Kaip pirmieji Marso gyventojai sukurs buveines su dirvožemiu

Kalbant apie žmones, kurie lankosi Marse ir jiems reikia kur apsistoti, NASA turi ambicingą planą: panaudoti planetoje randamas žaliavas 3D spausdinimui buveinei vietoje. Tai buvo 3D-Printed Habitat Challenge, kurį agentūra pradėjo prieš kelerius metus, tema, kuri pakvietė dizainerių komandas pasiūlyti geriausią problemos sprendimą.

Taigi kaip tiksliai paversti krūvą Marso dulkių patogiais namais? Norėdami tai išsiaiškinti, kalbėjomės su dviem tame konkurse dalyvavusiais ekspertais – architektu Trey Lane'u iš laimėjusios komandos Zopherus ir inžinierius Matthew Troemneris iš Šiaurės Vakarų universiteto komandos – apie tai, kaip suprojektuoti ir sukurti buveinę ant kito planeta.

Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse10 dalių serija, kurioje tyrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą.

Naudojant vietinius išteklius

Planuojant a Marso buveinė, didžiausias apribojimas yra tai, kiek medžiagos galite atsivežti iš Žemės. Kiekvienas papildomas masės gramas, pakrautas į raketą, kainuoja daug kuro, todėl tiesiog neįmanoma atsinešti pastato vertės statybinių medžiagų. Štai kodėl pirmosios buveinės turės būti sukurtos naudojant žaliavas, kurios yra Marse.

Kaip mums sakė konkursą laimėjusios komandos Zopherus architektas Trey Lane'as, tai tikrai kitoks būdas.

Ankstyvajame tyrime Lane'as nerado didelio masto 3D spausdinimo projektų, naudojančių vietines medžiagas, būdo, todėl jis kreipėsi į netikėtą įkvėpimo šaltinį: vabzdžius. „Pradėjome žiūrėti į vapsvas, vorus ir vabalus“, – sakė jis. „Šimtus milijonų metų jie iš esmės spausdino 3D, kad sukurtų buveines. Vabzdžiai išeina į aplinką, randa išteklius, perdirbti juos į tinkamas medžiagas ir sukurti praktiškiausią buveinę, atitinkančią jų poreikius – kaip ir Lane norėjo padaryti. „Sąžiningai nustatėme, kad vabzdžiai yra geresni modeliai, kaip sukurti 3D spausdintą autonominę vietinių išteklių naudojimo buveinę nei žmonės.

Jo komanda numatė buveinę, kurioje būtų roverių, kurie išeis į aplinką ir rinktų medžiagas, o paskui sugrąžintų jas tolimesnei statybai. „Daugeliu atžvilgių tai tarsi vapsva, kuri nueina ir sukramto šiek tiek vietinių išteklių, paverčia juos papjė maše ir iš to susikuria lizdą.

Šio metodo taikymas Marse ar Žemėje turi pranašumų. „Tai, kad jūs naudojate vietinius išteklius, daro didžiulį skirtumą kosminėms misijoms“, - sakė jis. Užuot pasikliavę ilgomis tiekimo grandinėmis, galite būti daug efektyvesni medžiagų ir energijos atžvilgiu. Be to, 3D spausdinimo metodas yra saugesnis nei tradicinė konstrukcija. „Statyba yra rizikinga pramonė... Taigi, jei tam tikrus aspektus galite atlikti savarankiškai, taip pat turėsite naudos saugai.

Taip pat 3D spausdinimas gali būti greitesnis ir pigesnis, be to, tai suteikia tam tikrą dizaino laisvę. „Architekto požiūriu, spausdinant 3D, atsiveria tam tikra laisvė“, – sakė jis. Nereikia pasikliauti masiškai gaminamomis medžiagomis, tokiomis kaip du po keturių, kurios paprastai būna plokščios ir tiesios, todėl galite kurti sudėtingesnes formas. „Tai leidžia jums sukurti dizainą, kuris būtų pritaikytas sprendimui“.

