Bagaimana Pemukim Pertama Mars Akan Membuat Habitat Dengan Tanah

Ketika datang ke manusia yang mengunjungi Mars dan membutuhkan tempat tinggal, NASA memiliki rencana ambisius: Menggunakan bahan mentah yang ditemukan di planet ini untuk mencetak 3D habitat in situ. Itu adalah subjek Tantangan Habitat Cetak 3D yang dimulai agensi beberapa tahun lalu, yang mengundang tim desainer untuk mengajukan solusi terbaik mereka untuk masalah tersebut.

Jadi bagaimana tepatnya kita mengubah sekumpulan debu Mars menjadi rumah yang nyaman? Untuk mengetahuinya, kami berbicara dengan dua pakar yang berpartisipasi dalam kompetisi itu — arsitek Trey Lane dari Tim pemenang Zopherus dan insinyur Matthew Troemner dari tim Universitas Northwestern — tentang cara merancang dan membangun habitat di tempat lain planet.

Artikel ini adalah bagian dari Kehidupan di Mars, seri 10 bagian yang mengeksplorasi sains dan teknologi mutakhir yang memungkinkan manusia menduduki Mars.

Menggunakan sumber daya lokal

Saat merencanakan a habitat Mars, batasan terbesar adalah berapa banyak materi yang dapat Anda bawa dari Bumi. Setiap gram ekstra massa yang dimuat ke roket memiliki biaya yang signifikan dalam hal bahan bakar, jadi tidak layak untuk membawa serta bahan bangunan senilai bangunan. Itu sebabnya habitat pertama perlu dibangun menggunakan bahan mentah yang tersedia secara lokal di Mars.

Ini tentu saja cara yang berbeda untuk mendekati konstruksi, seperti yang dikatakan Trey Lane, arsitek dari Tim Zopherus pemenang kompetisi, kepada kami.

Dalam penelitian awalnya, Lane tidak menemukan banyak proyek pencetakan 3D berskala besar yang menggunakan bahan lokal, jadi dia beralih ke sumber inspirasi yang tidak terduga: Serangga. “Kami mulai mengamati tawon, laba-laba, dan kumbang,” katanya. “Selama ratusan juta tahun, mereka pada dasarnya telah melakukan pencetakan 3D untuk menciptakan habitat.” Serangga keluar ke lingkungan, temukan sumber daya, mengolahnya menjadi bahan yang dapat digunakan, dan membangun habitat paling praktis untuk memenuhi kebutuhan mereka — seperti yang ingin dilakukan Lane. “Sejujurnya, kami menemukan bahwa serangga adalah model yang lebih baik untuk membangun habitat pemanfaatan sumber daya lokal yang dicetak 3D, otonom, daripada manusia.”

Timnya membayangkan habitat yang mencakup penjelajah yang akan pergi ke lingkungan dan mengumpulkan bahan, lalu membawanya kembali untuk konstruksi lebih lanjut. “Dalam banyak hal, ini seperti tawon yang pergi dan mengunyah sedikit sumber daya lokal dan mengubahnya menjadi bubur kertas dan membangun sarangnya dari sana.”

Ada keuntungan menerapkan pendekatan ini pada konstruksi, baik di Mars maupun di Bumi. “Fakta bahwa Anda menggunakan sumber daya lokal membuat perbedaan besar untuk misi luar angkasa,” katanya. Alih-alih mengandalkan rantai pasokan yang panjang, Anda bisa jauh lebih efisien dalam hal bahan dan energi. Plus, pendekatan pencetakan 3D lebih aman daripada konstruksi tradisional. “Konstruksi adalah industri yang rawan risiko… Jadi, jika Anda dapat melakukan aspek-aspek tertentu secara mandiri, Anda juga memiliki manfaat keamanan.”

