Kako će prvi doseljenici Marsa napraviti staništa s tlom

Kada je riječ o ljudima koji posjećuju Mars i trebaju mjesto za boravak, NASA ima ambiciozan plan: koristiti sirovine pronađene na planetu za 3D ispis staništa na licu mjesta. To je bila tema 3D-Printed Habitat Challengea koji je agencija pokrenula prije nekoliko godina, a koji je pozvao timove dizajnera da predlože svoje najbolje rješenje problema.

Dakle, kako ćemo točno pretvoriti hrpu Marsove prašine u udoban dom? Da bismo to saznali, razgovarali smo s dvojicom stručnjaka koji su sudjelovali u tom natjecanju — arhitektom Trey Laneom iz pobjedničkog tima Zopherus i inženjer Matthew Troemner iz tima Sveučilišta Northwestern — o tome kako dizajnirati i izgraditi stanište na drugom planeta.

Ovaj je članak dio Život na Marsu, serijal od 10 dijelova koji istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da zaposjednu Mars.

Korištenje lokalnih resursa

Prilikom planiranja a stanište za Mars, najveće ograničenje je koliko materijala možete donijeti sa Zemlje. Svaki dodatni gram mase utovaren na raketu ima značajan trošak u smislu goriva, tako da jednostavno nije izvedivo ponijeti građevinskog materijala u vrijednosti zgrade. Zato će prva staništa morati biti izgrađena koristeći sirovine koje su dostupne lokalno na Marsu.

To je svakako drugačiji način pristupa gradnji, kako nam je rekao Trey Lane, arhitekt iz natjecateljskog tima Zopherus.

U svojim ranim istraživanjima, Lane nije pronašao mnogo u pogledu velikih projekata 3D ispisa koji koriste lokalne materijale, pa se okrenuo neočekivanom izvoru inspiracije: insektima. “Počeli smo promatrati ose, paukove i bube”, rekao je. "Stotinama milijuna godina radili su zapravo 3D printanje kako bi stvorili staništa." Insekti izlaze u okoliš, pronalaze resurse, preraditi ih u iskoristiv materijal i izgraditi najpraktičnije stanište koje će zadovoljiti njihove potrebe — baš kao što je Lane želio učiniti. "Otkrili smo, iskreno, da su kukci bolji modeli za izgradnju 3D ispisanog, autonomnog staništa koje koristi lokalne resurse od ljudi."

Njegov tim zamislio je stanište koje uključuje rovere koji bi izlazili u okoliš i skupljali materijale, a zatim ih vraćali na daljnju izgradnju. "Na mnogo načina, to je poput ose koja ide i žvače malo lokalnih resursa i pretvara to u papier-mache i gradi svoje gnijezdo od toga."

Postoje prednosti primjene ovog pristupa gradnji, bilo na Marsu ili na Zemlji. "Činjenica da koristite lokalne resurse čini veliku razliku za svemirske misije", rekao je. Umjesto da se oslanjate na duge opskrbne lance, možete biti mnogo učinkovitiji u pogledu materijala i energije. Osim toga, pristup 3D ispisu sigurniji je od tradicionalne gradnje. "Građevinarstvo je industrija sklona rizicima... Dakle, ako možete raditi određene aspekte toga autonomno, imate i sigurnosnu korist."

Također može biti brži i jeftiniji 3D ispis, a omogućuje i određeni stupanj slobode dizajna. "Sa stajališta arhitekta, postoji određena količina slobode koja se otvara kada 3D ispisujete", rekao je. Ne morate se oslanjati na masovno proizvedene materijale kao što su dva puta četiri, koji imaju tendenciju da budu ravni i ravni, tako da možete dizajnirati složenije oblike. "Oslobađa vas da stvorite dizajn koji je prilagođen rješenju."

Kako 3D ispisati stanište

Kada pomislite na 3D ispis, vjerojatno mislite na stolni stroj za ispis predmeta širokih nekoliko inča. Kada je u pitanju 3D ispis na razini infrastrukture, potreban vam je puno veći hardver, ali konceptualno je sličan proces - "ako biste koristili sličan softver, koristili biste slične tehnike kretanja", rekao je Matthew Troemner, Ph.D. kandidat na Sveučilištu Northwestern i voditelj sveučilišnog tima za staništa na Marsu, objasnio je.

Razlika je u načinu taloženja materijala. Stolni 3D pisači koriste metodu taloženja, "koja je u biti poput rastopljene plastične niti", rekao je Troemner. I dok je to moguće povećati, za ispis na Marsu, Troemnerov tim želio je koristiti drugu vrstu materijala koji se zove marscrete ili marsbeton. "Prethodno miješamo materijal, stvaramo neku vrstu paste, a zatim je ekstrudiramo" prije nego što je pustimo da se stvrdne ili stvrdne, objasnio je.

