화성의 첫 정착민이 토양으로 서식지를 만드는 방법

인간이 화성을 방문하고 머물 곳이 필요한 경우 NASA는 야심 찬 계획을 가지고 있습니다. 행성에서 발견된 원자재를 사용하여 서식지를 3D 프린팅하는 것입니다. 그것은 에이전시가 몇 년 전에 시작한 3D 프린팅 해비타트 챌린지(3D-Printed Habitat Challenge)의 주제였습니다. 이 챌린지는 디자이너 팀을 초대하여 문제에 대한 최선의 해결책을 제시했습니다.

그렇다면 정확히 어떻게 화성 먼지 덩어리를 편안한 집으로 바꿀 수 있을까요? 알아보기 위해 우리는 대회에 참가한 두 명의 전문가, 우승팀 Zopherus의 건축가 Trey Lane과 이야기를 나눴습니다. 및 Northwestern University 팀의 엔지니어 Matthew Troemner - 다른 곳에서 서식지를 설계하고 구축하는 방법에 대해 행성.

이 글은 화성에 생명체, 인간이 화성을 점령할 수 있는 최첨단 과학 기술을 탐구하는 10부작 시리즈입니다.

로컬 리소스 사용

계획할 때 화성의 서식지, 가장 큰 제한은 지구에서 가져올 수 있는 물질의 양입니다. 로켓에 추가되는 모든 추가 질량은 연료 측면에서 상당한 비용이 들기 때문에 건물의 건축 자재 가치를 가져오는 것은 실현 불가능합니다. 그렇기 때문에 최초의 서식지는 화성에서 현지에서 구할 수 있는 원자재를 사용하여 건설되어야 합니다.

경쟁에서 우승한 Team Zopherus의 건축가 Trey Lane이 우리에게 말했듯이 건설에 접근하는 다른 방법입니다.

초기 연구에서 Lane은 현지 재료를 사용하는 대규모 3D 프린팅 프로젝트에서 많은 것을 발견하지 못했기 때문에 예상치 못한 영감의 원천인 곤충으로 눈을 돌렸습니다. "우리는 말벌과 거미, 딱정벌레를 보기 시작했습니다."라고 그는 말했습니다. "수억 년 동안 그들은 서식지를 만들기 위해 본질적으로 3D 프린팅을 해왔습니다." 곤충은 환경으로 나가서 Lane이 원했던 것처럼 자원을 사용 가능한 재료로 처리하고 필요에 맞는 가장 실용적인 서식지를 건설합니다. "솔직히 우리는 곤충이 인간보다 3D 프린팅된 자율적 지역 자원 활용 서식지를 구축하는 방법에 대한 더 나은 모델이라는 것을 발견했습니다."

그의 팀은 환경으로 나가 재료를 수집한 다음 추가 건설을 위해 다시 가져오는 로버가 포함된 서식지를 구상했습니다. "여러 면에서 그것은 말벌이 가서 약간의 지역 자원을 갉아먹고 그것을 종이 종이로 바꾸고 거기에 둥지를 짓는 것과 같습니다."

화성에 있든 지구에 있든 건설에 이 접근 방식을 적용하면 이점이 있습니다. "지역 자원을 사용하고 있다는 사실은 우주 임무에 큰 차이를 만듭니다."라고 그는 말했습니다. 긴 공급망에 의존하는 대신 재료 및 에너지 측면에서 훨씬 더 효율적일 수 있습니다. 또한 3D 프린팅 접근 방식은 기존 건축 방식보다 안전합니다. "건설은 위험이 발생하기 쉬운 산업입니다. 따라서 특정 측면을 자율적으로 수행할 수 있다면 안전상의 이점도 있습니다."

또한 3D 프린팅보다 더 빠르고 저렴할 수 있으며 어느 정도의 디자인 자유도가 있습니다. "건축가의 관점에서 볼 때 3D 프린팅을 할 때 열리는 어느 정도의 자유가 있습니다."라고 그는 말했습니다. 평평하고 직선적인 경향이 있는 2x4와 같은 대량 생산 재료에 의존할 필요가 없으므로 더 복잡한 모양을 디자인할 수 있습니다. "솔루션에 맞는 디자인을 만들 수 있습니다."