Ini juga bisa lebih cepat dan lebih murah untuk mencetak 3D, dan ada tingkat kebebasan desain yang memungkinkan. “Dari sudut pandang seorang arsitek, ada sejumlah kebebasan yang terbuka saat Anda mencetak 3D,” katanya. Anda tidak harus bergantung pada material yang diproduksi secara massal seperti dua per empat, yang cenderung rata dan lurus, sehingga Anda dapat mendesain bentuk yang lebih kompleks. “Ini membebaskan Anda untuk membuat desain yang sesuai dengan solusi.”

Cara mencetak 3D habitat

Ketika Anda memikirkan pencetakan 3D, Anda mungkin memikirkan mesin desktop untuk mencetak item dengan lebar beberapa inci. Dalam hal pencetakan 3D skala infrastruktur, Anda memerlukan perangkat keras yang jauh lebih besar, tetapi secara konseptual serupa proses - "karena Anda akan menggunakan perangkat lunak yang serupa, Anda akan menggunakan teknik gerakan yang serupa," seperti Matthew Troemner, Ph.D. kandidat di Universitas Northwestern dan pemimpin tim habitat Mars universitas, menjelaskan.

Perbedaannya terletak pada cara material disimpan. Printer 3D desktop menggunakan metode pengendapan yang menyatu, "yang pada dasarnya seperti tali plastik yang meleleh," kata Troemner. Dan meskipun skalanya dapat ditingkatkan, untuk pencetakan di Mars, tim Troemner ingin menggunakan jenis material berbeda yang disebut marscrete, atau beton Mars. “Kami melakukan pra-pencampuran bahan, membuat semacam pasta, lalu mengekstrusinya” sebelum dibiarkan mengering atau mengeras, jelasnya.

Marscrete dibuat dengan mencampurkan regolith Mars — zat mirip tanah berdebu yang menutupi permukaan planet — dengan belerang. Beton belerang telah digunakan di Bumi selama beberapa dekade dan kuat serta tahan aus, sehingga ideal untuk bangunan di Mars. Setelah tercampur, dapat dibentuk menjadi habitat.

“Untuk aplikasi Mars atau luar angkasa, Anda akan memiliki semacam lengan yang bergerak dan menyimpan material,” katanya. Di Bumi, mekanisme gaya lengan kurang populer daripada mekanisme gaya gantry untuk pencetakan skala besar karena hanya dapat mencetak pada ukuran terbatas — pada dasarnya, jangkauan lengan. Tetapi semakin kompleks perangkat keras pencetakan, semakin banyak hal yang salah. Ada nilai dalam menjaga hal-hal sesederhana mungkin saat membangun di planet lain.

Tim Troemner mengusulkan penggunaan bejana tekan tiup - pada dasarnya, balon raksasa yang kuat - yang akan diisi dengan udara untuk membentuk bentuk kubah, dengan mekanisme lengan yang digunakan untuk mencetak marscrete di atasnya. Bejana tekan menjaga udara masuk dan radiasi keluar, dan marscrete membuat strukturnya kuat dan tahan lama.

Tantangan membangun di Mars

Mars tidak ramah bagi manusia dan bangunan. Sebagai permulaan, ada perubahan suhu di planet ini, dengan suhu di sekitar khatulistiwa berkisar dari yang tinggi dari 70 derajat Fahrenheit (21 derajat Celcius) pada siang hari hingga minus 100 derajat Fahrenheit (minus 73 Celcius) pada malam. Itu memberi banyak tekanan pada bahan bangunan.

“Kami ingin memiliki struktur yang dapat mengembang dan berkontraksi secara independen satu sama lain,” kata Troemner, untuk memungkinkan ekspansi dan kontraksi pada malam Mars yang sangat dingin dan hari yang relatif hangat. Dan strukturnya harus cukup kuat untuk menahan penumpukan debu yang sering terjadi di planet ini badai debu. “Jika Anda memiliki tumpukan pasir di separuh struktur Anda, Anda memiliki kondisi beban yang tidak seimbang, apa yang akan terjadi?” dia menjelaskan. Badai debu juga dapat memengaruhi konstruksi, artinya ada kebutuhan untuk memungkinkan waktu henti.

