwestern University και επικεφαλής της ομάδας βιότοπων του πανεπιστημίου στον Άρη, εξήγησε.

Η διαφορά έγκειται στον τρόπο απόθεσης του υλικού. Οι επιτραπέζιοι τρισδιάστατοι εκτυπωτές χρησιμοποιούν μια μέθοδο συγχωνευμένης εναπόθεσης, «η οποία είναι ουσιαστικά σαν μια λιωμένη πλαστική χορδή», είπε ο Troemner. Και ενώ είναι δυνατό να αυξηθεί η κλίμακα, για εκτύπωση στον Άρη, η ομάδα του Troemner ήθελε να χρησιμοποιήσει ένα διαφορετικό είδος υλικού που ονομάζεται marscrete ή Mars σκυρόδεμα. «Προαναμιγνύουμε υλικό, δημιουργούμε ένα είδος πάστας και στη συνέχεια το εξώλουμε» προτού το αφήσουμε να σκληρυνθεί ή να σκληρύνει, εξήγησε.

Το Marscrete παράγεται με την ανάμειξη του αρειανού ρεγολίθου - της σκονισμένης ουσίας που μοιάζει με χώμα που καλύπτει την επιφάνεια του πλανήτη - με θείο. Το θειούχο σκυρόδεμα χρησιμοποιείται στη Γη εδώ και δεκαετίες και είναι ισχυρό και ανθεκτικό στη φθορά, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για κατασκευή στον Άρη. Μόλις αναμειχθεί, μπορεί να στρωθεί σε σχήματα για να σχηματιστεί ένας βιότοπος.

«Για εφαρμογές στον Άρη ή στο διάστημα, θα έχετε κάποιο είδος βραχίονα που κινεί και εναποθέτει υλικό», είπε. Στη Γη, οι μηχανισμοί τύπου βραχίονα είναι λιγότερο δημοφιλείς από τους μηχανισμούς τύπου σκελετών για εκτύπωση μεγάλης κλίμακας, επειδή μπορούν να εκτυπώσουν μόνο σε περιορισμένο μέγεθος — ουσιαστικά, την απόσταση του βραχίονα. Αλλά όσο πιο περίπλοκο είναι το υλικό εκτύπωσης, τόσο περισσότερα πράγματα μπορεί να πάνε στραβά. Υπάρχει αξία στο να κρατάτε τα πράγματα όσο πιο απλά γίνεται όταν χτίζετε σε άλλο πλανήτη.

Η ομάδα του Troemner πρότεινε τη χρήση ενός φουσκωτού δοχείου πίεσης - ουσιαστικά, ενός γιγαντιαίου, ισχυρού μπαλονιού - το οποίο θα γέμιζε με αέρα για να σχηματίσει ένα σχήμα θόλου, με έναν μηχανισμό βραχίονα που χρησιμοποιείται για την εκτύπωση marscrete πάνω από αυτό. Το δοχείο πίεσης κρατά τον αέρα μέσα και την ακτινοβολία έξω, και το μαρσκρέτι κάνει τη δομή ισχυρή και ανθεκτική.

Οι προκλήσεις της οικοδόμησης στον Άρη

Ο Άρης είναι αφιλόξενος τόσο για τους ανθρώπους όσο και για τα κτίρια. Για αρχή, υπάρχουν οι μεταβολές της θερμοκρασίας στον πλανήτη, με τις θερμοκρασίες γύρω από τον ισημερινό να κυμαίνονται από υψηλό από 70 βαθμούς Φαρενάιτ (21 βαθμούς Κελσίου) κατά τη διάρκεια της ημέρας έως μείον 100 βαθμούς Φαρενάιτ (μείον 73 βαθμούς Κελσίου) σε Νύχτα. Αυτό δίνει μεγάλη πίεση στα οικοδομικά υλικά.

