Hvordan Mars' første nybyggere vil lage habitater med jord

Når det gjelder mennesker som besøker Mars og trenger et sted å bo, har NASA en ambisiøs plan: Å bruke råmaterialer som finnes på planeten til å 3D-printe et habitat in situ. Det var temaet for 3D-Printed Habitat Challenge som byrået startet for noen år siden, som inviterte team av designere til å presentere sin beste løsning på problemet.

Så hvordan forvandler vi en haug med Mars-støv til et komfortabelt hjem? For å finne ut av det snakket vi med to eksperter som deltok i den konkurransen - arkitekten Trey Lane fra det vinnende Team Zopherus og ingeniør Matthew Troemner fra Northwestern University-teamet - om hvordan man designer og bygger et habitat på en annen planet.

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars, en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars.

Bruk av lokale ressurser

Når du planlegger en habitat for Mars, er den største begrensningen hvor mye materiale du kan ta med fra jorden. Hvert ekstra gram masse som lastes på en rakett har en betydelig kostnad når det gjelder drivstoff, så det er rett og slett ikke mulig å ta med en bygnings verdi av byggematerialer. Det er grunnen til at de første habitatene må bygges med råvarer som er tilgjengelige lokalt på Mars.

Det er absolutt en annen måte å nærme seg konstruksjon på, som Trey Lane, arkitekt fra det konkurransevinnende Team Zopherus, fortalte oss.

I sin tidlige forskning fant ikke Lane mye i veien for storskala 3D-utskriftsprosjekter ved bruk av lokale materialer, så han henvendte seg til en uventet kilde for inspirasjon: Insekter. "Vi begynte å se på veps og edderkopper og biller," sa han. "I hundrevis av millioner av år har de hovedsakelig drevet med 3D-utskrift for å skape habitater." Insekter går ut i miljøet, finn ressurser, bearbeid dem til brukbart materiale og konstruer det mest praktiske habitatet for å møte deres behov – akkurat som det Lane ønsket å gjøre. "Vi fant, ærlig talt, at insekter er bedre modeller for hvordan man konstruerer et 3D-printet, autonomt, lokalt ressursutnyttelseshabitat enn mennesker er."

Teamet hans så for seg et habitat som inkluderte rovere som ville gå ut i miljøet og samle materialer, og deretter bringe dem tilbake for videre konstruksjon. "På mange måter er det som en veps som går og tygger opp litt av lokale ressurser og gjør det om til en pappmache og bygger redet av det."

Det er fordeler med å bruke denne tilnærmingen til konstruksjon, enten det er på Mars eller på jorden. "Det faktum at du bruker lokale ressurser gjør en stor forskjell for romoppdrag," sa han. I stedet for å stole på lange forsyningskjeder, kan du være mye mer effektiv når det gjelder materialer og energi. I tillegg er 3D-utskriftsmetoden sikrere enn tradisjonell konstruksjon. "Bygg og anlegg er en risikoutsatt industri... Så hvis du kan gjøre visse aspekter av det selvstendig, har du også en sikkerhetsfordel."

Det kan også være raskere og billigere å 3D-printe, og det er en grad av designfrihet det muliggjør. "Fra en arkitekts synspunkt er det en viss frihet som åpnes når du skriver ut 3D," sa han. Du trenger ikke stole på masseproduserte materialer som to-by-fire, som har en tendens til å være flate og rette, slik at du kan designe mer komplekse former. "Det frigjør deg til å lage et design som er tilpasset løsningen."

Hvordan 3D-printe et habitat

Når du tenker på 3D-utskrift, tenker du sannsynligvis på en stasjonær maskin for å skrive ut elementer som er noen få centimeter brede. Når det gjelder 3D-utskrift i infrastrukturskala, trenger du mye større maskinvare, men det er konseptuelt likt prosess - "ved at du bruker lignende programvare, vil du bruke lignende bevegelsesteknikker," som Matthew Troemner, Ph.D. kandidat ved Northwestern University og leder for universitetets Mars-habitatteam, forklarte.

Forskjellen ligger i måten materiale avsettes på. Desktop 3D-skrivere bruker en smeltet avsetningsmetode, "som i hovedsak er som en smeltet plaststreng," sa Troemner. Og selv om det er mulig å skalere dette opp, for utskrift på Mars, ønsket Troemners team å bruke en annen type materiale kalt marscrete, eller Mars betong. "Vi forhåndsblander materiale, lager en slags pasta og ekstruderer det" før vi lar det herde eller stivne, forklarte han.

