Come i primi coloni di Marte creeranno habitat con il suolo

Quando si tratta di esseri umani che visitano Marte e hanno bisogno di un posto dove stare, la NASA ha un piano ambizioso: utilizzare le materie prime trovate sul pianeta per stampare in 3D un habitat in situ. Questo è stato l'argomento della 3D-Printed Habitat Challenge che l'agenzia ha lanciato alcuni anni fa, che ha invitato team di designer a presentare la loro migliore soluzione al problema.

Quindi, come trasformiamo esattamente un mucchio di polvere di Marte in una casa confortevole? Per scoprirlo, abbiamo parlato con due esperti che hanno partecipato a quella competizione: l'architetto Trey Lane del Team Zopherus vincente e l'ingegnere Matthew Troemner del team della Northwestern University - su come progettare e costruire un habitat su un altro pianeta.

Questo articolo fa parte di Vita su Marte, una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che consentiranno agli esseri umani di occupare Marte.

Utilizzo delle risorse locali

Quando si pianifica a habitat per Marte, la più grande limitazione è la quantità di materiale che puoi portare dalla Terra. Ogni grammo di massa in più caricato su un razzo ha un costo significativo in termini di carburante, quindi non è fattibile portare con sé il valore di un edificio di materiali da costruzione. Ecco perché i primi habitat dovranno essere costruiti utilizzando materie prime disponibili localmente su Marte.

È sicuramente un modo diverso di affrontare la costruzione, come ci ha detto Trey Lane, architetto del Team Zopherus vincitore del concorso.

Nelle sue prime ricerche, Lane non ha trovato molto in termini di progetti di stampa 3D su larga scala utilizzando materiali locali, quindi si è rivolto a una fonte di ispirazione inaspettata: gli insetti. "Abbiamo iniziato a guardare vespe, ragni e scarafaggi", ha detto. “Per centinaia di milioni di anni, hanno fatto essenzialmente la stampa 3D per creare habitat”. Gli insetti escono nell'ambiente, trovano risorse, trasformarle in materiale utilizzabile e costruire l'habitat più pratico per soddisfare le loro esigenze, proprio come voleva fare Lane. “Abbiamo scoperto, onestamente, che gli insetti sono modelli migliori per come costruire un habitat di utilizzo delle risorse locali, autonomo e stampato in 3D rispetto agli umani”.

Il suo team ha immaginato un habitat che includesse rover che sarebbero usciti nell'ambiente e avrebbero raccolto materiali, quindi li avrebbero riportati indietro per ulteriori costruzioni. "In molti modi, è come una vespa che mastica un po' di risorse locali e le trasforma in cartapesta e ci costruisce il nido".

Ci sono vantaggi nell'applicare questo approccio alla costruzione, sia su Marte che sulla Terra. "Il fatto che tu stia utilizzando risorse locali fa un'enorme differenza per le missioni spaziali", ha affermato. Invece di fare affidamento su lunghe catene di approvvigionamento, puoi essere molto più efficiente in termini di materiali ed energia. Inoltre, l'approccio della stampa 3D è più sicuro della costruzione tradizionale. "L'edilizia è un settore soggetto a rischi... Quindi, se puoi occuparti di alcuni aspetti in modo autonomo, hai anche un vantaggio in termini di sicurezza".

Può anche essere più veloce ed economico stampare in 3D e offre un certo grado di libertà di progettazione che consente. "Dal punto di vista di un architetto, c'è una certa libertà che si apre quando si stampa in 3D", ha detto. Non devi fare affidamento su materiali prodotti in serie come due per quattro, che tendono ad essere piatti e diritti, quindi puoi progettare forme più complesse. "Ti dà la libertà di creare un design su misura per la soluzione."

Come stampare in 3D un habitat

Quando pensi alla stampa 3D, probabilmente pensi a una macchina desktop per stampare oggetti larghi pochi centimetri. Quando si tratta di stampa 3D su scala infrastrutturale, è necessario un hardware molto più grande, ma è concettualmente simile processo - "in quanto useresti un software simile, useresti tecniche di movimento simili", come Matthew Troemner, Ph. D. candidato alla Northwestern University e leader del team dell'habitat di Marte dell'università, ha spiegato.

La differenza sta nel modo in cui il materiale viene depositato. Le stampanti 3D desktop utilizzano un metodo di deposizione fusa, "che è essenzialmente come una stringa di plastica fusa", ha affermato Troemner. E sebbene sia possibile aumentare le dimensioni, per la stampa su Marte, il team di Troemner ha voluto utilizzare un diverso tipo di materiale chiamato marscrete, o cemento marziano. "Stiamo premiscelando il materiale, creando una sorta di pasta e quindi estrudendolo" prima di consentirgli di polimerizzare o indurirsi, ha spiegato.