«Θέλαμε να έχουμε δομές που θα μπορούσαν να διαστέλλονται και να συστέλλονται ανεξάρτητα η μία από την άλλη», είπε ο Τρόεμνερ, για να επιτρέψουν τη διαστολή και τη συστολή κατά τις πολύ κρύες νύχτες και τις σχετικά ζεστές μέρες του Άρη. Και οι δομές πρέπει να είναι αρκετά ισχυρές για να αντέχουν τη συσσώρευση σκόνης από τη συχνή συχνότητα του πλανήτη καταιγίδες σκόνης. «Αν έχετε ένα σωρό άμμου στη μισή δομή σας, έχετε μια μη ισορροπημένη κατάσταση φόρτωσης, τι θα κάνει;» αυτός εξήγησε. Οι καταιγίδες σκόνης μπορούν επίσης να επηρεάσουν την κατασκευή, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει ανάγκη να επιτραπεί χρόνος διακοπής λειτουργίας.

Γι' αυτό η ομάδα του Troemner σκέφτηκε την ιδέα των θόλων. «Οι θόλοι είναι ένα καλό σχήμα για τη θερμική διαστολή και επίσης τη συσσώρευση αμμόλοφων», είπε, και κατανέμουν τα φορτία πολύ καλά. Στους οικοδόμους παρέχεται λίγη βοήθεια και από τη μειωμένη βαρύτητα στον Άρη, «έτσι χρειάζεστε λιγότερα δομικά στοιχεία, χρειάζεστε έναν ελαφρύτερο εξοπλισμό».

Ένα μεγάλο ζήτημα είναι πώς να προστατεύσουμε τους Αρειανούς αστροναύτες από την επικίνδυνη ακτινοβολία. «Ο Αρειανός ρεγόλιθος δεν είναι πραγματικά τόσο εξαιρετικός στην προστασία από την ακτινοβολία που θα βίωνες στην επιφάνεια», είπε ο Μάθιου. Ο σχεδιασμός του θόλου θα είχε από ένα έως τρία πόδια υλικού μεταξύ των ανθρώπων εντός του οικοτόπου και του εξωτερικού περιβάλλοντος, αλλά αυτό δεν θα ήταν αρκετό για την προστασία των αστροναυτών μέσα.

Η προσθήκη θείου στον ρεγόλιθο για την παραγωγή μαρσκρέτου βοηθάει, αλλά η ομάδα πρόσθεσε επίσης ίνες πολυαιθυλενίου στο μείγμα, κάτι που θα ενίσχυε το φαινόμενο θωράκισης. Για πλήρη θωράκιση, η εσωτερική φουσκωμένη δομή θα έχει επίσης περισσότερο πολυαιθυλένιο. Αυτό το πολυαιθυλένιο θα μπορούσε να κανιβαλιστεί από την επένδυση του απλήρωτου διαστημικού σκάφους που θα μετέφερε το πρώτο κύμα προμηθειών στον Άρη.

Ο ρόλος της αρχιτεκτονικής

Ωστόσο, ο σχεδιασμός ενός οικοτόπου δεν αφορά μόνο τις προκλήσεις της μηχανικής. Αφορά επίσης τη δημιουργία ενός χώρου στον οποίο οι άνθρωποι μπορούν να ζουν και να εργάζονται άνετα για μεγάλο χρονικό διάστημα, ενδεχομένως ενώ βρίσκονται υπό πολύ άγχος ή βιώνοντας βαθιά απομόνωση.

Ο βιότοπος της Team Zopherus χωρίστηκε σε τρεις ενότητες: ένα εργαστήριο για επιστημονικές επιχειρήσεις, μια κοινοτική μονάδα και ένα πλήρωμα μονάδα για ανάγκες όπως εγκαταστάσεις υγιεινής και χώρους ύπνου, με τη δυνατότητα να προστεθούν περισσότερες μονάδες βάσει αποστολής ανάγκες των.

