人類が火星を訪れ、滞在する場所を必要としている場合、NASA は野心的な計画を立てています。それは、地球上で見つかった原材料を使用して、その場で生息地を 3D プリントするというものです。 これは、同庁が数年前に開始した 3D プリント ハビタット チャレンジのテーマであり、デザイナーのチームにこの問題に対する最善の解決策を提案するよう呼びかけました。
コンテンツ
- 地域資源の活用
- 生息地を 3D プリントする方法
- 火星に建設する際の課題
- 建築の役割
- 地下に潜る
では、一体どうやって大量の火星の塵を快適な家に変えることができるのでしょうか? それを知るために、私たちはそのコンペに参加した2人の専門家、優勝したチーム・ゾフェルスの建築家トレイ・レーンに話を聞きました。 ノースウェスタン大学チームのエンジニア、マシュー・トロエムナー氏 — 別の場所に生息地を設計して構築する方法について 星。
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地域資源の活用
計画を立てるとき、 火星の生息地、最大の制限は、地球からどれだけの物質を持ち込めるかです。 ロケットに搭載される質量が 1 グラム増えるごとに、燃料費が膨大になるため、建物に相当する建設資材を持ち込むことは現実的ではありません。 そのため、最初の生息地は火星の地元で入手可能な原材料を使用して構築する必要があるのです。
コンペティションで優勝したチーム ゾフェルスの建築家、トレイ レーン氏が語ったように、これは確かに建設へのアプローチ方法が異なります。
「建築家の観点から見ると、3D プリント時にはある程度の自由が広がります。」
初期の研究では、レーン氏は地元の材料を使用した大規模な 3D プリント プロジェクトにあまり意味がなかったので、予想外のインスピレーション源である昆虫に目を向けました。 「私たちはスズメバチ、クモ、カブトムシを観察し始めました」と彼は言いました。 「何億年もの間、彼らは生息地を作るために基本的に 3D プリントを行ってきました。」 昆虫は環境に出て、見つけます。 レーンがやりたかったのと同じように、資源を収集し、使用可能な材料に加工し、ニーズを満たす最も実用的な生息地を構築します。 「正直に言うと、3D プリントで自律的に地域資源を利用できる生息地を構築する方法については、人間よりも昆虫の方が優れたモデルであることがわかりました。」
彼のチームは、環境に出て行って材料を収集し、その後さらなる建設のためにそれらを持ち帰る探査機を含む生息地を構想しました。 「いろいろな意味で、それは地元の資源を少しだけ噛み砕いて張り子に変え、そこから巣を作るスズメバチのようなものです。」
火星でも地球でも、このアプローチを建設に適用すると利点があります。 「地元の資源を利用しているという事実は、宇宙ミッションに大きな違いをもたらします」と彼は言いました。 長いサプライチェーンに依存する代わりに、材料とエネルギーの点ではるかに効率的になることができます。 さらに、3D プリンティングのアプローチは従来の構造よりも安全です。 「建設業はリスクを伴いやすい業界です…ですから、その特定の側面を自律的に行うことができれば、安全面でもメリットがあります。」
また、3D プリントはより速く、より安価に行うことができ、ある程度の自由な設計が可能になります。 「建築家の観点から見ると、3D プリント時にはある程度の自由が開かれます」と彼は言いました。 平らで直線的な傾向があるツーバイフォーなどの大量生産された材料に依存する必要がないため、より複雑な形状を設計できます。 「ソリューションに合わせてカスタマイズしたデザインを自由に作成できるようになります。」
生息地を 3D プリントする方法
3D プリントについて考えるとき、おそらく幅数インチのアイテムをプリントするためのデスクトップ マシンを思い浮かべるでしょう。 インフラ規模の 3D プリンティングとなると、はるかに大規模なハードウェアが必要になりますが、概念的には同様です。 プロセス — 「同様のソフトウェアを使用するという点では、同様の動作テクニックを使用することになります」とマシュー・トロエムナー博士は述べています。 ノースウェスタン大学の候補者であり、大学の火星生息地チームのリーダーである彼は説明した。
