Als het gaat om mensen die Mars bezoeken en ergens moeten verblijven, heeft NASA een ambitieus plan: grondstoffen die op de planeet zijn gevonden, gebruiken om ter plaatse een habitat in 3D te printen. Dat was het onderwerp van de 3D-Printed Habitat Challenge die het bureau een paar jaar geleden van start ging, waarbij teams van ontwerpers werden uitgenodigd om hun beste oplossing voor het probleem te pitchen.
Inhoud
- Lokale bronnen gebruiken
- Hoe een habitat 3D-printen
- De uitdagingen van bouwen op Mars
- De rol van architectuur
- Ondergronds gaan
Dus hoe transformeren we een hoop Marsstof precies in een comfortabel huis? Om daar achter te komen, spraken we met twee experts die aan die wedstrijd deelnamen: architect Trey Lane van het winnende Team Zopherus en ingenieur Matthew Troemner van het Northwestern University-team - over het ontwerpen en bouwen van een habitat op een andere planeet.
Aanbevolen video's
Dit artikel is onderdeel van Leven op Mars, een 10-delige serie die de allernieuwste wetenschap en technologie onderzoekt waarmee mensen Mars kunnen bezetten.
Lokale bronnen gebruiken
Bij het plannen van een leefgebied voor Mars, is de grootste beperking hoeveel materiaal je van de aarde kunt meenemen. Elke extra gram massa die op een raket wordt geladen, heeft aanzienlijke brandstofkosten, dus het is gewoon niet haalbaar om de bouwmaterialen van een gebouw mee te nemen. Daarom zullen de eerste leefgebieden gebouwd moeten worden met grondstoffen die lokaal op Mars beschikbaar zijn.
Het is zeker een andere manier om constructie te benaderen, zoals Trey Lane, architect van het wedstrijdwinnende Team Zopherus, ons vertelde.
"Vanuit het oogpunt van een architect is er een zekere mate van vrijheid die vrijkomt bij het 3D-printen."
In zijn vroege onderzoek vond Lane niet veel op het gebied van grootschalige 3D-printprojecten met lokale materialen, dus wendde hij zich tot een onverwachte bron voor inspiratie: insecten. "We begonnen te kijken naar wespen en spinnen en kevers," zei hij. "Al honderden miljoenen jaren doen ze in wezen 3D-printen om leefgebieden te creëren." Insecten gaan de omgeving in, vinden bronnen, verwerk ze tot bruikbaar materiaal en bouw de meest praktische leefomgeving om aan hun behoeften te voldoen - precies zoals Lane wilde doen. "We hebben eerlijk gezegd ontdekt dat insecten betere modellen zijn voor het bouwen van een 3D-geprinte, autonome habitat voor lokaal gebruik van hulpbronnen dan mensen."
Zijn team stelde zich een habitat voor met rovers die de omgeving in zouden gaan om materialen te verzamelen en ze vervolgens terug te brengen voor verdere constructie. "In veel opzichten is het als een wesp die een klein beetje lokale hulpbronnen gaat kauwen en dat in papier-maché verandert en daar zijn nest van bouwt."
Er zijn voordelen verbonden aan het toepassen van deze benadering op constructie, zowel op Mars als op aarde. "Het feit dat je lokale middelen gebruikt, maakt een enorm verschil voor ruimtemissies", zei hij. In plaats van te vertrouwen op lange toeleveringsketens, kunt u veel efficiënter zijn op het gebied van materialen en energie. Bovendien is de 3D-printbenadering veiliger dan traditionele constructie. "De bouw is een risicogevoelige bedrijfstak … Dus als je bepaalde aspecten daarvan autonoom kunt doen, heb je ook een veiligheidsvoordeel."
