Cuando se trata de humanos que visitan Marte y necesitan un lugar para quedarse, la NASA tiene un plan ambicioso: utilizar materias primas que se encuentran en el planeta para imprimir en 3D un hábitat in situ. Ese fue el tema del Desafío del hábitat impreso en 3D que la agencia lanzó hace unos años, que invitó a equipos de diseñadores a presentar su mejor solución al problema.
Contenido
- Uso de recursos locales
- Cómo imprimir un hábitat en 3D
- Los retos de construir en Marte
- El papel de la arquitectura.
- Pasar a la clandestinidad
Entonces, ¿cómo transformamos exactamente un montón de polvo de Marte en un hogar cómodo? Para averiguarlo, hablamos con dos expertos que participaron en ese concurso: el arquitecto Trey Lane del Team Zopherus ganador. y el ingeniero Matthew Troemner del equipo de la Universidad Northwestern, sobre cómo diseñar y construir un hábitat en otro planeta.
Vídeos recomendados
Este artículo es parte de Vida en Marte, una serie de 10 partes que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte.
Uso de recursos locales
Al planificar un hábitat de Marte, la mayor limitación es la cantidad de material que puedes traer de la Tierra. Cada gramo adicional de masa cargado en un cohete tiene un costo significativo en términos de combustible, por lo que no es factible llevar materiales de construcción equivalentes a un edificio. Es por eso que los primeros hábitats deberán construirse utilizando materias primas que estén disponibles localmente en Marte.
Sin duda, es una forma diferente de abordar la construcción, como nos dijo Trey Lane, arquitecto del Team Zopherus, ganador del concurso.
“Desde el punto de vista de un arquitecto, hay una cierta cantidad de libertad que se abre cuando estás imprimiendo en 3D”.
En su investigación inicial, Lane no encontró mucho en el camino de los proyectos de impresión 3D a gran escala con materiales locales, por lo que recurrió a una fuente inesperada de inspiración: los insectos. “Empezamos a buscar avispas, arañas y escarabajos”, dijo. “Durante cientos de millones de años, han estado haciendo esencialmente impresión 3D para crear hábitats”. Los insectos salen al medio ambiente, encuentran recursos, procesarlos en material utilizable y construir el hábitat más práctico para satisfacer sus necesidades, tal como quería hacer Lane. "Descubrimos, honestamente, que los insectos son mejores modelos de cómo construir un hábitat de utilización de recursos locales, autónomo e impreso en 3D que los humanos".
Su equipo imaginó un hábitat que incluía rovers que saldrían al medio ambiente y recolectarían materiales, y luego los traerían de regreso para su construcción. “En muchos sentidos, es como una avispa que mastica un poco de los recursos locales y los convierte en papel maché y construye su nido con eso”.
Hay ventajas en la aplicación de este enfoque a la construcción, ya sea en Marte o en la Tierra. “El hecho de que esté utilizando recursos locales hace una gran diferencia para las misiones espaciales”, dijo. En lugar de depender de largas cadenas de suministro, puede ser mucho más eficiente en términos de materiales y energía. Además, el enfoque de impresión 3D es más seguro que la construcción tradicional. "La construcción es una industria propensa al riesgo... Entonces, si puede hacer ciertos aspectos de forma autónoma, también tiene un beneficio de seguridad".
También puede ser más rápido y económico imprimir en 3D, y permite cierto grado de libertad de diseño. “Desde el punto de vista de un arquitecto, hay una cierta cantidad de libertad que se abre cuando estás imprimiendo en 3D”, dijo. No tiene que depender de materiales producidos en masa como los de dos por cuatro, que tienden a ser planos y rectos, por lo que puede diseñar formas más complejas. “Te da libertad para crear un diseño que se ajuste a la medida de la solución”.
Cómo imprimir un hábitat en 3D
Cuando piensa en la impresión 3D, es probable que piense en una máquina de escritorio para imprimir elementos de unas pocas pulgadas de ancho. Cuando se trata de impresión 3D a escala de infraestructura, necesita un hardware mucho más grande, pero es un concepto similar. proceso: "en el sentido de que usaría un software similar, usaría técnicas de movimiento similares", como Matthew Troemner, Ph. D. candidato en la Universidad Northwestern y líder del equipo de hábitat de Marte de la universidad, explicó.
La diferencia está en la forma en que se deposita el material. Las impresoras 3D de escritorio utilizan un método de deposición fusionada, "que es esencialmente como una cuerda de plástico derretida", dijo Troemner. Y si bien es posible ampliar esto, para imprimir en Marte, el equipo de Troemner quería usar un tipo diferente de material llamado marscrete u Mars concrete. “Estamos premezclando material, creando una especie de pasta y luego extruyéndola” antes de permitir que se cure o endurezca, explicó.
