Kuidas Marsi esimesed asukad mullaga elupaiku loovad

Mis puutub inimestesse, kes külastavad Marsi ja vajavad ööbimiskohta, siis NASA-l on ambitsioonikas plaan: kasutada planeedilt leitud toorainet elupaiga kohapeal 3D-printimiseks. See oli 3D-Printed Habitat Challenge teema, mille agentuur paar aastat tagasi käivitas ja mis kutsus disainerite meeskondi probleemile parima lahenduse leidma.

Kuidas siis täpselt muuta hunnik Marsi tolmu mugavaks koduks? Selle väljaselgitamiseks vestlesime kahe sellel konkursil osalenud eksperdiga - arhitekt Trey Lane'iga võitnud meeskonnast Zopherus ja insener Matthew Troemner Northwesterni ülikooli meeskonnast – kuidas kujundada ja ehitada elupaika teisele planeet.

See artikkel on osa Elu Marsil10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata.

Kohalike ressursside kasutamine

Planeerimisel a elupaik Marsi jaoks

, suurim piirang on see, kui palju materjali saab Maalt tuua. Iga raketile laaditud massi lisagramm on kütuse osas märkimisväärne kulu, mistõttu pole lihtsalt otstarbekas tuua kaasa hoone väärtuses ehitusmaterjale. Seetõttu tuleb esimesed elupaigad rajada Marsil kohapeal saadaolevate toorainete abil.

See on kindlasti erinev viis ehitusele lähenemiseks, nagu ütles meile konkursi võitnud Zopheruse meeskonna arhitekt Trey Lane.

Oma varajases uurimistöös ei leidnud Lane palju võimalusi suuremahuliste 3D-printimise projektide jaoks, kasutades kohalikke materjale, nii et ta pöördus ootamatu inspiratsiooniallika poole: putukad. "Hakkasime vaatama herilasi, ämblikke ja mardikaid," ütles ta. "Sadu miljoneid aastaid on nad elupaikade loomiseks teinud põhiliselt 3D-printimist." Putukad lähevad keskkonda, leiavad ressursid, töödelda need kasutatavaks materjaliks ja ehitada nende vajaduste rahuldamiseks kõige praktilisem elupaik – täpselt nagu Lane tahtis teha. "Ausalt öeldes leidsime, et putukad on paremad mudelid 3D-prinditud autonoomse kohaliku ressursikasutuse elupaiga ehitamiseks kui inimesed."

Tema meeskond nägi ette elupaika, kuhu kuulusid kulgurid, mis läheksid keskkonda ja koguksid materjale ning tooksid need seejärel tagasi edasiseks ehitamiseks. "See on paljuski nagu herilane, kes läheb ja närib natuke kohalikke ressursse ning muudab selle papjeemašeeks ja ehitab sellest oma pesa."

Selle lähenemisviisi rakendamisel ehituses on eeliseid nii Marsil kui ka Maal. "Asjaolu, et kasutate kohalikke ressursse, muudab kosmosemissioonide jaoks tohutult palju, " ütles ta. Selle asemel, et loota pikkadele tarneahelatele, saate olla materjalide ja energia osas palju tõhusam. Lisaks on 3D-printimise lähenemisviis traditsioonilisest ehitusest turvalisem. "Ehitus on riskantne tööstus... Nii et kui saate teatud aspekte iseseisvalt teha, on teil ka ohutusega seotud eelised."

3D-printimine võib olla ka kiirem ja odavam ning see võimaldab teatud määral disainivabadust. "Arhitekti vaatenurgast avaneb 3D-printimisel teatud vabadus, " ütles ta. Te ei pea lootma masstoodetud materjalidele, nagu kaks korda neli, mis kipuvad olema tasased ja sirged, nii et saate kujundada keerukamaid kujundeid. "See vabastab teid lahenduse jaoks kohandatud disaini loomisel."

Kuidas elupaika 3D-printida

Kui mõtlete 3D-printimisele, mõtlete tõenäoliselt mõne tolli laiuste esemete printimiseks mõeldud lauaarvutile. Kui rääkida infrastruktuuri mastaabis 3D-printimisest, on teil vaja palju suuremat riistvara, kuid see on põhimõtteliselt sarnane protsess – "kui te kasutaksite sarnast tarkvara, kasutaksite sarnaseid liikumistehnikaid," ütles Matthew Troemner, Ph.D. selgitas Northwesterni ülikooli kandidaat ja ülikooli Marsi elupaikade meeskonna juht.

Erinevus seisneb materjali ladestamise viisis. Lauaarvuti 3D-printerid kasutavad sulatatud sadestamise meetodit, "mis on sisuliselt nagu sulanud plastnöör," ütles Troemner. Ja kuigi seda on võimalik suurendada, soovis Troemneri meeskond Marsile printimiseks kasutada teist tüüpi materjali, mida nimetatakse marscrete'iks või Marsi betooniks. "Me segame materjali eelnevalt kokku, loome teatud tüüpi pasta ja seejärel ekstrudeerime selle", enne kui laseme sellel kõveneda või kõveneda, selgitas ta.