Marscrete è prodotto mescolando la regolite marziana - la sostanza polverosa simile al suolo che ricopre la superficie del pianeta - con lo zolfo. Il calcestruzzo allo zolfo è stato utilizzato sulla Terra per decenni ed è forte e resistente all'usura, il che lo rende ideale per costruire su Marte. Una volta mescolato, può essere adagiato in forme per formare un habitat.

"Per Marte o applicazioni spaziali, avresti una specie di braccio che si muove e deposita materiale", ha detto. Sulla Terra, i meccanismi a braccio sono meno popolari dei meccanismi a portale per la stampa su larga scala perché possono stampare solo a dimensioni limitate, essenzialmente la portata del braccio. Ma più complesso è l'hardware di stampa, più cose possono andare storte. C'è un valore nel mantenere le cose il più semplici possibile quando si costruisce su un altro pianeta.

Il team di Troemner ha proposto di utilizzare un recipiente a pressione gonfiabile, essenzialmente un pallone gigante e resistente, che sarebbe riempito d'aria per formare una forma a cupola, con un meccanismo a braccio utilizzato per stampare marscrete sopra. Il recipiente a pressione mantiene l'aria all'interno e le radiazioni all'esterno e il marscreto rende la struttura resistente e duratura.

Le sfide di costruire su Marte

Marte è inospitale sia per gli esseri umani che per gli edifici. Per cominciare, ci sono gli sbalzi di temperatura sul pianeta, con temperature intorno all'equatore che vanno da un massimo di 70 gradi Fahrenheit (21 gradi Celsius) durante il giorno a meno 100 gradi Fahrenheit (meno 73 Celsius) a notte. Ciò pone molto stress sui materiali da costruzione.

"Volevamo avere strutture che potessero espandersi e contrarsi indipendentemente l'una dall'altra", ha detto Troemner, per consentire l'espansione e la contrazione durante le notti molto fredde di Marte e le giornate relativamente calde. E le strutture devono essere abbastanza forti da resistere all'accumulo di polvere dai frequenti del pianeta tempeste di polvere. "Se hai un mucchio di sabbia su metà della tua struttura, hai una condizione di carico sbilanciata, cosa succederà?" Lui ha spiegato. Le tempeste di polvere possono anche influenzare la costruzione, il che significa che è necessario consentire tempi di inattività.

Ecco perché il team di Troemner ha avuto l'idea delle cupole. "Le cupole sono una buona forma per l'espansione termica e anche per l'accumulo di dune di sabbia", ha detto, e distribuiscono i carichi molto bene. I costruttori ricevono in realtà un piccolo aiuto anche dalla gravità ridotta su Marte, "quindi hai bisogno di meno elementi strutturali, hai bisogno di un equipaggiamento più leggero".

Un grosso problema è come proteggere gli astronauti marziani dalle radiazioni pericolose. "La regolite marziana non è poi così eccellente per schermare dalle radiazioni che sperimenteresti sulla superficie", ha detto Matthew. Il design della cupola avrebbe tra uno e tre piedi di materiale tra le persone all'interno dell'habitat e l'ambiente esterno, ma quello non basterebbe per proteggere gli astronauti all'interno.

L'aggiunta di zolfo alla regolite per creare marscrete aiuta, ma il team ha anche aggiunto fibre di polietilene alla miscela, che aumenterebbe l'effetto schermante. Per una schermatura completa, anche la struttura interna gonfiata avrebbe più polietilene. Questo polietilene potrebbe essere cannibalizzato dal rivestimento del veicolo spaziale senza equipaggio che trasporterebbe la prima ondata di rifornimenti su Marte.

Il ruolo dell'architettura

Tuttavia, progettare un habitat non riguarda solo le sfide ingegneristiche. Si tratta anche di creare uno spazio in cui le persone possano vivere e lavorare comodamente per un lungo periodo di tempo, potenzialmente mentre sono sotto stress o sperimentano un profondo isolamento.

L'habitat del Team Zopherus era diviso in tre moduli: un laboratorio per le operazioni scientifiche, un'unità comune e un equipaggio unità per esigenze come servizi igienici e dormitori, con la possibilità di aggiungere più unità in base alla missione esigenze.

Volevano che lo spazio sostenesse sia le esigenze pratiche che quelle psicologiche degli astronauti che soggiornano lì, il che si rifletteva nel modo in cui progettavano l'unità comune. "Abbiamo davvero orientato quello spazio attorno a una grande apertura al livello superiore", ha detto. Una grande finestra consente agli astronauti di guardare fuori sulla superficie di Marte rimanendo al sicuro e a proprio agio all'interno. "Volevamo massimizzare la capacità degli astronauti di vedere l'ambiente circostante e connettersi con esso."