Marscrete se hace mezclando regolito marciano, la sustancia polvorienta similar al suelo que cubre la superficie del planeta, con azufre. El hormigón de azufre se ha utilizado en la Tierra durante décadas y es fuerte y resistente al desgaste, lo que lo hace ideal para construir en Marte. Una vez que se mezcla, se puede colocar en formas para formar un hábitat.
“Para aplicaciones espaciales o de Marte, tendrías algún tipo de brazo que mueve y deposita material”, dijo. En la Tierra, los mecanismos estilo brazo son menos populares que los mecanismos estilo pórtico para la impresión a gran escala porque solo pueden imprimir en un tamaño limitado, esencialmente, el alcance del brazo. Pero cuanto más complejo es el hardware de impresión, más cosas pueden salir mal. Hay un valor en mantener las cosas lo más simples posible cuando se construye en otro planeta.
El equipo de Troemner propuso usar un recipiente a presión inflable, esencialmente, un globo fuerte y gigante, que se llenaría de aire para formar una cúpula, con un mecanismo de brazo utilizado para imprimir marscrete encima de eso. El recipiente a presión mantiene el aire adentro y la radiación afuera, y el marscreto hace que la estructura sea fuerte y duradera.
Los retos de construir en Marte
Marte es inhóspito tanto para los humanos como para los edificios. Para empezar, están los cambios de temperatura en el planeta, con temperaturas alrededor del ecuador que van desde un alto de 70 grados Fahrenheit (21 grados Celsius) durante el día a menos 100 grados Fahrenheit (menos 73 Celsius) en noche. Eso pone mucho estrés en los materiales de construcción.
“Queríamos tener estructuras que pudieran expandirse y contraerse independientemente unas de otras”, dijo Troemner, para permitir la expansión y contracción durante las noches muy frías de Marte y los días relativamente cálidos. Y las estructuras deben ser lo suficientemente fuertes para soportar la acumulación de polvo de los frecuentes cambios del planeta. tormentas de polvo. “Si tiene una pila de arena en la mitad de su estructura, tiene una condición de carga desequilibrada, ¿qué va a hacer eso?” él explicó. Las tormentas de polvo también pueden afectar la construcción, lo que significa que es necesario permitir el tiempo de inactividad.
1 de 3
Por eso, al equipo de Troemner se le ocurrió la idea de las cúpulas. “Los domos son una buena forma para la expansión térmica y también para la acumulación de dunas de arena”, dijo, y distribuyen las cargas muy bien. Los constructores también reciben un poco de ayuda por la reducción de la gravedad en Marte, "por lo que necesita menos elementos estructurales, necesita un equipo más liviano".
Un gran problema es cómo proteger a los astronautas marcianos de la radiación peligrosa. “El regolito marciano no es realmente tan excelente para protegerse de la radiación que experimentarías en la superficie”, dijo Matthew. El diseño del domo tendría entre uno y tres pies de material entre las personas dentro del hábitat y el ambiente exterior, pero eso no sería suficiente para proteger a los astronautas en el interior.
Agregar azufre al regolito para hacer marscrete ayuda, pero el equipo también agregó fibras de polietileno a la mezcla, lo que aumentaría el efecto de protección. Para un blindaje completo, la estructura interior inflada también tendría más polietileno. Este polietileno podría ser canibalizado del revestimiento de la nave espacial sin tripulación que llevaría la primera ola de suministros a Marte.
El papel de la arquitectura.
Sin embargo, diseñar un hábitat no se trata solo de desafíos de ingeniería. También se trata de crear un espacio en el que las personas puedan vivir y trabajar cómodamente durante un largo período de tiempo, posiblemente bajo mucho estrés o experimentando un aislamiento profundo.
El hábitat del equipo Zopherus se dividió en tres módulos: un laboratorio para operaciones científicas, una unidad comunitaria y una tripulación unidad para necesidades como saneamiento y dormitorios, con la posibilidad de que se agreguen más unidades según la misión necesidades.
1 de 2
Querían que el espacio apoyara tanto las necesidades prácticas como las psicológicas de los astronautas que se quedaran allí, lo que se reflejó en la forma en que diseñaron la unidad comunitaria. “Realmente orientamos ese espacio alrededor de una gran abertura en el nivel superior”, dijo. Una gran ventana permite a los astronautas observar la superficie de Marte mientras se mantienen seguros y cómodos en el interior. “Queríamos maximizar la capacidad de los astronautas para ver su entorno y conectarse con él”.
