Kuinka Marsin ensimmäiset uudisasukkaat luovat elinympäristöjä maaperän kanssa

Kun kyse on ihmisten vierailemisesta Marsissa ja tarvitsevan yöpymispaikkaa, NASA: lla on kunnianhimoinen suunnitelma: käyttää planeetalta löydettyjä raaka-aineita elinympäristön 3D-tulostukseen in situ. Tämä oli aiheena 3D-Printed Habitat Challengessa, jonka virasto aloitti muutama vuosi sitten ja joka kutsui suunnittelijoita esittämään parhaan ratkaisunsa ongelmaan.

Miten siis tarkalleen ottaen muutamme joukon Mars-pölyä mukavaksi kodiksi? Selvittääksemme asian, keskustelimme kahden kilpailuun osallistuneen asiantuntijan kanssa – arkkitehti Trey Lanen kanssa voittaneesta Team Zopherusista. ja insinööri Matthew Troemner Northwestern Universityn tiimistä – kuinka suunnitella ja rakentaa elinympäristö toiselle planeetta.

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa, 10-osainen sarja, joka tutkii uusinta tiedettä ja teknologiaa, jonka avulla ihmiset voivat miehittää Marsin.

Paikallisten resurssien käyttö

Kun suunnittelet a elinympäristö Marsille, suurin rajoitus on se, kuinka paljon materiaalia voit tuoda maapallolta. Jokaisella raketille ladatulla ylimääräisellä grammalla massaa on huomattava polttoainekustannus, joten rakennuksen rakennusmateriaaleja ei yksinkertaisesti ole mahdollista tuoda mukaan. Siksi ensimmäiset elinympäristöt on rakennettava käyttämällä raaka-aineita, joita on paikallisesti saatavilla Marsissa.

Se on varmasti erilainen tapa lähestyä rakentamista, kuten kilpailun voittaneen Team Zopheruksen arkkitehti Trey Lane kertoi meille.

Varhaisessa tutkimuksessaan Lane ei löytänyt paljoakaan tapaa tehdä laajamittaisia ​​3D-tulostusprojekteja paikallisia materiaaleja käyttäen, joten hän kääntyi odottamattoman inspiraation lähteen: hyönteisten puoleen. "Aloimme tarkastella ampiaisia, hämähäkkejä ja kovakuoriaisia", hän sanoi. "He ovat tehneet satojen miljoonien vuosien ajan pääasiassa 3D-tulostusta elinympäristöjen luomiseksi." Hyönteiset menevät ympäristöön, löydä resursseja, prosessoi ne käyttökelpoiseksi materiaaliksi ja rakenna käytännöllisin elinympäristö heidän tarpeisiinsa - aivan kuten Lane halusi tehdä. "Huomasimme rehellisesti, että hyönteiset ovat parempia malleja 3D-tulostetun, autonomisen, paikallisia resursseja hyödyntävän elinympäristön rakentamiseen kuin ihmiset."

Hänen tiiminsä visioi elinympäristön, johon kuului roverit, jotka lähtisivät ympäristöön keräämään materiaaleja ja tuomaan ne sitten takaisin jatkorakentamista varten. "Se on monella tapaa kuin ampiainen, joka menee ja pureskelee vähän paikallisia resursseja ja muuttaa siitä paperimassaksi ja rakentaa siitä pesänsä."

Tämän lähestymistavan soveltamisesta rakentamiseen on etuja, olipa kyse sitten Marsista tai Maasta. "Se, että käytät paikallisia resursseja, on valtava ero avaruustehtävissä", hän sanoi. Sen sijaan, että luottaisit pitkiin toimitusketjuihin, voit olla paljon tehokkaampi materiaalien ja energian suhteen. Lisäksi 3D-tulostus on turvallisempaa kuin perinteinen rakentaminen. "Rakennus on riskialtis toimiala... Joten jos voit tehdä tietyt osat itsenäisesti, sinulla on myös turvallisuusetu."

