Comment les premiers colons de Mars créeront des habitats avec de la terre

En ce qui concerne les humains visitant Mars et ayant besoin d'un endroit pour rester, la NASA a un plan ambitieux: utiliser des matières premières trouvées sur la planète pour imprimer en 3D un habitat in situ. C'était le sujet du 3D-Printed Habitat Challenge que l'agence a lancé il y a quelques années, qui invitait des équipes de designers à pitcher leur meilleure solution au problème.

Alors, comment transformer exactement un tas de poussière de Mars en une maison confortable? Pour le savoir, nous avons parlé à deux experts qui ont participé à ce concours - l'architecte Trey Lane de l'équipe gagnante Zopherus et l'ingénieur Matthew Troemner de l'équipe de l'Université Northwestern - sur la façon de concevoir et de construire un habitat sur un autre planète.

Cet article fait partie de Vie sur Mars, une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars.

Utilisation des ressources locales

Lors de la planification d'un habitat pour Mars, la plus grande limitation est la quantité de matériel que vous pouvez rapporter de la Terre. Chaque gramme supplémentaire de masse chargé sur une fusée a un coût important en termes de carburant, il n'est donc tout simplement pas possible d'apporter la valeur d'un bâtiment en matériaux de construction. C'est pourquoi les premiers habitats devront être construits avec des matières premières disponibles localement sur Mars.

C'est certainement une façon différente d'aborder la construction, comme nous l'a dit Trey Lane, architecte de l'équipe gagnante du concours Zopherus.

Dans ses premières recherches, Lane n'a pas trouvé grand-chose en matière de projets d'impression 3D à grande échelle utilisant des matériaux locaux, il s'est donc tourné vers une source d'inspiration inattendue: les insectes. "Nous avons commencé à regarder les guêpes, les araignées et les coléoptères", a-t-il déclaré. "Depuis des centaines de millions d'années, ils font essentiellement de l'impression 3D pour créer des habitats." Les insectes sortent dans l'environnement, trouvent ressources, les transformer en matériaux utilisables et construire l'habitat le plus pratique pour répondre à leurs besoins - tout comme ce que Lane voulait faire. "Nous avons découvert, honnêtement, que les insectes sont de meilleurs modèles que les humains pour construire un habitat d'utilisation des ressources locales autonome et imprimé en 3D."

Son équipe a imaginé un habitat comprenant des rovers qui sortiraient dans l'environnement et collecteraient des matériaux, puis les ramèneraient pour une construction ultérieure. "À bien des égards, c'est comme une guêpe qui va mâcher un peu de ressources locales et les transforme en papier mâché et construit son nid à partir de cela."

Il y a des avantages à appliquer cette approche à la construction, que ce soit sur Mars ou sur Terre. "Le fait que vous utilisiez des ressources locales fait une énorme différence pour les missions spatiales", a-t-il déclaré. Au lieu de compter sur de longues chaînes d'approvisionnement, vous pouvez être beaucoup plus efficace en termes de matériaux et d'énergie. De plus, l'approche d'impression 3D est plus sûre que la construction traditionnelle. "La construction est une industrie à risque … Donc, si vous pouvez en faire certains aspects de manière autonome, vous bénéficiez également d'un avantage en matière de sécurité."

Il peut également être plus rapide et moins cher à imprimer en 3D, et il permet une certaine liberté de conception. "Du point de vue d'un architecte, il y a une certaine liberté qui s'ouvre lorsque vous imprimez en 3D", a-t-il déclaré. Vous n'avez pas besoin de vous fier à des matériaux produits en série comme deux par quatre, qui ont tendance à être plats et droits, vous pouvez donc concevoir des formes plus complexes. "Cela vous libère pour créer un design adapté à la solution."

Comment imprimer un habitat en 3D

Lorsque vous pensez à l'impression 3D, vous pensez probablement à une machine de bureau pour imprimer des éléments de quelques centimètres de large. Lorsqu'il s'agit d'impression 3D à l'échelle de l'infrastructure, vous avez besoin d'un matériel beaucoup plus volumineux, mais c'est un concept similaire processus - "dans la mesure où vous utiliseriez un logiciel similaire, vous utiliseriez des techniques de mouvement similaires", comme Matthew Troemner, Ph. D. candidat à la Northwestern University et chef de l'équipe de l'habitat martien de l'université, a expliqué.

La différence réside dans la manière dont le matériau est déposé. Les imprimantes 3D de bureau utilisent une méthode de dépôt par fusion, "qui ressemble essentiellement à une ficelle en plastique fondue", a déclaré Troemner. Et bien qu'il soit possible d'augmenter cela, pour l'impression sur Mars, l'équipe de Troemner a voulu utiliser un autre type de matériau appelé marscrete, ou béton de Mars. "Nous pré-mélangeons le matériau, créons une sorte de pâte, puis l'extrudons" avant de le laisser durcir ou durcir, a-t-il expliqué.