違いは、材料の堆積方法にあります。 デスクトップ 3D プリンタは溶融堆積法を使用しており、「本質的には、溶けたプラスチックの紐のようなものです」とトロムナー氏は言います。 これをスケールアップすることは可能ですが、火星で印刷する場合、トロエムナー氏のチームはマースクリート、または火星コンクリートと呼ばれる別の種類の材料を使用したいと考えていました。 「硬化または硬化する前に、材料を事前に混合し、一種のペーストを作成し、それを押し出します」と彼は説明しました。
マースクリートは、火星のレゴリス（火星の表面を覆う粉っぽい土のような物質）と硫黄を混合して作られます。 硫黄コンクリートは地球上で何十年も使用されており、強度と耐摩耗性に優れているため、火星での建築に最適です。 混合したら、生息地を形成する形状に配置できます。
「火星や宇宙用途では、物質を移動させて堆積させる何らかのアームが必要になるでしょう」と彼は言う。 地球上では、アーム式メカニズムは、限られたサイズ、つまりアームが届く範囲でしか印刷できないため、大規模印刷ではガントリー式メカニズムよりも人気がありません。 しかし、印刷ハードウェアが複雑になるほど、問題が発生する可能性も高くなります。 別の惑星に構築する場合は、物事をできるだけシンプルに保つことに価値があります。
トロムナー氏のチームは、膨張可能な圧力容器、本質的には巨大で強力な風船を使用することを提案しました。 空気を入れてドーム状にし、その上にアーム機構を使ってマースクリートを印刷します。 圧力容器は空気の侵入と放射線の侵入を防ぎ、水泡コンクリートが構造を強くて耐久性のあるものにします。
火星に建設する際の課題
火星は人間にも建物にも住みにくい場所です。 まず、地球上には気温の変動があり、赤道付近の気温は最高から最高の範囲です。 日中は華氏 70 度 (摂氏 21 度)、日中は華氏マイナス 100 度 (摂氏マイナス 73 度) 夜。 それは建築材料に大きなストレスを与えます。
トロエムナー氏は、火星の非常に寒い夜と比較的暖かい日中に拡張と収縮を可能にするために、「互いに独立して拡張および収縮できる構造体が欲しかった」と述べた。 そして、その構造は、地球上で頻繁に発生する粉塵の蓄積に耐えるのに十分な強度が必要です。 砂嵐. 「構造物の半分に砂の山があると、荷重状態がアンバランスになります。これはどうなるのでしょうか?」 彼が説明した。 砂嵐も建設に影響を与える可能性があるため、ダウンタイムを考慮する必要があります。
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だからこそ、トロエムナー氏のチームはドームのアイデアを思いついたのです。 「ドームは熱膨張や砂丘の堆積に適した形状であり、荷重を非常にうまく分散します」と彼は言いました。 実際、火星の重力の減少によって建設業者も少し助けられています。「そのため、必要な構造要素が減り、より軽量な設備が必要になります。」
大きな問題の 1 つは、火星の宇宙飛行士を危険な放射線からどのように守るかということです。 「火星のレゴリスは、地表で経験するような放射線から身を守るのがそれほど優れているわけではありません」とマシュー氏は言う。 ドームの設計では、生息地の内部の人々と外部環境の間に 1 ～ 3 フィートの物質が存在しますが、 十分ではないでしょう 内部の宇宙飛行士を守るため。
レゴリスに硫黄を加えてマースクリートを作ると効果があるが、研究チームはシールド効果を高めるためにポリエチレン繊維も混合物に加えた。 完全なシールドを実現するには、内部の膨張構造にもより多くのポリエチレンを使用する必要があります。 このポリエチレンは、火星への物資の第一波を運ぶ無人の宇宙船の内張りから共食いされる可能性がある。
建築の役割
ただし、生息地の設計はエンジニアリング上の課題だけではありません。 また、潜在的に多大なストレスにさらされたり、深刻な孤立を経験したりしながら、人々が長期間快適に生活し、働くことができる空間を作り出すことでもあります。
チーム ゾフェルスの生息地は、科学活動のための実験室、共同ユニット、乗組員の 3 つのモジュールに分かれていました。 衛生設備や寝室などのニーズに合わせたユニット。ミッションに応じてさらにユニットを追加できる可能性あり ニーズ。
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彼らは、そこに滞在する宇宙飛行士の実際的なニーズと心理的なニーズの両方をサポートするスペースを望んでいました。それは、共同ユニットの設計方法に反映されていました。 「私たちはそのスペースを上層階の大きな開口部の周りに配置しました」と彼は言いました。 大きな窓により、宇宙飛行士は火星の内部を安全かつ快適に保ちながら、火星の表面を眺めることができます。 「私たちは、宇宙飛行士が周囲を見て周囲とつながる能力を最大限に発揮したいと考えていました。」