Kaip 3D spausdinti buveinę

Kai galvojate apie 3D spausdinimą, tikriausiai galvojate apie stalinį aparatą, skirtą kelių colių pločio daiktams spausdinti. Kalbant apie infrastruktūros masto 3D spausdinimą, jums reikia daug didesnės aparatinės įrangos, tačiau tai konceptualiai panaši procesas – „jei naudotumėte panašią programinę įrangą, naudotumėte panašius judesių metodus“, – teigia mokslų daktaras Matthew Troemner. Šiaurės vakarų universiteto kandidatas ir universiteto Marso buveinių komandos vadovas.

Skirtumas yra medžiagos nusodinimo būdu. Staliniai 3D spausdintuvai naudoja lydyto nusodinimo metodą, „kuris iš esmės yra tarsi ištirpusi plastikinė virvelė“, - sakė Troemneris. Ir nors tai įmanoma padidinti, spausdindama Marse Troemnerio komanda norėjo naudoti kitokio tipo medžiagą, vadinamą marscrete arba Marso betonu. „Mes iš anksto sumaišome medžiagą, sukuriame tam tikrą pastą, o paskui ją išspaudžiame“, – paaiškino jis.

Marscrete gaminamas maišant Marso regolitą – į dulkėtą dirvožemį panašią medžiagą, dengiančią planetos paviršių – su siera. Sieros betonas Žemėje naudojamas dešimtmečius, yra tvirtas ir atsparus dilimui, todėl idealiai tinka statyti Marse. Sumaišius jį galima suformuoti į formas, kad susidarytų buveinė.

„Jei norite naudoti Marse ar kosmose, turėtumėte tam tikrą ranką, kuri juda ir nusodina medžiagas“, - sakė jis. Žemėje rankos tipo mechanizmai yra mažiau populiarūs nei portaliniai didelio masto spausdinimo mechanizmai, nes jie gali spausdinti tik ribotu dydžiu – iš esmės pasiekiamu ranka. Tačiau kuo sudėtingesnė spausdinimo įranga, tuo daugiau dalykų gali suklysti. Kuriant kitoje planetoje verta viską padaryti kuo paprastesnį.

Troemnerio komanda pasiūlė naudoti pripučiamą slėginį indą – iš esmės milžinišką, stiprų balioną, kuris būtų užpildytas oru, kad susidarytų kupolo forma, o ant jo būtų svirties mechanizmas, naudojamas marscrete spausdinimui. Slėginis indas išlaiko orą ir spinduliavimą, o marscrete daro konstrukciją tvirtą ir patvarią.

Statant Marse iššūkiai

Marsas yra nesvetingas tiek žmonėms, tiek pastatams. Visų pirma, planetoje yra temperatūros svyravimų, kurių temperatūra aplink pusiaują svyruoja nuo aukštos nuo 70 laipsnių pagal Farenheitą (21 laipsnis Celsijaus) dieną iki minus 100 laipsnių pagal Farenheitą (minus 73 laipsnis pagal Celsijų) naktis. Tai kelia didelį stresą statybinėms medžiagoms.

"Mes norėjome turėti struktūras, kurios galėtų plėstis ir trauktis nepriklausomai viena nuo kitos", - sakė Troemneris, kad būtų galima plėstis ir susitraukti per labai šaltas Marso naktis ir palyginti šiltas dienas. Ir konstrukcijos turi būti pakankamai tvirtos, kad atlaikytų dažnai planetoje besikaupiančias dulkes dulkių audros. „Jei ant pusės jūsų konstrukcijos yra smėlio krūva, jūsų apkrova yra nesubalansuota, ką tai padarys? jis paaiškino. Dulkių audros taip pat gali turėti įtakos statyboms, o tai reiškia, kad reikia numatyti prastovos laiką.

