Kā Marsa pirmie kolonisti veidos biotopus ar augsni

Kad runa ir par cilvēkiem, kas apmeklē Marsu un viņiem ir nepieciešams kaut kur apmesties, NASA ir ambiciozs plāns: izmantot uz planētas atrodamos izejmateriālus, lai 3D drukātu dzīvotni in situ. Tas bija 3D-Printed Habitat Challenge temats, ko aģentūra uzsāka pirms dažiem gadiem un kurā tika aicinātas dizaineru komandas piedāvāt labāko problēmas risinājumu.

Tātad, kā tieši mēs varam pārveidot Marsa putekļu ķekarus ērtā mājā? Lai to noskaidrotu, mēs runājām ar diviem ekspertiem, kas piedalījās šajā konkursā — arhitektu Treju Leinu no uzvarētājas Team Zopherus. un inženieris Metjū Troemners no Ziemeļrietumu universitātes komandas — par to, kā projektēt un veidot dzīvotni citā planēta.

Šis raksts ir daļa no Dzīve uz Marsa, 10 daļu sērija, kas pēta visprogresīvākās zinātnes un tehnoloģijas, kas ļaus cilvēkiem ieņemt Marsu.

Izmantojot vietējos resursus

Plānojot a dzīvotne Marsam, lielākais ierobežojums ir tas, cik daudz materiāla varat atvest no Zemes. Katrs papildu grams masas, kas tiek iekrauts raķetē, rada ievērojamas izmaksas degvielas ziņā, tāpēc vienkārši nav iespējams ienest līdzi ēkas celtniecības materiālus. Tāpēc pirmie biotopi būs jāveido, izmantojot izejvielas, kas ir pieejamas uz Marsa.

Tas noteikti ir atšķirīgs veids, kā pieiet būvniecībai, kā mums teica Trejs Leins, arhitekts no konkursa uzvarētājas Team Zopherus.

Savos agrīnajos pētījumos Leins neko daudz neatrada liela mēroga 3D drukāšanas projektu veidā, izmantojot vietējos materiālus, tāpēc viņš pievērsās negaidītam iedvesmas avotam: kukaiņiem. "Mēs sākām skatīties uz lapsenēm, zirnekļiem un vabolēm," viņš teica. "Simtiem miljonu gadu viņi galvenokārt ir veikuši 3D drukāšanu, lai radītu dzīvotnes." Kukaiņi iziet vidē, atrod resursus, apstrādājiet tos izmantojamā materiālā un izveidojiet vispraktiskāko dzīvotni, lai apmierinātu viņu vajadzības — tieši tāpat kā to, ko Leins vēlējās darīt. "Godīgi sakot, mēs atklājām, ka kukaiņi ir labāki modeļi, kā izveidot 3D drukātu, autonomu, vietējo resursu izmantošanas biotopu nekā cilvēki."

Viņa komanda paredzēja dzīvotni, kurā būtu roveri, kas izietu vidē un savāktu materiālus, pēc tam tos nogādātu tālākai celtniecībai. "Daudzos veidos tas ir kā lapsene, kas iet un sakošļā mazliet vietējos resursus un pārvērš to par papjē un no tā veido savu ligzdu."

Šīs pieejas izmantošanai būvniecībā ir priekšrocības gan uz Marsa, gan uz Zemes. "Fakts, ka jūs izmantojat vietējos resursus, ļoti būtiski ietekmē kosmosa misijas," viņš teica. Tā vietā, lai paļautos uz garām piegādes ķēdēm, jūs varat būt daudz efektīvāks materiālu un enerģijas ziņā. Turklāt 3D drukāšanas pieeja ir drošāka nekā tradicionālā būvniecība. "Būvniecība ir riskam pakļauta nozare... Tātad, ja jūs varat veikt noteiktus aspektus autonomi, jums ir arī drošības ieguvums."

3D drukāšana var būt arī ātrāka un lētāka, un tā nodrošina zināmu dizaina brīvību. "No arhitekta viedokļa 3D drukāšanas laikā tiek atvērta zināma brīvība," viņš teica. Jums nav jāpaļaujas uz masveidā ražotiem materiāliem, piemēram, divreiz četriem, kas mēdz būt plakani un taisni, lai jūs varētu veidot sarežģītākas formas. "Tas ļauj jums izveidot dizainu, kas ir pielāgots risinājumam."