Itu sebabnya tim Troemner memunculkan ide kubah. “Kubah adalah bentuk yang bagus untuk pemuaian panas dan juga penumpukan gundukan pasir,” katanya, dan mereka mendistribusikan beban dengan sangat baik. Pembangun sebenarnya juga mendapat sedikit bantuan dengan berkurangnya gravitasi di Mars, "jadi Anda membutuhkan lebih sedikit elemen struktural, Anda memerlukan peralatan yang lebih ringan."

Satu masalah besar adalah bagaimana melindungi astronot Mars dari radiasi berbahaya. “Regolit Mars tidak begitu bagus dalam melindungi dari radiasi yang Anda alami di permukaan,” kata Matthew. Desain kubah akan memiliki material antara satu dan tiga kaki antara orang-orang di dalam habitat dan lingkungan luar, tapi itu tidak akan cukup untuk melindungi astronot di dalamnya.

Menambahkan belerang ke regolith untuk membuat marscrete membantu, tetapi tim juga menambahkan serat polietilen ke dalam campuran, yang akan menambah efek pelindung. Untuk perlindungan lengkap, struktur yang digelembungkan di bagian dalam juga akan memiliki lebih banyak polietilen. Polietilen ini dapat dikanibal dari lapisan pesawat luar angkasa tanpa awak yang akan membawa gelombang pasokan pertama ke Mars.

Peran arsitektur

Merancang habitat bukan hanya tentang tantangan teknik. Ini juga tentang menciptakan ruang di mana orang dapat hidup dan bekerja dengan nyaman untuk jangka waktu yang lama, berpotensi saat berada di bawah banyak tekanan atau mengalami isolasi yang mendalam.

Habitat Tim Zopherus dibagi menjadi tiga modul: Laboratorium untuk operasi sains, unit komunal, dan kru unit untuk kebutuhan seperti sanitasi dan tempat tidur, dengan kemungkinan lebih banyak unit dapat ditambahkan berdasarkan misi kebutuhan.

Mereka menginginkan ruang untuk mendukung kebutuhan praktis dan kebutuhan psikologis para astronot yang tinggal di sana, yang tercermin dalam cara mereka merancang unit komunal. “Kami benar-benar mengorientasikan ruang itu di sekitar bukaan besar di tingkat atas,” katanya. Sebuah jendela besar memungkinkan para astronot untuk melihat ke permukaan Mars sambil tetap aman dan nyaman di dalamnya. “Kami ingin memaksimalkan kemampuan para astronot untuk melihat sekeliling mereka dan terhubung dengannya.”

Itu penting untuk menyelesaikan tugas seperti, misalnya, menggunakan lengan mekanis untuk memindahkan barang di luar. Tapi ada manfaat psikologis yang signifikan juga. “Jika Anda terkurung di ruang seluas seribu kaki persegi selama setahun di sebuah planet yang ingin membunuh Anda di mana pun kecuali di tempat Anda tinggal, merasa seperti tidak berada dalam kaleng sangat bermanfaat, ”katanya.

Tim juga menambahkan taman hidroponik ke ruang ini agar tanaman bisa mendapatkan cahaya dan sebagainya astronot yang berjalan di bawah akan menikmati istirahat psikologis dari perasaan seperti sedang berjalan melalui a ruang berhutan. Bagi Lane, menyeimbangkan antara kebutuhan praktis dan psikologis ini adalah tugas utama seorang arsitek. “Arsitek menghubungkan antara kebutuhan manusia dan lingkungan fisik,” katanya. “Lingkungan fisik tempat seseorang berada memengaruhi mereka secara psikologis dan juga operasional.”

Cara dia memikirkannya bukanlah dalam hal kebutuhan misi dan kebutuhan psikologis yang terpisah. Sebaliknya, dia melihat mereka saling terkait. “Kebutuhan psikologis itu sebenarnya adalah kebutuhan praktis ketika Anda berurusan dengan manusia,” katanya. “Karena psikologi astronot Anda secara langsung memengaruhi kinerja mereka dalam misi.”