Het kan ook sneller en goedkoper zijn om te 3D-printen, en er is een zekere mate van ontwerpvrijheid die het mogelijk maakt. "Vanuit het oogpunt van een architect is er een zekere mate van vrijheid die vrijkomt bij het 3D-printen", zei hij. U hoeft niet te vertrouwen op in massa geproduceerde materialen zoals two-by-fours, die vaak plat en recht zijn, zodat u complexere vormen kunt ontwerpen. "Het geeft je de vrijheid om een ontwerp te maken dat op maat gemaakt is voor de oplossing."
Hoe een habitat 3D-printen
Als je aan 3D-printen denkt, denk je waarschijnlijk aan een desktopmachine voor het printen van items van enkele centimeters breed. Als het gaat om 3D-printen op infrastructuurschaal, heb je veel grotere hardware nodig, maar het is conceptueel vergelijkbaar proces - "in die zin dat je vergelijkbare software zou gebruiken, zou je vergelijkbare bewegingstechnieken gebruiken", zoals Matthew Troemner, Ph. D. kandidaat aan de Northwestern University en leider van het Mars-habitatteam van de universiteit, legt uit.
Het verschil zit in de manier waarop materiaal wordt afgezet. Desktop 3D-printers gebruiken een gefuseerde afzettingsmethode, "die in wezen lijkt op een gesmolten plastic touwtje", zei Troemner. En hoewel het mogelijk is om dit op te schalen, wilde het team van Troemner voor het printen op Mars een ander type materiaal gebruiken, marscrete of Mars-beton. "We mengen materiaal vooraf, maken een soort pasta en extruderen het dan" voordat we het laten uitharden of uitharden, legde hij uit.
Marscrete wordt gemaakt door Martiaanse regoliet - de stoffige bodemachtige substantie die het oppervlak van de planeet bedekt - te mengen met zwavel. Zwavelbeton wordt al tientallen jaren op aarde gebruikt en is sterk en slijtvast, waardoor het ideaal is om op Mars te bouwen. Als het eenmaal is gemengd, kan het in vormen worden gelegd om een habitat te vormen.
"Voor Mars- of ruimtetoepassingen zou je een soort arm hebben die beweegt en materiaal afzet", zei hij. Op aarde zijn mechanismen in armstijl minder populair dan mechanismen in portaalstijl voor grootschalige afdrukken, omdat ze slechts in een beperkte omvang kunnen afdrukken - in wezen het bereik van de arm. Maar hoe complexer de afdrukhardware, hoe meer dingen er mis kunnen gaan. Het is waardevol om dingen zo eenvoudig mogelijk te houden bij het bouwen op een andere planeet.
Het team van Troemner stelde voor een opblaasbaar drukvat te gebruiken - in wezen een gigantische, sterke ballon - die zou worden gevuld met lucht om een koepelvorm te vormen, met een armmechanisme dat wordt gebruikt om marscrete daar bovenop te printen. Het drukvat houdt lucht binnen en straling buiten, en de marscrete maakt de structuur sterk en duurzaam.
De uitdagingen van bouwen op Mars
Mars is onherbergzaam voor zowel mensen als gebouwen. Om te beginnen zijn er de temperatuurschommelingen op de planeet, met temperaturen rond de evenaar variërend van hoog van 70 graden Fahrenheit (21 graden Celsius) gedurende de dag tot min 100 graden Fahrenheit (minus 73 graden Celsius) bij nacht. Dat legt veel druk op bouwmaterialen.
"We wilden structuren hebben die onafhankelijk van elkaar konden uitzetten en inkrimpen," zei Troemner, om uitzetting en inkrimping mogelijk te maken tijdens de zeer koude nachten en relatief warme dagen van Mars. En de structuren moeten sterk genoeg zijn om de opeenhoping van stof van de planeet te weerstaan stof stormen. "Als je een hoop zand op de helft van je constructie hebt, heb je een onevenwichtige beladingstoestand, wat gaat dat doen?" hij legde uit. Stofstormen kunnen ook de constructie beïnvloeden, wat betekent dat er rekening moet worden gehouden met stilstand.