Se voi myös olla nopeampi ja halvempi 3D-tulostus, ja se mahdollistaa jonkin verran suunnittelun vapautta. "Arkkitehdin näkökulmasta 3D-tulostuksessa on tietty määrä vapautta", hän sanoi. Sinun ei tarvitse luottaa massatuotantomateriaaleihin, kuten kaksi kertaa neljään, jotka ovat yleensä tasaisia ​​ja suoria, joten voit suunnitella monimutkaisempia muotoja. "Se vapauttaa sinut luomaan ratkaisuun räätälöidyn suunnittelun."

Kuinka 3D-tulostaa elinympäristö

Kun ajattelet 3D-tulostusta, ajattelet todennäköisesti pöytäkonetta muutaman tuuman levyisten kohteiden tulostamiseen. Infrastruktuurilaajuisen 3D-tulostuksen suhteen tarvitset paljon suuremman laitteiston, mutta se on käsitteellisesti samanlainen prosessi - "jos käyttäisit samanlaisia ​​ohjelmistoja, käyttäisit samanlaisia ​​liiketekniikoita", kuten Matthew Troemner, Ph.D. ehdokas Northwestern Universityssä ja yliopiston Mars-elinympäristöryhmän johtaja, selitti.

Ero on materiaalin kerrostavassa. Pöytäkoneen 3D-tulostimet käyttävät sulatettua pinnoitusmenetelmää, "joka on pohjimmiltaan kuin sulanut muovinauha", Troemner sanoi. Ja vaikka tätä on mahdollista skaalata suuremmaksi, Mars-tulostukseen Troemnerin tiimi halusi käyttää erityyppistä materiaalia nimeltä marscrete tai Mars-betoni. "Esisekoitamme materiaalia, luomme eräänlaisen tahnan ja sitten pursotamme sen" ennen kuin annamme sen kovettua tai kovettua, hän selitti.

Marscrete valmistetaan sekoittamalla Marsin regoliittia – pölyistä, maaperän kaltaista ainetta, joka peittää planeetan pinnan – rikin kanssa. Rikkibetoni on ollut käytössä maapallolla vuosikymmeniä, ja se on vahvaa ja kulutusta kestävää, minkä vuoksi se on ihanteellinen rakentamiseen Marsiin. Kun se on sekoitettu, se voidaan muotoilla muotoihin elinympäristön muodostamiseksi.

"Marsissa tai avaruussovelluksissa sinulla olisi jonkinlainen käsivarsi, joka liikkuu ja kerää materiaalia", hän sanoi. Maapallolla käsivarsityyppiset mekanismit ovat vähemmän suosittuja kuin portaalityyliset mekanismit suuressa mittakaavassa, koska niillä voidaan tulostaa vain rajoitetussa koossa – lähinnä käsivarren ulottuvilla. Mutta mitä monimutkaisempi tulostuslaitteisto on, sitä enemmän asioita voi mennä pieleen. Toiselle planeetalle rakennettaessa on arvoa pitää asiat mahdollisimman yksinkertaisina.

Troemnerin tiimi ehdotti puhallettavan paineastian - lähinnä jättimäisen, vahvan ilmapallon - käyttöä täytetään ilmalla kupolin muodon muodostamiseksi, ja sen päälle käytetään varsimekanismia, jolla tulostetaan marscrete. Paineastia pitää ilman sisällä ja säteilyn poissa, ja marscrete tekee rakenteesta vahvan ja kestävän.

Marsiin rakentamisen haasteet

Mars on epäystävällinen sekä ihmisille että rakennuksille. Ensinnäkin planeetalla on lämpötilavaihteluita, ja lämpötilat päiväntasaajalla vaihtelevat korkeista 70 Fahrenheit-astetta (21 Celsius-astetta) päivän aikana miinus 100 Fahrenheit-asteeseen (miinus 73 Celsius-astetta) yö. Se rasittaa rakennusmateriaaleja paljon.

"Halusimme rakenteita, jotka voisivat laajentua ja supistua toisistaan ​​riippumatta", Troemner sanoi salliaksemme laajenemisen ja supistumisen Marsin erittäin kylminä öinä ja suhteellisen lämpiminä päivinä. Ja rakenteiden on oltava riittävän vahvoja kestämään planeetan usein kerääntyvän pölyn pölymyrskyt. "Jos sinulla on hiekkakasa puolessa rakenteesta, sinulla on epätasapainoinen kuormitustila, mitä se tekee?" hän selitti. Myös pölymyrskyt voivat vaikuttaa rakentamiseen, mikä tarkoittaa, että seisokkeihin on varauduttava.