서식지를 3D 프린팅하는 방법

3D 인쇄를 생각할 때 몇 인치 너비의 항목을 인쇄하기 위한 데스크톱 기계를 생각할 수 있습니다. 인프라 규모의 3D 프린팅에 관해서는 훨씬 더 큰 하드웨어가 필요하지만 개념적으로는 비슷합니다. 프로세스 — "유사한 소프트웨어를 사용한다는 점에서 유사한 이동 기술을 사용하게 됩니다."라고 Matthew Troemner, Ph.D. Northwestern University의 후보자이자 대학의 화성 서식지 팀 리더는 설명했습니다.

차이점은 재료가 증착되는 방식에 있습니다. 데스크톱 3D 프린터는 "기본적으로 녹은 플라스틱 끈과 같은" 융합 증착 방법을 사용한다고 Troemner는 말했습니다. 그리고 이것을 확장하는 것이 가능하지만 화성에서 인쇄하기 위해 Troemner 팀은 marscrete 또는 Mars 콘크리트라는 다른 유형의 재료를 사용하기를 원했습니다. "우리는 재료를 사전 혼합하고 일종의 페이스트를 만든 다음 압출하여 경화 또는 경화시킵니다."라고 그는 설명했습니다.

Marscrete는 화성의 표토(화성 표면을 덮고 있는 먼지투성이 흙과 같은 물질)와 유황을 혼합하여 만들어집니다. 유황 콘크리트는 수십 년 동안 지구에서 사용되어 왔으며 강하고 내마모성이 있어 화성 건설에 이상적입니다. 일단 혼합되면 모양으로 놓아 서식지를 형성할 수 있습니다.

"화성 또는 우주 응용 프로그램의 경우 물질을 이동하고 침전시키는 일종의 팔이 있을 것입니다."라고 그는 말했습니다. 지구상에서 암 스타일 메커니즘은 제한된 크기, 즉 본질적으로 팔이 닿는 범위에서만 인쇄할 수 있기 때문에 대규모 인쇄를 위한 갠트리 스타일 메커니즘보다 덜 인기가 있습니다. 그러나 인쇄 하드웨어가 복잡할수록 잘못될 수 있는 일이 더 많아집니다. 다른 행성에 건물을 지을 때 가능한 한 단순하게 유지하는 것이 가치가 있습니다.

Troemner의 팀은 본질적으로 크고 강한 풍선인 팽창식 압력 용기를 사용할 것을 제안했습니다. 돔 모양을 형성하기 위해 공기로 채워지고 그 위에 marscrete를 인쇄하는 데 사용되는 팔 메커니즘이 있습니다. 압력 용기는 공기를 유지하고 방사선을 차단하며, 마르스크리트는 구조를 강하고 내구성 있게 만듭니다.

화성 건설의 과제

화성은 인간과 건물 모두에게 적합하지 않습니다. 우선, 적도 주변의 온도가 높은 범위에서 지구에 온도 변동이 있습니다 낮에는 화씨 70도(섭씨 21도)에서 영하 100도(섭씨 영하 73도)로 밤. 이는 건축 자재에 많은 스트레스를 줍니다.

Troemner는 화성의 매우 추운 밤과 상대적으로 따뜻한 낮 동안 팽창과 수축을 허용하기 위해 "서로 독립적으로 확장 및 수축할 수 있는 구조를 갖고 싶었습니다."라고 말했습니다. 그리고 구조는 행성의 빈번한 먼지 축적을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다. 먼지 폭풍. "구조물 절반에 모래 더미가 있으면 불균형 하중 상태가 됩니다. 어떻게 될까요?" 그가 설명했다. 먼지 폭풍은 공사에도 영향을 미칠 수 있으므로 가동 중지 시간을 허용해야 합니다.