1 van 3
Daarom kwam het team van Troemner op het idee van koepels. "Koepels hebben een goede vorm voor de thermische uitzetting en ook voor de opbouw van zandduinen", zei hij, en ze verdelen de lasten heel goed. Bouwers worden eigenlijk ook een beetje geholpen door de verminderde zwaartekracht op Mars, "dus je hebt minder structurele elementen nodig, je hebt een lichter stuk uitrusting nodig."
Een groot probleem is hoe je Mars-astronauten kunt beschermen tegen gevaarlijke straling. "Martiaanse regoliet is niet zo goed in het afschermen van de straling die je aan de oppervlakte zou ervaren," zei Matthew. Het koepelontwerp zou tussen de anderhalve meter en een meter materiaal tussen mensen in de habitat en de buitenomgeving hebben, maar dat zou niet genoeg zijn om astronauten binnen te beschermen.
Het toevoegen van zwavel aan de regoliet om marscrete te maken helpt, maar het team voegde ook polyethyleenvezels toe aan de mix, wat zou bijdragen aan het afschermende effect. Voor volledige afscherming zou de opgeblazen binnenstructuur ook meer polyethyleen bevatten. Dit polyethyleen zou kunnen worden gekannibaliseerd uit de bekleding van het onbemande ruimtevaartuig dat de eerste golf voorraden naar Mars zou brengen.
De rol van architectuur
Het ontwerpen van een habitat gaat echter niet alleen over technische uitdagingen. Het gaat ook om het creëren van een ruimte waarin mensen gedurende een lange periode comfortabel kunnen wonen en werken, mogelijk onder grote stress of in een diep isolement.
De habitat van Team Zopherus was verdeeld in drie modules: een laboratorium voor wetenschappelijke operaties, een gemeenschappelijke eenheid en een bemanning eenheid voor behoeften zoals sanitaire voorzieningen en slaapvertrekken, met de mogelijkheid dat er meer eenheden kunnen worden toegevoegd op basis van missie behoeften.
1 van 2
Ze wilden dat de ruimte zowel de praktische behoeften als de psychologische behoeften van astronauten die daar verbleven, ondersteunde, wat tot uiting kwam in hoe ze de gemeenschappelijke eenheid ontwierpen. "We hebben die ruimte echt rond een grote opening op de bovenste verdieping georiënteerd", zei hij. Een groot raam stelt astronauten in staat om uit te kijken op het oppervlak van Mars terwijl ze binnen veilig en comfortabel blijven. "We wilden het vermogen van de astronauten maximaliseren om hun omgeving te zien en er contact mee te maken."
Dat is belangrijk voor het uitvoeren van taken zoals bijvoorbeeld het gebruik van een mechanische arm om dingen buiten te verplaatsen. Maar er is ook een aanzienlijk psychologisch voordeel. "Als je een jaar lang opgesloten zit in een ruimte van ongeveer duizend vierkante meter op een planeet die je wil vermoorden overal behalve waar je woont, is het gevoel alsof je niet in een blik zit echt nuttig, 'zei hij.
Ontwerpen om astronauten psychologisch ten goede te komen, gaat niet over het aantrekkelijk maken van een gebouw omwille van het gebouw, maar over het vinden van de beste oplossing voor een ontwerpprobleem.
Het team heeft ook de hydrocultuurtuin aan deze ruimte toegevoegd, zowel zodat planten licht kunnen krijgen als dat astronauten die beneden lopen, zouden genieten van de psychologische pauze van het gevoel alsof ze door een bosrijke ruimte. Voor Lane is het balanceren van deze kruising van praktische en psychologische behoeften een sleuteltaak van een architect. "Architecten hebben een interface tussen de behoeften van mensen en de fysieke omgeving", zei hij. "De fysieke omgeving waarin iemand zich bevindt, beïnvloedt hen psychologisch en ook operationeel."
De manier waarop hij erover nadacht, was niet in termen van afzonderlijke missiebehoeften en psychologische behoeften. In plaats daarvan beschouwt hij die als onderling verbonden. "Die psychologische behoeften zijn eigenlijk praktische behoeften als je met een mens te maken hebt", zei hij. "Omdat de psychologie van je astronauten rechtstreeks van invloed is op hun prestaties op de missie."