Siksi Troemnerin tiimi keksi idean kupuista. "Kupolit ovat hyvässä kunnossa lämpölaajenemiseen ja myös hiekkadyynien muodostumiseen", hän sanoi, ja ne jakavat kuorman erittäin hyvin. Rakentajia auttaa itse asiassa myös Marsin vähentynyt painovoima, "joten tarvitset vähemmän rakenneosia, tarvitset kevyemmän laitteiston."

Yksi suuri ongelma on kuinka suojella Marsin astronautit vaaralliselta säteilyltä. "Marsin regoliitti ei todellakaan ole niin erinomainen suojaamaan pinnalla koettavalta säteilyltä", Matthew sanoi. Kupusuunnittelussa olisi 1–3 jalkaa materiaalia elinympäristön sisällä olevien ihmisten ja ulkoympäristön välillä, mutta ei riittäisi sisällä olevien astronauttien suojelemiseksi.

Rikin lisääminen regoliittiin marscreten valmistamiseksi auttaa, mutta tiimi lisäsi seokseen myös polyeteenikuituja, mikä lisäisi suojavaikutusta. Täydellistä suojausta varten sisäilman puhalletussa rakenteessa olisi myös enemmän polyeteeniä. Tämä polyeteeni voitaisiin kannibalisoida miehittämättömän avaruusaluksen vuorauksesta, joka kuljettaisi ensimmäisen aallon tarvikkeita Marsiin.

Arkkitehtuurin rooli

Elinympäristön suunnittelussa ei kuitenkaan ole kyse vain teknisistä haasteista. Kyse on myös tilan luomisesta, jossa ihmiset voivat asua ja työskennellä mukavasti pitkän aikaa, mahdollisesti kovasti stressaantuneena tai syvästi eristyneinä.

Team Zopheruksen elinympäristö jaettiin kolmeen moduuliin: Tiedeoperaatioiden laboratorio, yhteisöyksikkö ja miehistö yksikkö tarpeisiin, kuten sanitaatio- ja makuutilat, ja mahdollisuus, että yksiköitä voitaisiin lisätä tehtävän perusteella tarpeisiin.

He halusivat tilan tukevan sekä siellä oleskelevien astronautien käytännön tarpeita että psykologisia tarpeita, mikä näkyi heidän yhteisen yksikön suunnittelussa. "Me todella suuntasimme sen tilan suuren aukon ympärille ylätasolla", hän sanoi. Suuren ikkunan ansiosta astronautit voivat katsoa ulos Marsin pinnalle ja pysyä turvassa ja mukavasti sisällä. "Halusimme maksimoida astronautien kyvyn nähdä ympäristönsä ja muodostaa yhteyden siihen."

Se on tärkeää suoritettaessa tehtäviä, kuten esimerkiksi mekaanisen käden käyttäminen tavaroiden siirtämiseen ulkona. Mutta siitä on myös merkittävä psykologinen hyöty. "Jos olet noin tuhannen neliömetrin tilassa vuodeksi planeetalla, joka haluaa tappaa sinut kaikkialla paitsi siellä, missä asut, tunne, että et ole purkissa, on todella hyödyllistä", hän sanoi.

Tiimi lisäsi tähän tilaan myös hydroponisen puutarhan, jotta kasvit saisivat valoa ja niin alta kävelevät astronautit nauttivat psykologisesta tauosta, kun he tuntuivat kävelevän a metsäinen tila. Lanelle käytännön ja psykologisten tarpeiden risteyksen tasapainottaminen on arkkitehdin avaintehtävä. "Arkkitehdit yhdistävät ihmisten tarpeet ja fyysisen ympäristön", hän sanoi. "Fyysinen ympäristö, jossa joku on, vaikuttaa häneen henkisesti ja myös toiminnallisesti."

Tapa, jolla hän ajatteli siitä, ei liittynyt erillisiin lähetystarpeisiin ja psykologisiin tarpeisiin. Sen sijaan hän näkee ne liittyvät toisiinsa. "Nuo psykologiset tarpeet ovat itse asiassa käytännön tarpeita, kun olet tekemisissä ihmisen kanssa", hän sanoi. "Koska astronautinne psykologia vaikuttaa suoraan heidän suoritukseensa tehtävässä."