Marscrete lages ved å blande Mars-regolitten - det støvete jordlignende stoffet som dekker planetens overflate - med svovel. Svovelbetong har blitt brukt på jorden i flere tiår og er sterk og motstandsdyktig mot slitasje, noe som gjør den ideell for bygging på Mars. Når det er blandet, kan det legges ned i former for å danne et habitat.

"For Mars eller romapplikasjoner, vil du ha en slags arm som beveger og avsetter materiale," sa han. På jorden er arm-stil-mekanismer mindre populære enn gantry-stil-mekanismer for storskala utskrift fordi de bare kan skrive ut i en begrenset størrelse - i hovedsak rekkevidden til armen. Men jo mer kompleks utskriftsmaskinvaren er, jo flere ting kan gå galt. Det er en verdi i å holde ting så enkelt som mulig når man bygger på en annen planet.

Troemners team foreslo å bruke en oppblåsbar trykkbeholder - i hovedsak en gigantisk, sterk ballong - som ville bli fylt med luft for å danne en kuppelform, med en armmekanisme som brukes til å trykke marskret på toppen av det. Trykkbeholderen holder luft inne og stråling ute, og marskreten gjør strukturen sterk og holdbar.

Utfordringene med å bygge på Mars

Mars er ugjestmild for både mennesker og bygninger. Til å begynne med er det temperatursvingninger på planeten, med temperaturer rundt ekvator som strekker seg fra en høy på 70 grader Fahrenheit (21 grader Celsius) i løpet av dagen til minus 100 grader Fahrenheit (minus 73 Celsius) kl. natt. Det legger mye stress på byggematerialer.

"Vi ønsket å ha strukturer som kunne utvide og trekke seg sammen uavhengig av hverandre," sa Troemner, for å tillate utvidelse og sammentrekning over Mars sine veldig kalde netter og relativt varme dager. Og strukturene må være sterke nok til å motstå oppbygging av støv fra planetens hyppige støvstormer. "Hvis du har en haug med sand på halve strukturen din, har du en ubalansert lastetilstand, hva kommer det til å gjøre?" han forklarte. Støvstormer kan også påvirke konstruksjonen, noe som betyr at det er behov for å tillate nedetid.

Det er derfor Troemners team kom opp med ideen om kupler. "Kuppler er en god form for den termiske ekspansjonen og også sanddyneoppbyggingen," sa han, og de fordeler belastningen veldig bra. Byggere får faktisk litt hjelp av den reduserte tyngdekraften på Mars også, "så du trenger færre strukturelle elementer, du trenger et lettere utstyr."

En stor sak er hvordan man kan beskytte Mars-astronauter mot farlig stråling. "Regolitt fra Mars er egentlig ikke så utmerket til å skjerme mot strålingen du vil oppleve på overflaten," sa Matthew. Kuppeldesignet ville ha mellom én og tre fot med materiale mellom mennesker inne i habitatet og det ytre miljøet, men det ville ikke være nok for å beskytte astronautene inne.

Å tilsette svovel til regolitten for å lage marskret hjelper, men teamet la også polyetylenfibre til blandingen, noe som ville bidra til å øke skjermingseffekten. For fullstendig skjerming ville den indre oppblåste strukturen også ha mer polyetylen. Dette polyetylenet kan kannibaliseres fra foringen av det ubemannede romfartøyet som skulle frakte den første bølgen av forsyninger til Mars.

Arkitekturens rolle

Å designe et habitat handler imidlertid ikke bare om tekniske utfordringer. Det handler også om å skape et rom der folk kan bo og jobbe komfortabelt i lang tid, potensielt mens de er under mye stress eller opplever dyp isolasjon.

Team Zopherus’ habitat ble delt inn i tre moduler: Et laboratorium for vitenskapelige operasjoner, en felles enhet og et mannskap enhet for behov som sanitær og soveplasser, med mulighet for at flere enheter kan legges til basert på oppdrag behov.

De ønsket at plassen skulle støtte både de praktiske behovene og de psykologiske behovene til astronauter som oppholdt seg der, noe som gjenspeiles i hvordan de utformet fellesenheten. "Vi orienterte virkelig det rommet rundt en stor åpning på øvre nivå," sa han. Et stort vindu lar astronauter se ut på overflaten av Mars mens de holder seg trygge og komfortable inne. "Vi ønsket å maksimere astronautenes evne til å se omgivelsene og få kontakt med dem."