Štai kodėl Troemnerio komanda sugalvojo kupolų idėją. „Kupolai yra geros formos šiluminiam plėtimuisi ir smėlio kopų kaupimuisi“, – sakė jis, ir jie labai gerai paskirsto apkrovas. Statybininkams iš tikrųjų šiek tiek padeda ir Marse sumažėjusi gravitacija, „todėl jums reikia mažiau konstrukcinių elementų, jums reikia lengvesnės įrangos“.

Viena didelė problema yra tai, kaip apsaugoti Marso astronautus nuo pavojingos spinduliuotės. „Marso regolitas iš tikrųjų nėra toks puikus, kad apsaugotų nuo spinduliuotės, kurią patirtumėte paviršiuje“, - sakė Matthew. Kupolo konstrukcijoje tarp žmonių buveinėje ir išorinėje aplinkoje būtų nuo vienos iki trijų pėdų medžiagos, tačiau neužtektų kad apsaugotų viduje esančius astronautus.

Sieros pridėjimas prie regolito, kad susidarytų marscrete, padeda, tačiau komanda taip pat į mišinį įdėjo polietileno pluoštų, kurie padidintų ekrano efektą. Norint visiškai apsaugoti, vidinėje pripūstoje konstrukcijoje taip pat būtų daugiau polietileno. Šis polietilenas gali būti kanibalizuotas iš be įgulos erdvėlaivio, kuris nugabentų pirmąją atsargų bangą į Marsą, pamušalo.

Architektūros vaidmuo

Tačiau buveinių projektavimas nėra susijęs tik su inžineriniais iššūkiais. Taip pat svarbu sukurti erdvę, kurioje žmonės galėtų patogiai gyventi ir dirbti ilgą laiką, galbūt patirdami daug streso ar išgyvendami gilią izoliaciją.

Zopherus komandos buveinė buvo padalinta į tris modulius: mokslo operacijų laboratoriją, bendruomeninį padalinį ir įgulą. vienetas, skirtas tokioms reikmėms kaip sanitarijos ir miegamosios patalpos, su galimybe, kad pagal misiją būtų galima pridėti daugiau vienetų poreikiai.

Jie norėjo, kad erdvė atitiktų praktinius ir psichologinius ten gyvenančių astronautų poreikius, o tai atsispindėjo ir projektuojant bendruomeninį padalinį. „Mes iš tikrųjų orientavomės tą erdvę aplink didelę angą viršutiniame lygyje“, - sakė jis. Didelis langas leidžia astronautams žiūrėti į Marso paviršių, o viduje būti saugiai ir patogiai. „Norėjome maksimaliai padidinti astronautų gebėjimą matyti aplinką ir su ja susisiekti.

Tai svarbu atliekant tokias užduotis kaip, pavyzdžiui, naudojant mechaninę ranką daiktams perkelti lauke. Tačiau yra ir didelė psichologinė nauda. „Jeigu metus laikote maždaug tūkstančio kvadratinių pėdų erdvėje planetoje, kuri nori jus nužudyti visur, išskyrus ten, kur gyvenate, jaustis, lyg nesate skardinėje, tikrai naudinga“, – sakė jis.

Komanda taip pat pridėjo prie šios erdvės hidroponinį sodą, kad augalai galėtų gauti šviesos ir taip astronautai, vaikštantys žemiau, mėgautųsi psichologine pertrauka, jausdami, lyg vaikščiotų per a miškinga erdvė. Lane'ui šios praktinių ir psichologinių poreikių sankirtos subalansavimas yra pagrindinis architekto darbas. „Architektai sąveikauja tarp žmonių poreikių ir fizinės aplinkos“, – sakė jis. „Fizinė aplinka, kurioje kažkas yra, veikia juos psichologiškai ir operaciškai.

Jis apie tai galvojo ne apie atskirus misijos poreikius ir psichologinius poreikius. Vietoj to, jis juos laiko tarpusavyje susijusiais. „Tie psichologiniai poreikiai iš tikrųjų yra praktiniai poreikiai, kai bendrauji su žmogumi“, – sakė jis. „Kadangi jūsų astronautų psichologija tiesiogiai veikia jų veiklą misijoje“.