Kā 3D drukāt biotopu

Kad jūs domājat par 3D drukāšanu, jūs, iespējams, domājat par galddatoru, kas paredzēts dažu collu platu priekšmetu drukāšanai. Runājot par infrastruktūras mēroga 3D drukāšanu, jums ir nepieciešama daudz lielāka aparatūra, taču tā ir konceptuāli līdzīga process — “ja jūs izmantotu līdzīgu programmatūru, jūs izmantotu līdzīgas kustību metodes,” norāda Metjū Troemners, Ph.D. Ziemeļrietumu universitātes kandidāts un universitātes Marsa biotopu komandas vadītājs.

Atšķirība ir materiāla nogulsnēšanas veidā. Galddatoru 3D printeri izmanto kausētu nogulsnēšanas metodi, "kas būtībā ir kā izkususi plastmasas aukla", sacīja Troemners. Un, lai gan to ir iespējams palielināt, drukāšanai uz Marsa Troemnera komanda vēlējās izmantot cita veida materiālu, ko sauc par marscrete vai Marsa betonu. "Mēs iepriekš sajaucam materiālu, izveidojam sava veida pastu un pēc tam to izspiežam", pirms ļaujam tam sacietēt vai sacietēt, viņš paskaidroja.

Marscrete tiek izgatavots, sajaucot Marsa regolītu — putekļainu augsnei līdzīgu vielu, kas klāj planētas virsmu — ar sēru. Sērbetons uz Zemes ir izmantots gadu desmitiem, un tas ir izturīgs un izturīgs pret nodilumu, tāpēc tas ir ideāli piemērots būvniecībai uz Marsa. Kad tas ir sajaukts, to var veidot formās, lai izveidotu dzīvotni.

"Marsa vai kosmosa lietojumiem jums būtu sava veida roka, kas pārvietojas un nogulsnē materiālu," viņš teica. Uz Zemes rokas tipa mehānismi ir mazāk populāri nekā portāla tipa mehānismi lielapjoma drukāšanai, jo tie var drukāt tikai ierobežotā izmērā — būtībā rokas stiepiena attālumā. Bet jo sarežģītāka ir drukas aparatūra, jo vairāk lietu var noiet greizi. Būvējot uz citas planētas, ir vērts lietas saglabāt pēc iespējas vienkāršāk.

Troemnera komanda ierosināja izmantot piepūšamu spiedtvertni - būtībā milzīgu, spēcīgu balonu tiktu piepildīts ar gaisu, veidojot kupola formu, un tam virsū tiek izmantots sviras mehānisms, lai uzdrukātu marscrete. Spiedientvertne uztur gaisu iekšā un starojumu, un marscrete padara konstrukciju stipru un izturīgu.

Izaicinājumi, veidojot uz Marsa

Marss ir neviesmīlīgs gan cilvēkiem, gan ēkām. Sākumā uz planētas ir temperatūras svārstības, un temperatūra ap ekvatoru svārstās no augstas no 70 grādiem pēc Fārenheita (21 grādi pēc Celsija) dienas laikā līdz mīnus 100 grādiem pēc Fārenheita (mīnus 73 pēc Celsija) plkst. nakts. Tas rada lielu stresu būvmateriāliem.

"Mēs vēlējāmies, lai būtu struktūras, kas varētu paplašināties un sarukt neatkarīgi viena no otras," sacīja Troemners, lai Marsa ļoti aukstajās naktīs un salīdzinoši siltajās dienās varētu izplesties un sarukt. Un konstrukcijām ir jābūt pietiekami spēcīgām, lai tās izturētu putekļu uzkrāšanos no planētas putekļu vētras. "Ja jums ir smilšu kaudze uz pusi no jūsu konstrukcijas, jums ir nelīdzsvarota slodze, ko tas darīs?" viņš paskaidroja. Putekļu vētras var ietekmēt arī būvniecību, kas nozīmē, ka ir jāparedz dīkstāves.