Marscrete est fabriqué en mélangeant du régolithe martien – la substance poussiéreuse semblable à un sol qui recouvre la surface de la planète – avec du soufre. Le béton au soufre est utilisé sur Terre depuis des décennies et est solide et résistant à l'usure, ce qui le rend idéal pour la construction sur Mars. Une fois mélangé, il peut être mis en forme pour former un habitat.

"Pour Mars ou les applications spatiales, vous auriez une sorte de bras qui déplace et dépose des matériaux", a-t-il déclaré. Sur Terre, les mécanismes de type bras sont moins populaires que les mécanismes de type portique pour l'impression à grande échelle car ils ne peuvent imprimer qu'à une taille limitée - essentiellement, la portée du bras. Mais plus le matériel d'impression est complexe, plus il y a de problèmes qui peuvent mal tourner. Il est important de garder les choses aussi simples que possible lors de la construction sur une autre planète.

L'équipe de Troemner a proposé d'utiliser un récipient sous pression gonflable - essentiellement, un ballon géant et solide - qui serait rempli d'air pour former une forme de dôme, avec un mécanisme de bras utilisé pour imprimer du marscrete par-dessus. Le récipient sous pression maintient l'air à l'intérieur et le rayonnement à l'extérieur, et le marscrete rend la structure solide et durable.

Les défis de la construction sur Mars

Mars est inhospitalier à la fois pour les humains et les bâtiments. Pour commencer, il y a les variations de température sur la planète, avec des températures autour de l'équateur allant d'un haut de 70 degrés Fahrenheit (21 degrés Celsius) pendant la journée à moins 100 degrés Fahrenheit (moins 73 Celsius) à nuit. Cela met beaucoup de stress sur les matériaux de construction.

"Nous voulions avoir des structures qui pourraient se dilater et se contracter indépendamment les unes des autres", a déclaré Troemner, pour permettre l'expansion et la contraction au cours des nuits très froides de Mars et des journées relativement chaudes. Et les structures doivent être suffisamment solides pour résister à l'accumulation de poussière due aux fréquentes tempête de sable. "Si vous avez un tas de sable sur la moitié de votre structure, vous avez une condition de chargement déséquilibrée, qu'est-ce que cela va faire?" il expliqua. Les tempêtes de poussière peuvent également affecter la construction, ce qui signifie qu'il est nécessaire de prévoir des temps d'arrêt.

C'est pourquoi l'équipe de Troemner a eu l'idée des dômes. "Les dômes sont une bonne forme pour la dilatation thermique et aussi l'accumulation de dunes de sable", a-t-il déclaré, et ils répartissent très bien les charges. Les constructeurs reçoivent également un peu d'aide de la gravité réduite sur Mars, "donc vous avez besoin de moins d'éléments structurels, vous avez besoin d'un équipement plus léger."

Un gros problème est de savoir comment protéger les astronautes martiens des radiations dangereuses. "Le régolithe martien n'est pas vraiment excellent pour se protéger des radiations que vous subiriez à la surface", a déclaré Matthew. La conception du dôme aurait entre un et trois pieds de matériau entre les personnes à l'intérieur de l'habitat et l'environnement extérieur, mais cela ne suffirait pas pour protéger les astronautes à l'intérieur.

L'ajout de soufre au régolithe pour faire du marscrete aide, mais l'équipe a également ajouté des fibres de polyéthylène au mélange, ce qui ajouterait à l'effet de protection. Pour un blindage complet, la structure gonflée intérieure aurait également plus de polyéthylène. Ce polyéthylène pourrait être cannibalisé à partir de la doublure du vaisseau spatial sans équipage qui transporterait la première vague de fournitures vers Mars.

Le rôle de l'architecture

Concevoir un habitat n'est pas seulement une question d'ingénierie. Il s'agit également de créer un espace dans lequel les gens peuvent vivre et travailler confortablement pendant une longue période, potentiellement sous beaucoup de stress ou en proie à un isolement profond.

L'habitat de l'équipe Zopherus était divisé en trois modules: un laboratoire pour les opérations scientifiques, une unité commune et un équipage unité pour des besoins tels que l'assainissement et les dortoirs, avec la possibilité que d'autres unités puissent être ajoutées en fonction de la mission besoins.

Ils voulaient que l'espace réponde à la fois aux besoins pratiques et aux besoins psychologiques des astronautes qui y séjournaient, ce qui se reflétait dans la façon dont ils ont conçu l'unité commune. "Nous avons vraiment orienté cet espace autour d'une grande ouverture au niveau supérieur", a-t-il déclaré. Une grande fenêtre permet aux astronautes de regarder la surface de Mars tout en restant en sécurité et à l'aise à l'intérieur. "Nous voulions maximiser la capacité des astronautes à voir leur environnement et à s'y connecter."