Projektavimas, kad būtų naudingas astronautams psichologiškai, yra ne pastato patrauklumas dėl jo, o geriausio dizaino problemos sprendimo paieška. Jis atkreipė dėmesį į eleganciją ir grožį daugeliu kosmoso inžinerijos aspektų. „Dizainas tikrai yra kažkas gražaus, kuris puikiai tinka šiai problemai“, – sakė jis, panašus į daugelio organinių formų grožį. „Vadovaujantis pragmatiniais projektavimo problemos suvaržymais ir atsižvelgiant į keleivių sveikatą ir sveikata ir psichologija sukuria kažką, kas tikriausiai bus estetiškesnio dizaino.

„Galite nueiti per toli kurdami ką nors gražaus“, - sakė jis. „Tačiau tai, kad jis gerai veiktų žmogui, kuris joje gyvens, man yra labai praktiškas dalykas.

Einant po žeme

Abu ekspertai sutiko, kad Marso buveinių projektavimo ateitis turi daug galimybių, įskaitant potencialų judėjimą žemiau paviršiaus. Požeminės bazės statyba turi daug privalumų, pavyzdžiui, apsaugoti žmones nuo radiacijos ir dulkių audrų. Tačiau tai taip pat turi savo iššūkių.

Kalbant apie požemines statybas, „Vis dar yra tiek daug nežinomųjų“, - sakė Troemneris. Mes daug ko nežinome apie Marso požeminio paviršiaus sudėtį ir kaip toje aplinkoje statyti. „Bent jau pirmam žingsniui, jei kalbame apie artimiausią ateitį, kažkas paviršutiniškesnė, nes nėra tų pačių nežinomųjų lygių, kaip būtų kasant.

Tačiau kai kurį laiką būsime Marse, tai gali pasikeisti. „Ilgalaikiu laikotarpiu, kai sukūrei kelias pirmąsias pradines struktūras, paviršiuje atsirado daugiau roverių, galbūt jūs turėjote astronautų paviršiuje, tada galbūt požeminė bazė yra kelias, kurį reikia eiti ateityje“, – sakė jis.

Lane sutiko. Jis manė, kad pirmoje misijoje į Marsą žmonės gali likti „paviršiuje esančiuose daiktuose, kurie dažniausiai atkeliavo iš Žemės“, kaip „Apollo“ misijos į Mėnulį. Tačiau norint, kad daugiau žmonių liktų ilgesniam laikui, reikia nuolatinės infrastruktūros. „Tuo metu jūs pradedate eiti po žeme arba 3D spausdinti savo buveines“, - sakė jis.

Galų gale Lane numatė daugybę skirtingų kosmoso agentūrų ar įmonių suprojektuotų ir pastatytų buveinių. „Matysime daugiau savo kuriamų buveinių įvairovės, nes mūsų poreikiai bus įvairesni ir turėsime prisitaikyti prie didesnio masto“, – sakė jis. Iš šios įvairovės sužinosime daugiau apie tai, koks yra geriausias būdas gyventi kitoje planetoje, o tai padės mums sukurti dar geresnes buveines ateityje. „Tai yra kažkas, dėl ko aš tikrai džiaugiuosi, kai ateinančiais dešimtmečiais žmonės išskris į Mėnulį ir Marsą.

Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse10 dalių serija, kurioje tyrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą.

Redaktorių rekomendacijos

• Kosminiai ryšiai: kaip pirmieji žmonės Marse susisieks su Žeme
• Astropsichologija: kaip išlikti sveiko proto Marse
• Dirbtinė atmosfera: kaip Marse pastatysime bazę su kvėpuojančiu oru
• Astroagrikultūra: kaip auginsime pasėlius Marse
• Marso dulkės yra didelė astronautų problema. Štai kaip NASA su tuo kovoja