Tāpēc Troemnera komanda nāca klajā ar domu par kupoliem. "Kupoli ir laba forma siltuma izplešanās un arī smilšu kāpu uzkrāšanās gadījumā," viņš teica, un tie ļoti labi sadala slodzi. Arī uz Marsa samazinātā gravitācija celtniekiem sniedz nelielu palīdzību, "tāpēc jums ir nepieciešams mazāk konstrukcijas elementu, jums ir nepieciešams vieglāks aprīkojums."

Viena liela problēma ir, kā aizsargāt Marsa astronautus no bīstama starojuma. "Marsa regolīts patiesībā nav tik izcils, lai aizsargātu pret starojumu, ko jūs varētu pieredzēt uz virsmas," sacīja Metjū. Kupola dizainā būtu no vienas līdz trīs pēdām materiāla starp cilvēkiem dzīvotnes iekšienē un ārējo vidi, taču nepietiktu lai aizsargātu astronautus iekšpusē.

Sēra pievienošana regolītam, lai izveidotu marscrete, palīdz, taču komanda maisījumam pievienoja arī polietilēna šķiedras, kas palielinātu aizsargefektu. Pilnīgai ekranēšanai arī iekšpuses piepūstajā konstrukcijā būtu vairāk polietilēna. Šo polietilēnu varētu kanibalizēt no bezapkalpes kosmosa kuģa oderes, kas nogādātu pirmo piegādes vilni uz Marsu.

Arhitektūras loma

Tomēr biotopa projektēšana nav saistīta tikai ar inženiertehniskām problēmām. Tas nozīmē arī tādas telpas izveidi, kurā cilvēki var ērti dzīvot un strādāt ilgu laiku, iespējams, atrodoties lielā spriedzē vai dziļā izolācijā.

Zopherus komandas biotops tika sadalīts trīs moduļos: zinātnisko operāciju laboratorija, komunālā vienība un apkalpe. vienība tādām vajadzībām kā sanitārija un guļamtelpas, ar iespēju, ka, pamatojoties uz misiju, varētu pievienot vairāk vienību vajadzībām.

Viņi vēlējās, lai telpa atbalstītu gan astronautu praktiskās vajadzības, gan psiholoģiskās vajadzības, kas tur uzturas, un tas atspoguļojās tajā, kā viņi izstrādāja komunālo vienību. "Mēs patiešām orientējāmies uz šo telpu ap lielu atveri augšējā līmenī," viņš teica. Liels logs ļauj astronautiem skatīties uz Marsa virsmu, vienlaikus saglabājot drošību un komfortu. "Mēs vēlējāmies maksimāli palielināt astronautu spēju redzēt savu apkārtni un sazināties ar to."

Tas ir svarīgi, lai veiktu uzdevumus, piemēram, izmantojot mehānisko roku, lai pārvietotu lietas ārpusē. Bet ir arī ievērojams psiholoģiskais ieguvums. "Ja jūs uz gadu esat atradies apmēram tūkstoš kvadrātpēdu platībā uz planētas, kas vēlas jūs nogalināt visur, izņemot tur, kur dzīvojat, sajūta, ka neatrodaties bundžā, ir patiešām izdevīga," viņš teica.

Komanda šai telpai pievienoja arī hidroponisko dārzu, lai augi varētu iegūt gaismu un lai astronauti, kas staigā zemāk, izbaudīs psiholoģisko pārtraukumu, sajūtot, ka viņi staigā cauri a mežaina telpa. Leinam galvenais arhitekta darbs ir līdzsvarot šo praktisko un psiholoģisko vajadzību krustpunktu. "Arhitekti saskaras starp cilvēku vajadzībām un fizisko vidi," viņš teica. "Fiziskā vide, kurā kāds atrodas, ietekmē viņu psiholoģiski un arī operatīvi."

Tas, kā viņš par to domāja, nebija saistīts ar atsevišķām misijas vajadzībām un psiholoģiskajām vajadzībām. Tā vietā viņš tos uzskata par savstarpēji saistītiem. "Šīs psiholoģiskās vajadzības patiesībā ir praktiskas vajadzības, kad jums ir darīšana ar cilvēku," viņš teica. "Tā kā jūsu astronautu psiholoģija tieši ietekmē viņu sniegumu misijā."