C'est important pour accomplir des tâches comme, par exemple, utiliser un bras mécanique pour déplacer des objets à l'extérieur. Mais il y a aussi un avantage psychologique important. "Si vous êtes enfermé dans environ mille pieds carrés d'espace pendant un an sur une planète qui veut vous tuer partout sauf là où vous vivez, avoir l'impression de ne pas être dans une boîte de conserve est vraiment bénéfique », a-t-il déclaré.

L'équipe a également ajouté le jardin hydroponique à cet espace à la fois pour que les plantes puissent avoir de la lumière et pour que les astronautes marchant en dessous apprécieraient la pause psychologique de se sentir comme s'ils traversaient un espace boisé. Pour Lane, équilibrer cette intersection des besoins pratiques et psychologiques est un travail clé d'un architecte. "Les architectes sont l'interface entre les besoins des humains et l'environnement physique", a-t-il déclaré. "L'environnement physique dans lequel quelqu'un se trouve l'affecte psychologiquement et également sur le plan opérationnel."

La façon dont il y pensait n'était pas en termes de besoins de mission et de besoins psychologiques séparés. Au lieu de cela, il les considère comme liés. "Ces besoins psychologiques sont en fait des besoins pratiques lorsque vous avez affaire à un humain", a-t-il déclaré. "Parce que la psychologie de vos astronautes affecte directement leurs performances en mission."

Concevoir pour bénéficier psychologiquement aux astronautes ne consiste pas à rendre un bâtiment attrayant pour le plaisir, mais à trouver la meilleure solution à un problème de conception. Il a souligné l'élégance et la beauté de nombreux aspects de l'ingénierie spatiale. "Il y a vraiment quelque chose de beau dans le design qui correspond bien au problème", a-t-il déclaré, semblable à la beauté inhérente à de nombreuses formes organiques. « En suivant les contraintes pragmatiques du problème de conception, et en tenant compte de la santé des occupants et le bien-être et la psychologie aboutissent à quelque chose qui sera probablement un design plus esthétique.

"Vous pouvez aller trop loin en faisant quelque chose de joli", a-t-il déclaré. "Mais le faire fonctionner bien pour la personne qui va l'habiter, pour moi, est une considération très pratique."

Aller sous terre

Les deux experts ont convenu que l'avenir de la conception de l'habitat de Mars avait de nombreuses possibilités, y compris potentiellement se déplacer sous la surface. La construction d'une base souterraine présente de nombreux avantages, comme la protection des personnes contre les radiations et les tempêtes de poussière. Mais il a aussi ses défis.

En ce qui concerne la construction souterraine, "il y a encore tellement d'inconnues", a déclaré Troemner. Nous ignorons beaucoup de choses sur la composition du sous-sol de Mars et sur la manière de construire dans cet environnement. "Au moins pour une première étape, si nous parlons d'un avenir proche, quelque chose en surface a plus de sens car il n'y a pas les mêmes niveaux d'inconnues qu'il y en aurait en creusant."

Une fois que nous serons sur Mars depuis un certain temps, cela pourrait changer. "À long terme, après avoir créé quelques premières structures initiales, vous avez eu plus de rovers à la surface, peut-être vous avez eu des astronautes à la surface, alors peut-être qu'une base souterraine est la voie à suivre à l'avenir », a-t-il déclaré.

Lane a accepté. Il pensait que la première mission sur Mars pourrait impliquer des personnes séjournant dans "des choses à la surface qui venaient principalement de la Terre", comme les missions Apollo sur la Lune. Mais pour plus de personnes séjournant plus longtemps, vous avez besoin d'une infrastructure plus permanente. "À ce moment-là, vous commencez à aller sous terre ou à imprimer en 3D vos habitats", a-t-il déclaré.

Finalement, Lane a envisagé une grande variété d'habitats conçus et construits par différentes agences ou entreprises spatiales. "Nous allons voir plus de variété dans nos habitats que nous créons, parce que nos besoins vont être plus variés, et nous allons devoir nous adapter à plus d'échelle", a-t-il déclaré. À partir de cette variété, nous en apprendrons davantage sur la meilleure façon de vivre sur une autre planète, ce qui nous aidera à construire des habitats encore meilleurs à l'avenir. "C'est quelque chose qui me passionne vraiment, dans les prochaines décennies d'humains s'aventurant sur la lune et sur Mars."

Cet article fait partie de Vie sur Mars, une série en 10 parties qui explore la science et la technologie de pointe qui permettront aux humains d'occuper Mars.

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