これは、たとえば機械アームを使用して屋外で物を移動させるなどのタスクを完了するために重要です。 しかし、心理的にも大きなメリットがあります。 「あなたを殺そうとしている惑星で、約1,000平方フィートの宇宙に1年間閉じ込められたら、 自分が住んでいる場所を除いてどこでも、自分が缶の中にいるのではないかと感じることは本当に有益です」と彼は言いました。
宇宙飛行士に心理的な利益をもたらす設計とは、建物を魅力的にすることではなく、設計上の問題に対する最適な解決策を見つけることです。
チームはまた、植物に光が当たるようにするためと、植物に光が当たるようにするため、このスペースに水耕栽培の庭園を追加しました。 下を歩いている宇宙飛行士は、まるで宇宙空間を歩いているような気分で心理的な休息を楽しむだろう。 木々に囲まれた空間。 レーンにとって、現実的ニーズと心理的ニーズのこの交差点のバランスをとることが建築家の重要な仕事です。 「建築家は人間のニーズと物理的環境の間のインターフェースをとります」と彼は言いました。 「その人が置かれている物理的環境は、その人に心理的および操作的な影響を与えます。」
彼の考え方は、ミッションのニーズと心理的ニーズを分けて考えたものではありませんでした。 むしろ、それらは相互に関連していると彼は見ています。 「こうした心理的ニーズは、実際に人間と関わる場合には現実的なニーズとなるのです」と彼は言う。 「宇宙飛行士の心理はミッションにおけるパフォーマンスに直接影響するからです。」
宇宙飛行士に心理的な利益をもたらす設計とは、建物を魅力的にすることではなく、設計上の問題に対する最適な解決策を見つけることです。 彼は宇宙工学のさまざまな側面における優雅さと美しさを指摘しました。 「デザインには、問題にうまく適合する本当に美しいものがあるのです」と彼は言い、それは多くの有機的な形状に内在する美しさと同様です。 「設計上の問題の実際的な制約に従い、乗員の健康と健康を考慮します。 健康と心理学を組み合わせることで、おそらくより審美的に美しいデザインになるでしょう。」
「何かを美しくしようとすると、行き過ぎてしまうことがあります」と彼は言いました。 「しかし、私にとって、そこに住むことになる人にとってそれがうまく機能するようにすることは、非常に現実的な考慮事項です。」
地下に潜る
両専門家は、将来の火星の生息地設計には、地表下への移動の可能性を含め、多くの可能性があることに同意した。 地下基地の建設には、放射線や砂嵐から人々を守るなど、多くの利点があります。 しかし、課題もあります。
地下工事に関しては、「まだ不明な点が非常に多い」とトロエムナー氏は言う。 火星の地下の組成やその環境での建設方法については、わかっていないことがたくさんあります。 「少なくとも最初のステップとしては、近い将来について話しているのであれば、表面上の何かのほうが理にかなっています。なぜなら、掘り下げる場合と同じレベルの未知数がないからです。」
しかし、私たちが火星にしばらく滞在すると、状況は変わるかもしれません。 「長期的には、最初のいくつかの初期構造を作成した後、より多くの探査機が地表に存在することになるでしょう。 宇宙飛行士が地上にいたのなら、将来は地下基地が良いかもしれない」と彼は語った。
レーンも同意した。 彼は、火星への最初のミッションには、アポロによる月へのミッションのように、人々が「主に地球から来たものである地表の物質」に滞在することが含まれるのではないかと考えていた。 しかし、より多くの人が長期間滞在するには、より恒久的なインフラが必要です。 「その時点で、地下に潜ったり、生息地を3Dプリントしたりし始めます」と彼は言う。
最終的に、レーンは、さまざまな宇宙機関や企業によって設計および建設された多種多様な生息地を構想しました。 「私たちのニーズはより多様化し、より多くの規模に対応する必要があるため、私たちが作成している生息地にはさらに多様性が見られるでしょう」と彼は言いました。 その多様性から、私たちは別の惑星で暮らすための最善の方法が何かについてさらに学び、将来さらにより良い生息地を構築するのに役立つでしょう。 「今後数十年で人類が月や火星に挑戦することは、私にとって本当に楽しみなことです。」
この記事はの一部です 火星上の生命は、人類の火星占領を可能にする最先端の科学技術を探求する10部構成のシリーズです。
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