Marscrete'i valmistamiseks segatakse Marsi regoliit - tolmune pinnaselaadne aine, mis katab planeedi pinda - väävliga. Väävelbetooni on Maal kasutatud aastakümneid ning see on tugev ja kulumiskindel, mistõttu on see ideaalne Marsil ehitamiseks. Kui see on segatud, saab selle elupaiga moodustamiseks vormida.

"Marsi või kosmoserakenduste jaoks on teil mingi käsi, mis liigub ja ladestab materjali," ütles ta. Maal on käsivarre tüüpi mehhanismid suuremahuliseks printimiseks vähem populaarsed kui pukk-tüüpi mehhanismid, kuna nendega saab printida ainult piiratud suuruses – põhimõtteliselt käeulatuses. Kuid mida keerulisem on printimisriistvara, seda rohkem asju võib valesti minna. Teisele planeedile ehitades on oluline hoida asjad võimalikult lihtsad.

Troemneri meeskond tegi ettepaneku kasutada täispuhutavat surveanumat - sisuliselt hiiglaslikku ja tugevat õhupalli täidetakse õhuga, et moodustada kupli kuju, mille peale kasutatakse marskreeti trükkimiseks õlamehhanismi. Surveanum hoiab õhu sisse ja kiirguse väljas ning marskreet muudab konstruktsiooni tugevaks ja vastupidavaks.

Marsile ehitamise väljakutsed

Marss on ebasõbralik nii inimestele kui ka hoonetele. Alustuseks on planeedil temperatuurikõikumised, kusjuures temperatuurid ekvaatori ümbruses ulatuvad kõrgest 70 kraadi Fahrenheiti (21 kraadi Celsiuse järgi) päeval kuni miinus 100 kraadi Fahrenheiti (miinus 73 Celsiuse järgi) öö. See paneb ehitusmaterjalidele palju stressi.

"Tahtsime luua struktuure, mis saaksid üksteisest sõltumatult laieneda ja kokku tõmbuda," ütles Troemner, et võimaldada laienemist ja kokkutõmbumist Marsi väga külmadel öödel ja suhteliselt soojadel päevadel. Ja struktuurid peavad olema piisavalt tugevad, et taluda planeedi sagedast tolmu kogunemist tolmutormid. "Kui teil on poolel konstruktsioonil liivahunnik, on laadimisseisund tasakaalustamata, mida see teeb?" selgitas ta. Tolmutormid võivad mõjutada ka ehitust, mis tähendab, et tuleb arvestada seisakutega.

Seetõttu tuli Troemneri meeskond kuplite idee välja. "Kuplid on heas vormis nii soojuspaisumiseks kui ka liivaluidete tekkeks," ütles ta ja jaotavad koormust väga hästi. Ehitajaid aitab tegelikult ka Marsi vähenenud gravitatsioon, "nii et teil on vaja vähem konstruktsioonielemente, vajate kergemat seadet."

Üks suur probleem on see, kuidas kaitsta Marsi astronaute ohtliku kiirguse eest. "Marsi regoliit ei ole tegelikult nii suurepärane kaitseks pinnal kogetava kiirguse eest," ütles Matthew. Kupli kujunduses oleks elupaigas olevate inimeste ja väliskeskkonna vahel üks kuni kolm jalga materjali, kuid ei piisaks sees olevate astronautide kaitsmiseks.

Väävli lisamine regoliidile marskreeti valmistamiseks aitab, kuid meeskond lisas segule ka polüetüleenkiude, mis suurendaks varjestusefekti. Täieliku varjestuse tagamiseks oleks sisepuhutud konstruktsioonis ka rohkem polüetüleeni. Seda polüetüleeni saab kannibaliseerida mehitamata kosmoselaeva vooderdist, mis viiks Marsile esimese tarnelaine.

Arhitektuuri roll

Elupaiga kujundamine ei tähenda siiski ainult inseneriprobleeme. See on ka ruumi loomine, kus inimesed saavad pikka aega mugavalt elada ja töötada, olles potentsiaalselt suures stressis või kogevad sügavat isolatsiooni.

Team Zopheruse elupaik jagunes kolmeks mooduliks: teadusoperatsioonide labor, kommunaalüksus ja meeskond üksus selliste vajaduste jaoks nagu kanalisatsioon ja magamisruumid, võimalusega, et missioonist lähtuvalt võidakse lisada rohkem üksusi vajadustele.

Nad soovisid, et ruum toetaks nii seal viibivate astronautide praktilisi vajadusi kui ka psühholoogilisi vajadusi, mis kajastus kommunaalüksuse kujundamises. "Me tõesti orienteerisime selle ruumi ülemisel tasandil asuva suure ava ümber, " ütles ta. Suur aken võimaldab astronautidel vaadata Marsi pinnale, viibides samas turvaliselt ja mugavalt. "Tahtsime maksimeerida astronautide võimet näha oma ümbrust ja sellega ühenduse luua."