Merancang untuk menguntungkan astronot secara psikologis bukanlah tentang membuat sebuah bangunan menarik demi kepentingannya, tetapi tentang menemukan solusi terbaik untuk masalah desain. Dia menunjukkan keanggunan dan keindahan dalam banyak aspek teknik ruang angkasa. “Benar-benar ada sesuatu yang indah tentang desain yang cocok dengan masalahnya,” katanya, mirip dengan keindahan yang melekat pada banyak bentuk organik. “Mengikuti kendala pragmatis dari masalah desain, dan mempertimbangkan kesehatan dan keselamatan penghuni kesehatan dan psikologi menghasilkan sesuatu yang mungkin akan menjadi desain yang lebih estetis.

"Kamu bisa melangkah terlalu jauh dalam membuat sesuatu yang cantik," katanya. "Tapi membuatnya bekerja dengan baik untuk orang yang akan menghuninya, bagi saya, adalah pertimbangan yang sangat praktis."

Pergi ke bawah tanah

Kedua ahli sepakat bahwa masa depan desain habitat Mars memiliki banyak kemungkinan, termasuk berpotensi bergerak di bawah permukaan. Membangun pangkalan bawah tanah memiliki banyak keuntungan, seperti melindungi orang dari radiasi dan badai debu. Tapi itu memiliki tantangannya juga.

Mengenai konstruksi bawah tanah, “Masih banyak yang tidak diketahui,” kata Troemner. Banyak yang tidak kita ketahui tentang komposisi bawah permukaan Mars dan cara membangun di lingkungan tersebut. "Setidaknya untuk langkah pertama, jika kita berbicara tentang waktu dekat, sesuatu di permukaan lebih masuk akal karena tidak ada tingkat ketidaktahuan yang sama seperti saat menggali."

Namun, begitu kita berada di Mars untuk sementara waktu, itu mungkin berubah. “Jangka panjang, setelah Anda membuat beberapa struktur awal pertama, Anda memiliki lebih banyak penjelajah di permukaan, mungkin Anda memiliki astronot di permukaan, maka mungkin pangkalan bawah tanah adalah jalan yang harus ditempuh di masa depan, ”katanya.

Lane setuju. Dia mengira misi pertama ke Mars mungkin melibatkan orang-orang yang tinggal di "benda di permukaan yang sebagian besar berasal dari Bumi", seperti misi Apollo ke bulan. Tetapi untuk lebih banyak orang yang tinggal dalam jangka waktu yang lebih lama, Anda memerlukan infrastruktur yang lebih permanen. “Pada saat itu, Anda mulai bergerak di bawah tanah atau mencetak 3D habitat Anda,” katanya.

Akhirnya, Lane membayangkan berbagai macam habitat yang dirancang dan dibangun oleh berbagai badan atau perusahaan antariksa. “Kita akan melihat lebih banyak variasi di habitat yang kita buat, karena kebutuhan kita akan lebih bervariasi, dan kita perlu mengakomodasi lebih banyak skala,” katanya. Dari keragaman itu, kita akan belajar lebih banyak tentang cara terbaik untuk hidup di planet lain, yang akan membantu kita membangun habitat yang lebih baik di masa depan. "Yang merupakan sesuatu yang sangat saya sukai, dalam beberapa dekade mendatang manusia menjelajah ke bulan dan Mars."

Artikel ini adalah bagian dari Kehidupan di Mars, seri 10 bagian yang mengeksplorasi sains dan teknologi mutakhir yang memungkinkan manusia menduduki Mars.

Rekomendasi Editor

• Komunikasi kosmik: Bagaimana manusia pertama di Mars akan berkomunikasi dengan Bumi
• Astropsikologi: Cara tetap waras di Mars
• Atmosfer buatan: Bagaimana kita akan membangun pangkalan dengan udara yang dapat bernapas di Mars
• Astroagriculture: Bagaimana kita menanam tanaman di Mars
• Debu Mars adalah masalah besar bagi astronot. Begini cara NASA melawannya