Ήθελαν ο χώρος να υποστηρίζει τόσο τις πρακτικές ανάγκες όσο και τις ψυχολογικές ανάγκες των αστροναυτών που διαμένουν εκεί, κάτι που αντικατοπτρίζεται στον τρόπο που σχεδίασαν την κοινόχρηστη μονάδα. «Πραγματικά προσανατολίσαμε αυτόν τον χώρο γύρω από ένα μεγάλο άνοιγμα στο επάνω επίπεδο», είπε. Ένα μεγάλο παράθυρο επιτρέπει στους αστροναύτες να κοιτάζουν έξω στην επιφάνεια του Άρη, ενώ παραμένουν ασφαλείς και άνετοι μέσα. «Θέλαμε να μεγιστοποιήσουμε την ικανότητα των αστροναυτών να βλέπουν το περιβάλλον τους και να συνδέονται με αυτό».

Αυτό είναι σημαντικό για την ολοκλήρωση εργασιών όπως, για παράδειγμα, η χρήση ενός μηχανικού βραχίονα για να μετακινήσετε τα πράγματα έξω. Υπάρχει όμως και ένα σημαντικό ψυχολογικό όφελος. «Αν είσαι εγκλωβισμένος σε περίπου χίλια τετραγωνικά πόδια χώρου για ένα χρόνο σε έναν πλανήτη που θέλει να σε σκοτώσει παντού, εκτός από εκεί που ζείτε, το να νιώθετε ότι δεν βρίσκεστε σε κουτάκι είναι πραγματικά ευεργετικό», είπε.

Η ομάδα πρόσθεσε επίσης τον υδροπονικό κήπο σε αυτόν τον χώρο τόσο για να μπορούν τα φυτά να παίρνουν φως όσο και για αυτό Οι αστροναύτες που περπατούσαν παρακάτω θα απολάμβαναν το ψυχολογικό διάλειμμα της αίσθησης ότι περνούσαν μέσα από ένα δασώδης χώρος. Για τον Lane, η εξισορρόπηση αυτής της διασταύρωσης πρακτικών και ψυχολογικών αναγκών είναι βασική δουλειά ενός αρχιτέκτονα. «Οι αρχιτέκτονες διασυνδέονται μεταξύ των αναγκών των ανθρώπων και του φυσικού περιβάλλοντος», είπε. «Το φυσικό περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται κάποιος τον επηρεάζει ψυχολογικά αλλά και λειτουργικά».

Ο τρόπος που το σκέφτηκε δεν αφορούσε ξεχωριστές ανάγκες αποστολής και ψυχολογικές ανάγκες. Αντίθετα, τα βλέπει ως αλληλένδετα. «Αυτές οι ψυχολογικές ανάγκες είναι στην πραγματικότητα πρακτικές ανάγκες όταν έχεις να κάνεις με έναν άνθρωπο», είπε. «Επειδή η ψυχολογία των αστροναυτών σας επηρεάζει άμεσα την απόδοσή τους στην αποστολή».

Ο σχεδιασμός για να ωφεληθούν ψυχολογικά οι αστροναύτες δεν είναι να κάνεις ένα κτίριο ελκυστικό για χάρη του, αλλά να βρεις την καλύτερη λύση σε ένα πρόβλημα σχεδιασμού. Επεσήμανε την κομψότητα και την ομορφιά σε πολλές πτυχές της διαστημικής μηχανικής. «Υπάρχει πραγματικά κάτι όμορφο στο σχεδιασμό που ταιριάζει καλά στο πρόβλημα», είπε, παρόμοιο με την εγγενή ομορφιά σε πολλά οργανικά σχήματα. «Ακολουθώντας τους ρεαλιστικούς περιορισμούς του προβλήματος σχεδιασμού και λαμβάνοντας υπόψη την υγεία και την υγεία των επιβατών η ευεξία και η ψυχολογία καταλήγουν σε κάτι που πιθανότατα θα είναι πιο ευχάριστο αισθητικά σχεδιασμός.»

«Μπορείς να πας πολύ μακριά για να φτιάξεις κάτι όμορφο», είπε. «Αλλά το να το κάνω να λειτουργεί καλά για το άτομο που θα το κατοικήσει, για μένα, είναι μια πολύ πρακτική σκέψη».