그것이 Troemner 팀이 돔에 대한 아이디어를 내놓은 이유입니다. "돔은 열팽창과 모래언덕 형성에 좋은 형태입니다."라고 그는 말하며 하중을 매우 잘 분산시킵니다. 빌더는 실제로 화성의 감소된 중력으로 인해 약간의 도움을 받습니다. "따라서 구조 요소가 더 적게 필요하고 더 가벼운 장비가 필요합니다."

한 가지 큰 문제는 위험한 방사선으로부터 화성의 우주 비행사를 보호하는 방법입니다. "화성의 레골리스는 표면에서 경험하게 될 방사선으로부터 차폐하는 데 그다지 탁월하지 않습니다."라고 Matthew는 말했습니다. 돔 디자인은 거주지 내부의 사람과 외부 환경 사이에 1~3피트의 재료가 있어야 하지만 충분하지 않을거야 내부의 우주 비행사를 보호하기 위해.

마르스크리트를 만들기 위해 표토에 유황을 첨가하는 것은 도움이 되지만 팀은 차폐 효과를 더할 수 있는 폴리에틸렌 섬유도 혼합물에 첨가했습니다. 완전한 차폐를 위해 내부 팽창 구조에는 더 많은 폴리에틸렌이 포함됩니다. 이 폴리에틸렌은 화성으로 첫 보급품을 실어 나르는 무인 우주선의 안감에서 잠식될 수 있습니다.

건축의 역할

서식지 설계는 공학적 문제에 관한 것만은 아닙니다. 또한 잠재적으로 많은 스트레스를 받거나 심한 고립을 경험하는 동안 사람들이 오랫동안 편안하게 살고 일할 수 있는 공간을 만드는 것입니다.

Zopherus 팀의 서식지는 과학 작업을 위한 실험실, 공동 단위 및 승무원의 세 가지 모듈로 나뉩니다. 미션에 따라 더 많은 유닛을 추가할 수 있는 가능성과 함께 위생 및 수면 공간과 같은 필요를 위한 유닛 필요합니다.

그들은 공간이 그곳에 머무르는 우주비행사의 실질적인 요구와 심리적 요구를 모두 지원할 수 있기를 원했으며, 이는 그들이 공동 유닛을 설계한 방식에 반영되었습니다. "우리는 위층의 큰 개구부를 중심으로 그 공간을 배치했습니다."라고 그는 말했습니다. 큰 창을 통해 우주비행사는 내부에서 안전하고 편안하게 지내면서 화성 표면을 내다볼 수 있습니다. "우리는 우주비행사가 주변 환경을 보고 연결하는 능력을 극대화하고 싶었습니다."

예를 들어 기계 팔을 사용하여 외부에서 물건을 옮기는 것과 같은 작업을 완료하는 데 중요합니다. 그러나 상당한 심리적 이점도 있습니다. "당신을 죽이려는 행성에서 1000평방피트의 공간에 1년 동안 갇혀 있다면 당신이 사는 곳을 제외한 모든 곳에서 당신이 캔 안에 있지 않다는 느낌은 정말 유익합니다.”라고 그는 말했습니다.

팀은 또한 이 공간에 수경 재배 정원을 추가하여 식물이 빛을 받을 수 있도록 했습니다. 아래를 걷고 있는 우주비행사들은 나무가 우거진 공간. Lane에게 있어 실용적이고 심리적인 필요의 교차점에서 균형을 맞추는 것은 건축가의 핵심 업무입니다. "건축가는 인간의 요구와 물리적 환경 사이의 인터페이스"라고 그는 말했습니다. "누군가가 있는 물리적 환경은 심리적으로나 운영상에도 영향을 미칩니다."

그가 생각한 방식은 선교적 필요와 심리적 필요를 구분하는 것이 아니었습니다. 대신 그는 그것들을 서로 연결된 것으로 본다. "인간을 대할 때 이러한 심리적 필요는 실제로 실질적인 필요입니다."라고 그는 말했습니다. "우주 비행사의 심리가 임무 수행에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다."