Det er viktig for å fullføre oppgaver som for eksempel å bruke en mekanisk arm for å flytte ting rundt utenfor. Men det er også en betydelig psykologisk fordel. "Hvis du er innelukket i rundt tusen kvadratmeter plass i et år på en planet som ønsker å drepe deg overalt, bortsett fra akkurat der du bor, er det veldig nyttig å føle at du ikke er i en boks,» sa han.

Teamet har også lagt til den hydroponiske hagen til denne plassen både for at plantene skal få lys og slik astronauter som gikk nedenfor ville nyte den psykologiske pausen av å føle at de gikk gjennom en skogkledd plass. For Lane er det en nøkkeloppgave for en arkitekt å balansere dette skjæringspunktet mellom praktiske og psykologiske behov. "Arkitekter grensesnitt mellom behovene til mennesker og det fysiske miljøet," sa han. "Det fysiske miljøet noen er i påvirker dem psykologisk og også operasjonelt."

Måten han tenkte på det var ikke i form av separate misjonsbehov og psykologiske behov. I stedet ser han på disse som sammenhengende. "Disse psykologiske behovene er faktisk praktiske behov når du har å gjøre med et menneske," sa han. "Fordi psykologien til astronautene dine direkte påvirker deres ytelse på oppdraget."

Å designe til fordel for astronauter psykologisk handler ikke om å gjøre en bygning attraktiv for dens skyld, men om å finne den beste løsningen på et designproblem. Han påpekte elegansen og skjønnheten i mange aspekter av romteknikk. "Det er virkelig noe vakkert med design som passer godt til problemet," sa han, lik den iboende skjønnheten i mange organiske former. "Å følge de pragmatiske begrensningene til designproblemet, og ta hensyn til beboers helse og velvære og psykologi resulterer i noe som sannsynligvis kommer til å være mer estetisk tiltalende design.»

"Du kan gå for langt i å lage noe pent," sa han. "Men å få det til å fungere bra for personen som skal bebo det, for meg, er en veldig praktisk vurdering."

Går under jorden

Begge ekspertene var enige om at fremtiden til Mars habitatdesign hadde mange muligheter, inkludert potensielt å bevege seg under overflaten. Å bygge en underjordisk base har mange fordeler, som å holde folk trygge mot stråling og støvstormer. Men det har sine utfordringer også.

Når det gjelder underjordisk konstruksjon, "det er fortsatt så mange ukjente," sa Troemner. Det er mye vi ikke vet om sammensetningen av Mars-undergrunnen og hvordan vi kan konstruere i det miljøet. "I det minste for et første skritt, hvis vi snakker om nær fremtid, er noe på overflaten mer fornuftig fordi det ikke er de samme nivåene av ukjente som det ville vært når man graver ned."

Men når vi har vært på Mars en stund, kan det endre seg. "Langsiktig, etter at du har laget noen få første strukturer, har du hatt flere rovere på overflaten, kanskje du har hatt astronauter på overflaten, så kanskje en underjordisk base er veien å gå i fremtiden," sa han.

Lane var enig. Han trodde det første oppdraget til Mars kunne innebære at folk oppholdt seg i "ting på overflaten som for det meste kom fra jorden," som Apollo-oppdragene til månen. Men for at flere skal bo i lengre perioder, trenger du mer permanent infrastruktur. "På det tidspunktet begynner du å gå under jorden eller 3D-printe habitatene dine," sa han.

Etter hvert så Lane for seg et bredt utvalg av habitater designet og bygget av forskjellige rombyråer eller selskaper. "Vi kommer til å se mer variasjon i våre habitater som vi skaper, fordi behovene våre kommer til å bli mer varierte, og vi kommer til å trenge å imøtekomme mer skala," sa han. Fra den variasjonen vil vi lære mer om hva den beste måten å leve på en annen planet er, noe som vil hjelpe oss å bygge enda bedre habitater i fremtiden. "Noe jeg er veldig begeistret for, i de neste tiårene med mennesker som begir seg ut på månen og Mars."

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars, en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars.

Redaktørenes anbefalinger

• Cosmic comms: Hvordan de første menneskene på Mars vil kommunisere med jorden
• Astropsykologi: Hvordan holde seg tilregnelig på Mars
• Kunstige atmosfærer: Hvordan vi bygger en base med pustende luft på Mars
• Astroagriculture: Hvordan vi skal dyrke avlinger på Mars
• Støv fra mars er et stort problem for astronauter. Her er hvordan NASA bekjemper det