Marscrete se proizvodi miješanjem marsovskog regolita - prašnjave tvari nalik tlu koja prekriva površinu planeta - sa sumporom. Sumporbeton se na Zemlji koristi već desetljećima, čvrst je i otporan na habanje, što ga čini idealnim za gradnju na Marsu. Nakon što se pomiješa, može se postaviti u oblike kako bi se formiralo stanište.

"Za Mars ili svemirske aplikacije, imali biste neku vrstu ruke koja pomiče i taloži materijal", rekao je. Na Zemlji su mehanizmi u obliku ruke manje popularni od mehanizama u stilu portala za ispis velikih razmjera jer mogu ispisivati ​​samo u ograničenoj veličini - u biti, doseg ruke. Ali što je hardver za ispis složeniji, to više stvari može poći po zlu. Postoji vrijednost u tome da stvari budu što jednostavnije kada se gradi na drugom planetu.

Troemnerov tim predložio je korištenje tlačne posude na napuhavanje - u biti golemog, snažnog balona - koji bio bi ispunjen zrakom kako bi formirao oblik kupole, s mehanizmom za ruke koji se koristi za ispis marskreta na vrhu toga. Tlačna posuda zadržava zrak unutra i zračenje van, a marskret čini strukturu čvrstom i izdržljivom.

Izazovi izgradnje na Marsu

Mars je negostoljubiv i za ljude i za zgrade. Za početak, tu su temperaturne promjene na planetu, s temperaturama oko ekvatora u rasponu od najviš od 70 stupnjeva Fahrenheita (21 stupanj Celzija) tijekom dana do minus 100 stupnjeva Fahrenheita (minus 73 Celzija) na noć. To stavlja veliki stres na građevinske materijale.

"Htjeli smo imati strukture koje se mogu širiti i skupljati neovisno jedna o drugoj", rekao je Troemner, kako bi se omogućilo širenje i skupljanje tijekom vrlo hladnih noći i relativno toplih dana na Marsu. A strukture moraju biti dovoljno jake da izdrže nakupljanje prašine od čestih planeta prašne oluje. "Ako imate hrpu pijeska na polovici svoje strukture, imate neuravnoteženo stanje opterećenja, što će to učiniti?" on je objasnio. Peščane oluje također mogu utjecati na konstrukciju, što znači da je potrebno omogućiti zastoje.

Zato je Troemnerov tim došao na ideju kupola. "Kupole su dobar oblik za toplinsko širenje, a također i za nakupljanje pješčanih dina", rekao je, i vrlo dobro raspoređuju opterećenja. Graditeljima zapravo pomaže i smanjena gravitacija na Marsu, "tako da vam je potrebno manje strukturnih elemenata, potreban vam je lakši dio opreme."

Jedno veliko pitanje je kako zaštiti marsovske astronaute od opasnog zračenja. "Marsovski regolit nije baš tako izvrstan u zaštiti od zračenja koje biste doživjeli na površini", rekao je Matthew. Dizajn kupole bi imao između jedne i tri stope materijala između ljudi unutar staništa i vanjskog okoliša, ali to ne bi bilo dovoljno zaštititi astronaute unutra.

Dodavanje sumpora u regolit za izradu marskreta pomaže, ali tim je također dodao polietilenska vlakna u smjesu, što bi doprinijelo učinku zaštite. Za potpunu zaštitu, unutarnja napuhana struktura također bi imala više polietilena. Taj bi se polietilen mogao kanibalizirati iz obloge svemirske letjelice bez posade koja bi nosila prvi val zaliha na Mars.

Uloga arhitekture

Dizajniranje staništa ipak nije samo inženjerski izazov. Također se radi o stvaranju prostora u kojem ljudi mogu udobno živjeti i raditi dulje vrijeme, potencijalno dok su pod velikim stresom ili doživljavaju duboku izolaciju.

Stanište tima Zopherus podijeljeno je u tri modula: laboratorij za znanstvene operacije, komunalnu jedinicu i posadu jedinica za potrebe kao što su sanitarni čvor i prostor za spavanje, s mogućnošću da se više jedinica može dodati na temelju misije potrebe.

Željeli su da prostor podržava i praktične potrebe i psihološke potrebe astronauta koji tamo borave, što se odrazilo na način na koji su dizajnirali zajedničku jedinicu. "Stvarno smo orijentirali taj prostor oko velikog otvora na gornjoj razini", rekao je. Veliki prozor omogućuje astronautima da gledaju na površinu Marsa dok su unutra sigurni i udobni. "Željeli smo maksimalno povećati sposobnost astronauta da vide svoju okolinu i povežu se s njom."