우주 비행사에게 심리적으로 도움이 되는 디자인은 건물을 매력적으로 만드는 것이 아니라 디자인 문제에 대한 최상의 솔루션을 찾는 것입니다. 그는 우주 공학의 여러 측면에서 우아함과 아름다움을 지적했습니다. "문제에 잘 맞는 디자인에는 정말 아름다운 것이 있습니다."라고 그는 많은 유기적 형태에 내재된 아름다움과 유사하게 말했습니다. “설계 문제의 실용적인 제약을 따르고 거주자의 건강과 웰빙과 심리학은 아마도 미학적으로 더 즐거운 디자인이 될 무언가를 낳을 것입니다.”

"예쁜 것을 만드는 데 너무 멀리 갈 수 있습니다. "라고 그는 말했습니다. "하지만 그곳에 살게 될 사람을 위해 잘 작동하도록 만드는 것은 매우 실용적인 고려 사항입니다."

지하로 가는 중

두 전문가 모두 화성 거주지 디자인의 미래에는 표면 아래로 이동할 가능성을 포함하여 많은 가능성이 있다는 데 동의했습니다. 지하 기지를 건설하면 사람들을 방사선과 먼지 폭풍으로부터 안전하게 보호하는 것과 같은 많은 이점이 있습니다. 그러나 여기에는 과제도 있습니다.

지하 건설에 관해서는 "아직 알려지지 않은 것이 너무 많습니다."라고 Troemner는 말했습니다. 화성 지하 표면의 구성과 그 환경에서 건설하는 방법에 대해 우리가 모르는 것이 많습니다. "최소한 첫 번째 단계에서는 가까운 미래에 대해 이야기하는 경우 파헤칠 때와 동일한 수준의 미지수가 없기 때문에 표면에 있는 것이 더 의미가 있습니다."

하지만 우리가 한동안 화성에 있으면 상황이 바뀔 수 있습니다. “장기적으로 처음 몇 개의 초기 구조를 만든 후 표면에 더 많은 로버가 있을 수 있습니다. 당신은 지상에 우주 비행사를 가지고 있었다면 아마도 지하 기지가 미래에 갈 길이 될 것입니다.”라고 그는 말했습니다.

레인은 동의했다. 그는 화성에 대한 첫 번째 임무는 달에 대한 아폴로 임무와 같이 "대부분 지구에서 온 표면에 있는 물건"에 머무르는 사람들을 포함할 것이라고 생각했습니다. 그러나 더 많은 사람들이 더 오래 머물려면 더 영구적인 인프라가 필요합니다. "그 시점에서 당신은 지하로 들어가거나 서식지를 3D 프린팅하기 시작합니다."라고 그는 말했습니다.

결국 Lane은 다양한 우주 기관이나 회사에서 설계하고 건설한 다양한 서식지를 구상했습니다. "우리의 요구 사항이 더 다양해지고 더 많은 규모를 수용해야 하기 때문에 우리는 우리가 만들고 있는 서식지에서 더 다양한 것을 보게 될 것입니다."라고 그는 말했습니다. 그 다양성에서 우리는 다른 행성에서 사는 가장 좋은 방법이 무엇인지 더 많이 알게 될 것이며, 이는 미래에 더 나은 서식지를 만드는 데 도움이 될 것입니다. "향후 수십 년 동안 인간이 달과 화성에 모험을 떠나는 것에 대해 정말 흥분되는 일입니다."

이 글은 화성에 생명체, 인간이 화성을 점령할 수 있는 최첨단 과학 기술을 탐구하는 10부작 시리즈입니다.

편집자 추천

• 우주 통신: 화성의 첫 인간이 지구와 통신하는 방법
• 천체 심리학: 화성에서 제정신을 유지하는 방법
• 인공 대기: 화성에 숨쉴 수 있는 공기로 기지를 건설하는 방법
• Astroagriculture: 화성에서 작물을 재배하는 방법
• 화성의 먼지는 우주 비행사에게 큰 문제입니다. NASA가 싸우는 방법은 다음과 같습니다.