Suunnittelussa, joka hyödyttää astronautteja psykologisesti, ei ole kyse rakennuksen houkuttelemisesta sen vuoksi, vaan parhaan ratkaisun löytämisestä suunnitteluongelmaan. Hän korosti eleganssia ja kauneutta monilla avaruustekniikan osa-alueilla. "Muunnittelussa on todella jotain kaunista, joka sopii hyvin ongelmaan", hän sanoi, samalla tavalla kuin monien orgaanisten muotojen luontainen kauneus. ”Noudattamalla suunnitteluongelman pragmaattisia rajoitteita ja huomioimalla matkustajien terveyden ja hyvinvointi ja psykologia johtavat johonkin, joka on luultavasti esteettisesti miellyttävämpi.

"Voit mennä liian pitkälle tekemässä jotain kaunista", hän sanoi. "Mutta sen saaminen toimimaan hyvin siellä asuvalle henkilölle, minulle, on hyvin käytännöllinen näkökohta."

Menee maan alle

Molemmat asiantuntijat olivat yhtä mieltä siitä, että Marsin elinympäristösuunnittelun tulevaisuudella on monia mahdollisuuksia, mukaan lukien mahdollinen siirtyminen pinnan alle. Maanalaisen tukikohdan rakentamisella on monia etuja, kuten ihmisten turvassa säteilyltä ja pölymyrskyiltä. Mutta siinä on myös omat haasteensa.

Mitä tulee maanalaiseen rakentamiseen, "On vielä niin paljon tuntemattomia", Troemner sanoi. Emme tiedä paljon Marsin pinnan koostumuksesta ja rakentamisesta siinä ympäristössä. "Ainakin ensiaskeleena, jos puhumme lähitulevaisuudesta, jotain pinnalla on järkevämpää, koska tuntemattomien tasoja ei ole samalla tasolla kuin kaivettaessa."

Mutta kun olemme olleet Marsissa jonkin aikaa, se saattaa muuttua. "Pitkällä aikavälillä, kun olet luonut muutaman ensimmäisen alkurakenteen, pinnalla on ollut enemmän rovereita, ehkä teillä on ollut astronautteja pinnalla, niin ehkä maanalainen tukikohta on oikea tie tulevaisuudessa", hän sanoi.

Lane suostui. Hän arveli, että ensimmäisessä Mars-matkassa ihmiset pysyisivät "pinnalla olevissa tavaroissa, jotka olivat enimmäkseen maasta peräisin", kuten Apollo-matkat kuuhun. Mutta jos useammat ihmiset viipyvät pidempään, tarvitset pysyvämmän infrastruktuurin. "Siinä vaiheessa alat mennä maan alle tai 3D-tulostaa elinympäristöjäsi", hän sanoi.

Lopulta Lane visioi monenlaisia ​​elinympäristöjä, jotka eri avaruusvirastot tai yritykset suunnittelivat ja rakensivat. "Näemme lisää monimuotoisuutta luomissamme elinympäristöissämme, koska tarpeemme ovat monimuotoisempia ja meidän on mukauduttava enemmän mittakaavaan", hän sanoi. Tästä lajikkeesta opimme lisää siitä, mikä on paras tapa elää toisella planeetalla, mikä auttaa meitä rakentamaan entistä parempia elinympäristöjä tulevaisuudessa. "Mistä olen todella innoissani seuraavina vuosikymmeninä, kun ihmiset lähtevät kuuhun ja Marsiin."

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa, 10-osainen sarja, joka tutkii uusinta tiedettä ja teknologiaa, jonka avulla ihmiset voivat miehittää Marsin.

Toimittajien suositukset

• Kosminen viestintä: Kuinka ensimmäiset ihmiset Marsissa kommunikoivat maan kanssa
• Astropsykologia: Kuinka pysyä järkevänä Marsissa
• Keinotekoiset ilmakehät: Kuinka rakennamme tukikohdan hengittävällä ilmalla Marsiin
• Astromaatalous: Kuinka kasvatamme satoja Marsissa
• Marsin pöly on suuri ongelma astronauteille. Näin NASA taistelee sitä vastaan