Projektēšana, lai sniegtu psiholoģisku labumu astronautiem, nenozīmē ēkas pievilcību tās dēļ, bet gan labākā risinājuma atrašanu dizaina problēmai. Viņš norādīja uz eleganci un skaistumu daudzos kosmosa inženierijas aspektos. "Dizainā patiešām ir kaut kas skaists, kas labi atbilst problēmai," viņš teica, līdzīgi kā daudzām organiskām formām piemītošais skaistums. “Ievērojot dizaina problēmas pragmatiskos ierobežojumus un ņemot vērā pasažieru veselību un labsajūta un psiholoģija rada kaut ko tādu, kas, iespējams, būs estētiski pievilcīgāks dizains.

"Jūs varat iet pārāk tālu, veidojot kaut ko skaistu," viņš teica. "Bet man ir ļoti praktisks apsvērums, lai tas darbotos labi cilvēkam, kurš tajā dzīvos."

Iet pazemē

Abi eksperti bija vienisprātis, ka Marsa biotopu dizaina nākotnei ir daudz iespēju, tostarp potenciāli pārvietoties zem virsmas. Pazemes bāzes celtniecībai ir daudz priekšrocību, piemēram, cilvēku pasargāšana no radiācijas un putekļu vētrām. Bet tam ir arī savi izaicinājumi.

Runājot par pazemes celtniecību, "joprojām ir tik daudz nezināmo," sacīja Troemners. Mēs daudz nezinām par Marsa apakšzemes sastāvu un to, kā būvēt šajā vidē. "Vismaz pirmajam solim, ja mēs runājam par tuvāko nākotni, kaut kas virspusē ir jēgpilnāks, jo nav tāda paša līmeņa nezināmo, kā tas būtu, veicot rakšanu."

Tomēr, kad mēs kādu laiku esam bijuši uz Marsa, tas varētu mainīties. “Ilgtermiņā pēc tam, kad esat izveidojis dažas pirmās sākotnējās struktūras, jums ir parādījies vairāk roveru, iespējams, jums ir bijuši astronauti uz virsmas, tad varbūt pazemes bāze ir veids, kā iet nākotnē," viņš teica.

Leins piekrita. Viņš domāja, ka pirmajā misijā uz Marsu cilvēki varētu uzturēties "virsmas materiālos, kas galvenokārt nāk no Zemes", piemēram, Apollo misijās uz Mēnesi. Bet, lai vairāk cilvēku uzturētos ilgāku laiku, ir nepieciešama pastāvīgāka infrastruktūra. "Tajā brīdī jūs sākat doties pazemē vai 3D drukāt savus biotopus," viņš teica.

Galu galā Lane paredzēja plašu biotopu klāstu, ko projektēja un uzbūvēja dažādas kosmosa aģentūras vai uzņēmumi. "Mēs redzēsim daudzveidīgāku mūsu radīto biotopu daudzveidību, jo mūsu vajadzības būs daudzveidīgākas, un mums būs jāpielāgojas lielākam mērogam," viņš teica. No šīs daudzveidības mēs uzzināsim vairāk par to, kāds ir labākais veids, kā dzīvot uz citas planētas, kas palīdzēs mums nākotnē izveidot vēl labākus biotopus. "Tas ir kaut kas, par ko esmu ļoti sajūsmā, kad nākamajās desmitgadēs cilvēki dosies uz Mēnesi un Marsu."

Šis raksts ir daļa no Dzīve uz Marsa, 10 daļu sērija, kas pēta visprogresīvākās zinātnes un tehnoloģijas, kas ļaus cilvēkiem ieņemt Marsu.

Redaktoru ieteikumi

• Kosmiskie sakari: kā pirmie cilvēki uz Marsa sazināsies ar Zemi
• Astropsiholoģija: kā saglabāt prātu uz Marsa
• Mākslīgā atmosfēra: kā mēs uz Marsa izveidosim bāzi ar elpojošu gaisu
• Astrolauksaimniecība: kā mēs audzēsim labību uz Marsa
• Marsa putekļi ir liela problēma astronautiem. Lūk, kā NASA cīnās ar to