See on oluline ülesannete täitmiseks, näiteks mehaanilise käe kasutamine asjade väljas liigutamiseks. Kuid sellel on ka märkimisväärne psühholoogiline kasu. "Kui olete aastaks umbes tuhande ruutjalga ruumis kokku pandud planeedil, mis tahab teid tappa kõikjal, välja arvatud seal, kus sa elad, on tunne, et sa pole purgis, on tõesti kasulik, ”sõnas ta.

Meeskond lisas sellesse ruumi ka hüdropoonika aia nii selleks, et taimed saaksid valgust, kui ka nii allpool kõndivad astronaudid naudiksid psühholoogilist pausi, tundes, nagu nad kõnniksid läbi a metsane ruum. Lane'i jaoks on praktiliste ja psühholoogiliste vajaduste ristumiskoha tasakaalustamine arhitekti põhitöö. "Arhitektid ühendavad inimeste ja füüsilise keskkonna vajadused," ütles ta. "Füüsiline keskkond, milles keegi viibib, mõjutab teda psühholoogiliselt ja ka operatiivselt."

See, kuidas ta sellest mõtles, ei lähtunud eraldi missioonivajadustest ja psühholoogilistest vajadustest. Selle asemel näeb ta neid omavahel seotud olevat. "Need psühholoogilised vajadused on tegelikult praktilised vajadused, kui tegelete inimesega," ütles ta. "Kuna teie astronautide psühholoogia mõjutab otseselt nende jõudlust missioonil."

Astronautidele psühholoogiliselt kasulik projekteerimine ei tähenda hoone atraktiivseks muutmist selle huvides, vaid disainiprobleemile parima lahenduse leidmist. Ta tõi esile elegantsi ja ilu kosmosetehnika paljudes aspektides. "Disainis on tõesti midagi ilusat, mis sobib probleemiga hästi," ütles ta sarnaselt paljudele orgaanilistele vormidele omase iluga. "Järgides disainiprobleemi pragmaatilisi piiranguid ning võttes arvesse sõitjate tervist ja heaolu ja psühholoogia tulemuseks on midagi, mis on tõenäoliselt esteetiliselt meeldivam.

"Te võite minna millegi ilusa tegemisega liiga kaugele," ütles ta. "Kuid see, et see töötaks hästi inimese jaoks, kes seda elama hakkab, on minu jaoks väga praktiline kaalutlus."

Maa alla minek

Mõlemad eksperdid nõustusid, et Marsi elupaikade kujundamise tulevikul on palju võimalusi, sealhulgas potentsiaalselt pinnast allapoole liikumine. Maa-aluse baasi ehitamisel on palju eeliseid, näiteks inimeste kaitsmine kiirguse ja tolmutormide eest. Kuid sellel on ka oma väljakutsed.

Mis puutub maa-alusesse ehitusse, siis "on veel nii palju tundmatut," ütles Troemner. Marsi aluspinna koostise ja selles keskkonnas ehitamise kohta me ei tea palju. "Vähemalt esimese sammuna, kui me räägime lähitulevikust, on midagi pealispinnal mõistlikum, sest seal pole sama palju tundmatuid kui kaevamisel."

Kui oleme aga mõnda aega Marsil olnud, võib see muutuda. "Pikaajaliselt, pärast seda, kui olete loonud paar esimest esialgset struktuuri, on teil pinnale ilmunud rohkem kulgureid, võib-olla kui teil on pinnal olnud astronaude, siis võib-olla on maa-alune baas tulevikus õige tee,“ ütles ta.

Lane nõustus. Ta arvas, et esimene missioon Marsile võib hõlmata inimesi, kes viibivad "pinnal olevates asjades, mis pärinesid enamasti Maalt", nagu Apollo missioonid Kuule. Kuid selleks, et rohkem inimesi peatuks pikemaks ajaks, on vaja püsivamat infrastruktuuri. "Sel hetkel hakkate maa alla minema või oma elupaiku 3D-printima, " ütles ta.

Lõpuks nägi Lane ette mitmesuguseid elupaiku, mille on kavandanud ja ehitanud erinevad kosmoseagentuurid või ettevõtted. "Me näeme oma lootavates elupaikades rohkem mitmekesisust, sest meie vajadused muutuvad mitmekesisemaks ja peame kohanema suurema mastaabiga," ütles ta. Sellest mitmekesisusest saame rohkem teada, milline on parim viis teisel planeedil elada, mis aitab meil tulevikus veelgi paremaid elupaiku ehitada. "See on midagi, millest ma olen väga põnevil, kui inimesed järgmistel aastakümnetel Kuule ja Marsile seiklevad."

See artikkel on osa Elu Marsil10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata.

Toimetajate soovitused

• Kosmilised sidemed: kuidas esimesed inimesed Marsil Maaga suhtlevad
• Astropsühholoogia: kuidas Marsil mõistuse juures püsida
• Tehisatmosfäär: kuidas ehitame Marsile hingava õhuga baasi
• Astropõllumajandus: kuidas me Marsil põllukultuure kasvatame
• Marsi tolm on astronautide jaoks suur probleem. Siit saate teada, kuidas NASA sellega võitleb