To je važno za dovršavanje zadataka kao što je, na primjer, korištenje mehaničke ruke za pomicanje stvari vani. Ali postoji i značajna psihološka korist. "Ako ste godinu dana zatvoreni u oko tisuću četvornih stopa prostora na planetu koji vas želi ubiti posvuda osim tamo gdje živite, osjećaj da niste u limenci je stvarno koristan," rekao je.

Tim je ovom prostoru dodao i hidroponski vrt kako bi biljke mogle dobiti svjetlost i tako astronauti koji bi hodali ispod uživali bi u psihološkom odmoru osjećaja da hodaju kroz a šumoviti prostor. Za Lanea, balansiranje ovog raskrižja praktičnih i psiholoških potreba ključni je posao arhitekta. “Arhitekti povezuju potrebe ljudi i fizičko okruženje”, rekao je. "Fizičko okruženje u kojem se netko nalazi utječe na njega psihološki, ali i operativno."

Način na koji je o tome razmišljao nije bio u smislu odvojenih potreba misije i psiholoških potreba. Umjesto toga, on ih vidi kao međusobno povezane. "Te psihološke potrebe zapravo su praktične potrebe kada imate posla s čovjekom", rekao je. "Zato što psihologija vaših astronauta izravno utječe na njihovu izvedbu u misiji."

Projektiranje za psihološku korist astronauta ne znači učiniti zgradu privlačnom radi nje same, već pronaći najbolje rješenje za problem dizajna. Istaknuo je eleganciju i ljepotu u mnogim aspektima svemirskog inženjerstva. "Postoji nešto lijepo u dizajnu što dobro odgovara problemu", rekao je, slično inherentnoj ljepoti u mnogim organskim oblicima. „Slijedeći pragmatična ograničenja problema dizajna i uzimajući u obzir zdravlje putnika i wellnessa i psihologije rezultira nečim što će vjerojatno biti estetski ugodniji dizajn.”

"Možete otići predaleko u stvaranju nečega lijepog", rekao je. "Ali učiniti da dobro funkcionira za osobu koja će u njemu živjeti, za mene je vrlo praktična stvar."

Odlazak u podzemlje

Oba su se stručnjaka složila da budućnost dizajna staništa na Marsu ima mnogo mogućnosti, uključujući potencijalno kretanje ispod površine. Izgradnja podzemne baze ima mnoge prednosti, poput zaštite ljudi od radijacije i prašnih oluja. Ali ima i svojih izazova.

Kada je riječ o podzemnoj gradnji, "još uvijek ima toliko nepoznanica", rekao je Troemner. Puno toga ne znamo o sastavu Marsove podzemne površine i kako graditi u tom okruženju. "Barem za prvi korak, ako govorimo o bliskoj budućnosti, nešto na površini ima više smisla jer ne postoje one iste razine nepoznanica kao što bi bile pri kopanju."

Ipak, nakon što neko vrijeme budemo na Marsu, to bi se moglo promijeniti. "Dugoročno, nakon što ste stvorili prvih nekoliko početnih struktura, imali ste više rovera na površini, možda imali ste astronaute na površini, onda je možda podzemna baza put kojim treba ići u budućnosti", rekao je.

Lane se složio. Mislio je da bi prva misija na Mars mogla uključivati ​​boravak ljudi u "stvarima na površini koje su uglavnom došle sa Zemlje", poput Apollo misija na Mjesec. Ali za više ljudi koji ostaju dulje vrijeme potrebna vam je trajnija infrastruktura. “U tom trenutku počinjete odlaziti u podzemlje ili 3D ispisivati ​​svoja staništa”, rekao je.

Naposljetku, Lane je zamislio veliki izbor staništa koje su dizajnirale i izgradile različite svemirske agencije ili tvrtke. "Vidjet ćemo više raznolikosti u našim staništima koja stvaramo, jer će naše potrebe biti raznolikije i morat ćemo se prilagoditi većem opsegu", rekao je. Iz te raznolikosti naučit ćemo više o tome koji je najbolji način života na drugom planetu, što će nam pomoći u izgradnji još boljih staništa u budućnosti. "Što je nešto zbog čega sam stvarno uzbuđen, u sljedećim desetljećima ljudi koji će se odvažiti na Mjesec i Mars."

Ovaj je članak dio Život na Marsu, serijal od 10 dijelova koji istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da zaposjednu Mars.

Preporuke urednika

• Kozmičke komunikacije: Kako će prvi ljudi na Marsu komunicirati sa Zemljom
• Astropsihologija: Kako ostati zdrav na Marsu
• Umjetne atmosfere: Kako ćemo izgraditi bazu sa zrakom koji se može disati na Marsu
• Astropoljoprivreda: Kako ćemo uzgajati usjeve na Marsu
• Marsovska prašina veliki je problem za astronaute. Evo kako se NASA bori protiv toga