Ontwerpen om astronauten psychologisch ten goede te komen, gaat niet over het aantrekkelijk maken van een gebouw omwille van het gebouw, maar over het vinden van de beste oplossing voor een ontwerpprobleem. Hij wees op de elegantie en schoonheid in veel aspecten van ruimtevaarttechniek. "Er is echt iets moois aan design dat goed bij het probleem past", zei hij, vergelijkbaar met de inherente schoonheid in veel organische vormen. “Volgens de pragmatische beperkingen van het ontwerpprobleem en rekening houdend met de gezondheid van de inzittenden en wellness en psychologie resulteren in iets dat waarschijnlijk een esthetisch aantrekkelijker ontwerp zal zijn.
"Je kunt te ver gaan in het maken van iets moois," zei hij. "Maar om het goed te laten werken voor de persoon die het gaat bewonen, is voor mij een zeer praktische overweging."
Ondergronds gaan
Beide experts waren het erover eens dat de toekomst van het ontwerp van Mars-habitats veel mogelijkheden biedt, waaronder mogelijk onder het oppervlak bewegen. Het bouwen van een ondergrondse basis heeft veel voordelen, zoals het beschermen van mensen tegen straling en stofstormen. Maar het heeft ook zijn uitdagingen.
Als het gaat om ondergrondse constructie: "Er zijn nog zoveel onbekenden", zei Troemner. Er is veel dat we niet weten over de samenstelling van de ondergrond van Mars en hoe we in die omgeving moeten bouwen. "In ieder geval voor een eerste stap, als we het hebben over de nabije toekomst, is iets aan de oppervlakte logischer omdat er niet dezelfde niveaus van onbekenden zijn als bij het graven."
Als we echter een tijdje op Mars zijn, kan dat veranderen. "Op de lange termijn, nadat je de eerste paar initiële structuren hebt gemaakt, heb je misschien meer rovers aan de oppervlakte gehad." je hebt astronauten aan de oppervlakte gehad, dan is een ondergrondse basis misschien de juiste keuze in de toekomst, 'zei hij.
Lane was het daarmee eens. Hij dacht dat de eerste missie naar Mars zou kunnen betekenen dat mensen in "dingen op het oppervlak verblijven die meestal van de aarde kwamen", zoals de Apollo-missies naar de maan. Maar voor meer mensen die voor langere tijd blijven, heb je meer permanente infrastructuur nodig. "Op dat moment begin je ondergronds te gaan of je leefgebieden te 3D-printen", zei hij.
Uiteindelijk stelde Lane zich een grote verscheidenheid aan habitats voor, ontworpen en gebouwd door verschillende ruimteagentschappen of bedrijven. "We zullen meer variatie zien in onze habitats die we creëren, omdat onze behoeften gevarieerder zullen zijn en we meer schaalgrootte nodig zullen hebben", zei hij. Van die variëteit leren we meer over wat de beste manier is om op een andere planeet te leven, wat ons zal helpen om in de toekomst nog betere habitats te bouwen. "Dat is iets waar ik erg enthousiast over ben, in de komende decennia van mensen die zich op de maan en Mars wagen."
Dit artikel is onderdeel van Leven op Mars, een 10-delige serie die de allernieuwste wetenschap en technologie onderzoekt waarmee mensen Mars kunnen bezetten.
Aanbevelingen van de redactie
- Kosmische communicatie: hoe de eerste mensen op Mars met de aarde zullen communiceren
- Astropsychologie: hoe gezond te blijven op Mars
- Kunstmatige atmosferen: hoe we een basis met ademende lucht op Mars zullen bouwen
- Astrolandbouw: hoe we gewassen op Mars gaan verbouwen
- Marsstof is een groot probleem voor astronauten. Hier is hoe NASA het bestrijdt