È importante per completare attività come, ad esempio, utilizzare un braccio meccanico per spostare le cose all'esterno. Ma c'è anche un significativo vantaggio psicologico. "Se sei rinchiuso in circa mille piedi quadrati di spazio per un anno su un pianeta che vuole ucciderti ovunque tranne dove vivi, sentirsi come se non fossi in una lattina è davvero vantaggioso ", ha detto.

Il team ha anche aggiunto il giardino idroponico a questo spazio sia in modo che le piante possano ricevere luce sia così gli astronauti che camminano al di sotto godrebbero della pausa psicologica di sentirsi come se stessero camminando attraverso un spazio boscoso. Per Lane, bilanciare questa intersezione di esigenze pratiche e psicologiche è un lavoro chiave di un architetto. "Gli architetti si interfacciano tra i bisogni degli esseri umani e l'ambiente fisico", ha affermato. "L'ambiente fisico in cui si trova qualcuno lo influenza psicologicamente e anche operativamente".

Il modo in cui ci pensava non era in termini di bisogni di missione separati e bisogni psicologici. Invece, li vede come interconnessi. "Quei bisogni psicologici sono in realtà bisogni pratici quando hai a che fare con un essere umano", ha detto. "Perché la psicologia dei tuoi astronauti influisce direttamente sulle loro prestazioni in missione."

Progettare a beneficio psicologico degli astronauti non significa rendere un edificio attraente per il gusto di farlo, ma trovare la soluzione migliore a un problema di progettazione. Ha sottolineato l'eleganza e la bellezza in molti aspetti dell'ingegneria spaziale. "C'è davvero qualcosa di bello nel design che si adatta bene al problema", ha detto, simile alla bellezza intrinseca in molte forme organiche. “Seguendo i vincoli pragmatici del problema di progettazione e prendendo in considerazione la salute degli occupanti e il benessere e la psicologia si traducono in qualcosa che probabilmente sarà un design esteticamente più gradevole.

"Puoi andare troppo lontano nel creare qualcosa di carino", ha detto. "Ma farlo funzionare bene per la persona che lo abiterà, per me, è una considerazione molto pratica."

Andare sottoterra

Entrambi gli esperti hanno convenuto che il futuro della progettazione dell'habitat su Marte ha molte possibilità, incluso il potenziale spostamento sotto la superficie. Costruire una base sotterranea ha molti vantaggi, come proteggere le persone dalle radiazioni e dalle tempeste di sabbia. Ma ha anche le sue sfide.

Quando si tratta di costruzioni sotterranee, "ci sono ancora così tante incognite", ha detto Troemner. C'è molto che non sappiamo sulla composizione del sottosuolo di Marte e su come costruire in quell'ambiente. "Almeno per un primo passo, se parliamo del prossimo futuro, qualcosa in superficie ha più senso perché non ci sono gli stessi livelli di incognite che ci sarebbero quando si scavasse".

Una volta che siamo stati su Marte per un po', però, le cose potrebbero cambiare. "A lungo termine, dopo aver creato le prime strutture iniziali, hai avuto più rover in superficie, forse hai avuto astronauti in superficie, allora forse una base sotterranea è la strada da percorrere in futuro ", ha detto.

Corsia d'accordo. Pensava che la prima missione su Marte potesse coinvolgere persone che soggiornano in "cose ​​sulla superficie che provenivano principalmente dalla Terra", come le missioni Apollo sulla luna. Ma per più persone che soggiornano per periodi di tempo più lunghi, è necessaria un'infrastruttura più permanente. "A quel punto, inizi ad andare sottoterra o a stampare in 3D i tuoi habitat", ha detto.

Alla fine, Lane ha immaginato un'ampia varietà di habitat progettati e costruiti da diverse agenzie o società spaziali. "Vedremo più varietà nei nostri habitat che stiamo creando, perché le nostre esigenze saranno più varie e avremo bisogno di adattarsi a più dimensioni", ha affermato. Da quella varietà, impareremo di più su qual è il modo migliore per vivere su un altro pianeta, che ci aiuterà a costruire habitat ancora migliori in futuro. "Il che è qualcosa di cui sono davvero entusiasta, nei prossimi decenni di umani che si avventurano sulla luna e su Marte."

Questo articolo fa parte di Vita su Marte, una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che consentiranno agli esseri umani di occupare Marte.

Raccomandazioni della redazione

• Comunicazioni cosmiche: come i primi esseri umani su Marte comunicheranno con la Terra
• Astropsicologia: come rimanere sani di mente su Marte
• Atmosfere artificiali: come costruiremo una base con aria respirabile su Marte
• Astroagricoltura: come coltiveremo i raccolti su Marte
• La polvere marziana è un grosso problema per gli astronauti. Ecco come la NASA lo combatte