Πηγαίνοντας στο υπόγειο

Και οι δύο ειδικοί συμφώνησαν ότι το μέλλον του σχεδιασμού των οικοτόπων του Άρη είχε πολλές δυνατότητες, συμπεριλαμβανομένης της πιθανής μετακίνησης κάτω από την επιφάνεια. Η κατασκευή μιας υπόγειας βάσης έχει πολλά πλεονεκτήματα, όπως η προστασία των ανθρώπων από την ακτινοβολία και τις καταιγίδες σκόνης. Έχει όμως και τις προκλήσεις του.

Όσον αφορά την υπόγεια κατασκευή, «Υπάρχουν ακόμη τόσα πολλά άγνωστα», είπε ο Troemner. Υπάρχουν πολλά που δεν γνωρίζουμε για τη σύνθεση του υπεδάφους του Άρη και τον τρόπο κατασκευής σε αυτό το περιβάλλον. «Τουλάχιστον για ένα πρώτο βήμα, αν μιλάμε για το εγγύς μέλλον, κάτι στην επιφάνεια είναι πιο λογικό επειδή δεν υπάρχουν τα ίδια επίπεδα αγνώστων που θα υπήρχαν όταν σκάβουμε κάτω».

Μόλις βρισκόμαστε στον Άρη για λίγο, όμως, αυτό μπορεί να αλλάξει. «Μακροπρόθεσμα, αφού δημιουργήσατε μερικές πρώτες αρχικές δομές, είχατε περισσότερα ρόβερ στην επιφάνεια, ίσως είχατε αστροναύτες στην επιφάνεια, τότε ίσως μια υπόγεια βάση να είναι ο τρόπος να πάτε στο μέλλον», είπε.

Ο Λέιν συμφώνησε. Σκέφτηκε ότι η πρώτη αποστολή στον Άρη θα μπορούσε να περιλαμβάνει ανθρώπους που μένουν σε «πράγματα στην επιφάνεια που προέρχονταν κυρίως από τη Γη», όπως οι αποστολές Apollo στο φεγγάρι. Αλλά για περισσότερα άτομα που μένουν για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους, χρειάζεστε περισσότερη μόνιμη υποδομή. «Σε εκείνο το σημείο, αρχίζετε να πηγαίνετε υπόγεια ή να εκτυπώνετε τρισδιάστατα τα ενδιαιτήματά σας», είπε.

Τελικά, ο Lane οραματίστηκε μια μεγάλη ποικιλία οικοτόπων που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν από διαφορετικές διαστημικές υπηρεσίες ή εταιρείες. «Θα δούμε μεγαλύτερη ποικιλία στους οικοτόπους μας που δημιουργούμε, επειδή οι ανάγκες μας θα είναι πιο ποικίλες και θα χρειαστεί να φιλοξενήσουμε μεγαλύτερη κλίμακα», είπε. Από αυτήν την ποικιλία, θα μάθουμε περισσότερα για το ποιος είναι ο καλύτερος τρόπος να ζεις σε άλλο πλανήτη, κάτι που θα μας βοηθήσει να χτίσουμε ακόμα καλύτερους οικοτόπους στο μέλλον. «Που είναι κάτι για το οποίο είμαι πραγματικά ενθουσιασμένος, τις επόμενες δεκαετίες που οι άνθρωποι θα βγουν στο φεγγάρι και στον Άρη».

Αυτό το άρθρο είναι μέρος του Ζωή στον Άρη, μια σειρά 10 μερών που εξερευνά την επιστήμη και την τεχνολογία αιχμής που θα επιτρέψει στους ανθρώπους να καταλάβουν τον Άρη.

Συστάσεις των συντακτών

• Cosmic comms: Πώς θα επικοινωνήσουν οι πρώτοι άνθρωποι στον Άρη με τη Γη
• Αστροφψυχολογία: Πώς να παραμείνετε υγιείς στον Άρη
• Τεχνητές ατμόσφαιρες: Πώς θα χτίσουμε μια βάση με αναπνεύσιμο αέρα στον Άρη
• Αστρογεωργία: Πώς θα καλλιεργήσουμε καλλιέργειες στον Άρη
• Η αρειανή σκόνη είναι μεγάλο πρόβλημα για τους αστροναύτες. Δείτε πώς το καταπολεμά η NASA