Eso es importante para completar tareas como, por ejemplo, usar un brazo mecánico para mover cosas en el exterior. Pero también hay un beneficio psicológico significativo. “Si estás encerrado en unos mil pies cuadrados de espacio durante un año en un planeta que quiere matarte en todas partes excepto donde vives, sentir que no estás en una lata es realmente beneficioso”, dijo.
Diseñar para beneficiar psicológicamente a los astronautas no se trata de hacer que un edificio sea atractivo por el simple hecho de hacerlo, sino de encontrar la mejor solución a un problema de diseño.
El equipo también agregó el jardín hidropónico a este espacio para que las plantas reciban luz y para que los astronautas que caminan debajo disfrutarían del descanso psicológico de sentirse como si estuvieran caminando a través de un espacio arbolado. Para Lane, equilibrar esta intersección de necesidades prácticas y psicológicas es un trabajo clave de un arquitecto. “Los arquitectos interactúan entre las necesidades de los humanos y el entorno físico”, dijo. “El entorno físico en el que se encuentra alguien lo afecta psicológica y también operativamente”.
La forma en que lo pensó no fue en términos de necesidades de misión separadas y necesidades psicológicas. En cambio, los ve como interrelacionados. “Esas necesidades psicológicas son en realidad necesidades prácticas cuando se trata de un ser humano”, dijo. “Porque la psicología de sus astronautas afecta directamente su desempeño en la misión”.
Diseñar para beneficiar psicológicamente a los astronautas no se trata de hacer que un edificio sea atractivo por el simple hecho de hacerlo, sino de encontrar la mejor solución a un problema de diseño. Señaló la elegancia y la belleza en muchos aspectos de la ingeniería espacial. “Realmente hay algo hermoso en el diseño que se adapta bien al problema”, dijo, similar a la belleza inherente en muchas formas orgánicas. “Siguiendo las restricciones pragmáticas del problema de diseño, y teniendo en cuenta la salud de los ocupantes y el bienestar y la psicología dan como resultado algo que probablemente será un diseño más agradable estéticamente”.
“Puedes ir demasiado lejos al hacer algo bonito”, dijo. “Pero hacer que funcione bien para la persona que lo habitará, para mí, es una consideración muy práctica”.
Pasar a la clandestinidad
Ambos expertos coincidieron en que el futuro del diseño del hábitat de Marte tenía muchas posibilidades, incluida la posibilidad de moverse debajo de la superficie. La construcción de una base subterránea tiene muchas ventajas, como mantener a las personas a salvo de la radiación y las tormentas de polvo. Pero también tiene sus desafíos.
Cuando se trata de la construcción subterránea, "todavía hay muchas incógnitas", dijo Troemner. Hay mucho que no sabemos sobre la composición del subsuelo de Marte y cómo construir en ese entorno. “Al menos como un primer paso, si estamos hablando del futuro cercano, algo en la superficie tiene más sentido porque no hay los mismos niveles de incógnitas que habría al excavar”.
Sin embargo, una vez que hayamos estado en Marte por un tiempo, eso podría cambiar. “A largo plazo, después de haber creado unas primeras estructuras iniciales, ha tenido más rovers en la superficie, tal vez ha tenido astronautas en la superficie, entonces tal vez una base subterránea sea el camino a seguir en el futuro”, dijo.
Lane estuvo de acuerdo. Pensó que la primera misión a Marte podría involucrar a personas que se quedaran en "cosas en la superficie que en su mayoría provenían de la Tierra", como las misiones Apolo a la luna. Pero para que más personas se queden por períodos de tiempo más largos, se necesita una infraestructura más permanente. “En ese momento, comienzas a pasar a la clandestinidad o a imprimir en 3D tus hábitats”, dijo.
Eventualmente, Lane imaginó una amplia variedad de hábitats diseñados y construidos por diferentes agencias o compañías espaciales. “Vamos a ver más variedad en nuestros hábitats que estamos creando, porque nuestras necesidades serán más variadas y necesitaremos acomodarnos a más escala”, dijo. A partir de esa variedad, aprenderemos más sobre cuál es la mejor manera de vivir en otro planeta, lo que nos ayudará a construir hábitats aún mejores en el futuro. “Que es algo que me emociona mucho, en las próximas décadas de humanos aventurándose en la luna y Marte”.
Este artículo es parte de Vida en Marte, una serie de 10 partes que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte.
Recomendaciones de los editores
- Comunicaciones cósmicas: cómo los primeros humanos en Marte se comunicarán con la Tierra
- Astropsicología: cómo mantenerse cuerdo en Marte
- Atmósferas artificiales: cómo construiremos una base con aire respirable en Marte
- Astroagricultura: cómo sembraremos cultivos en Marte
- El polvo marciano es un gran problema para los astronautas. Así es como la NASA lo combate
