Jak pierwsi osadnicy Marsa stworzą siedliska z glebą

Jeśli chodzi o ludzi odwiedzających Marsa i potrzebujących miejsca na nocleg, NASA ma ambitny plan: wykorzystać surowce znalezione na planecie do wydrukowania w 3D siedliska in situ. To był temat konkursu 3D-Printed Habitat Challenge, który agencja rozpoczęła kilka lat temu i zaprosiła zespoły projektantów do przedstawienia najlepszego rozwiązania problemu.

Jak więc dokładnie przekształcić garść marsjańskiego pyłu w wygodny dom? Aby się tego dowiedzieć, rozmawialiśmy z dwoma ekspertami, którzy brali udział w tym konkursie — architektem Trey Lane ze zwycięskiego Team Zopherus i inżynier Matthew Troemner z zespołu Northwestern University — o tym, jak zaprojektować i zbudować siedlisko na innym planeta.

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie, 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które pozwolą ludziom okupować Marsa.

Korzystanie z lokalnych zasobów

Planując A siedlisko dla Marsa, największym ograniczeniem jest to, ile materiału można przywieźć z Ziemi. Każdy dodatkowy gram masy załadowany na rakietę wiąże się ze znacznym kosztem w postaci paliwa, więc po prostu nie jest możliwe zabranie ze sobą materiałów budowlanych wartych budowy. Dlatego pierwsze siedliska będą musiały zostać zbudowane przy użyciu surowców dostępnych lokalnie na Marsie.

Z pewnością jest to inny sposób podejścia do budowy, jak powiedział nam Trey Lane, architekt ze zwycięskiego zespołu Team Zopherus.

W swoich wczesnych badaniach Lane nie znalazł zbyt wielu projektów drukowania 3D na dużą skalę z wykorzystaniem lokalnych materiałów, więc zwrócił się do nieoczekiwanego źródła inspiracji: owadów. „Zaczęliśmy przyglądać się osom, pająkom i chrząszczom” – powiedział. „Przez setki milionów lat zasadniczo drukowali 3D, aby tworzyć siedliska”. Owady wychodzą do środowiska, znajdź zasobów, przetworzyć je w użyteczny materiał i zbudować najbardziej praktyczne siedlisko, które zaspokoi ich potrzeby — dokładnie tak, jak chciał zrobić Lane. „Szczerze stwierdziliśmy, że owady są lepszymi modelami do budowy drukowanego w 3D, autonomicznego, lokalnego siedliska wykorzystującego zasoby niż ludzie”.

Jego zespół wyobraził sobie siedlisko obejmujące łaziki, które wychodziłyby w środowisko i zbierały materiały, a następnie przynosiły je z powrotem do dalszej budowy. „Pod wieloma względami jest to jak osa, która idzie i przeżuwa trochę lokalnych zasobów, zamienia to w papier-mache i buduje z tego gniazdo”.

Zastosowanie tego podejścia do konstrukcji ma zalety, zarówno na Marsie, jak i na Ziemi. „Fakt, że korzystasz z lokalnych zasobów, ma ogromne znaczenie dla misji kosmicznych” – powiedział. Zamiast polegać na długich łańcuchach dostaw, możesz być znacznie wydajniejszy pod względem materiałów i energii. Ponadto podejście do drukowania 3D jest bezpieczniejsze niż tradycyjna konstrukcja. „Budownictwo jest branżą podatną na ryzyko… Więc jeśli możesz wykonywać pewne aspekty tego w sposób autonomiczny, zyskujesz również na bezpieczeństwie”.

Drukowanie 3D może być również szybsze i tańsze, a ponadto zapewnia pewien stopień swobody projektowania. „Z punktu widzenia architekta, podczas drukowania 3D otwiera się pewna doza wolności” – powiedział. Nie musisz polegać na materiałach produkowanych masowo, takich jak dwa na cztery, które są zwykle płaskie i proste, dzięki czemu możesz projektować bardziej złożone kształty. „Dzięki temu możesz stworzyć projekt, który jest dostosowany do danego rozwiązania”.

Jak wydrukować siedlisko w 3D

Kiedy myślisz o druku 3D, prawdopodobnie myślisz o maszynie biurkowej do drukowania przedmiotów o szerokości kilku cali. Jeśli chodzi o drukowanie 3D w skali infrastruktury, potrzebujesz znacznie większego sprzętu, ale jest on koncepcyjnie podobny proces — „używając podobnego oprogramowania, używałbyś podobnych technik ruchu”, jak powiedział dr Matthew Troemner. kandydat na Northwestern University i lider uniwersyteckiego zespołu zajmującego się siedliskami na Marsie, wyjaśnił.

Różnica polega na sposobie osadzania materiału. Biurkowe drukarki 3D wykorzystują metodę osadzania topionego, „która zasadniczo przypomina stopiony plastikowy sznurek” – powiedział Troemner. I chociaż możliwe jest zwiększenie skali, do drukowania na Marsie zespół Troemnera chciał użyć innego rodzaju materiału zwanego marscrete lub marscrete. „Wstępnie mieszamy materiał, tworząc rodzaj pasty, a następnie wytłaczamy go”, zanim pozwolimy mu się utwardzić lub stwardnieć, wyjaśnił.

Marscrete powstaje przez zmieszanie marsjańskiego regolitu – pyłopodobnej substancji pokrywającej powierzchnię planety – z siarką. Beton siarkowy jest używany na Ziemi od dziesięcioleci, jest mocny i odporny na zużycie, co czyni go idealnym do budowy na Marsie. Po wymieszaniu można go ułożyć w kształty, aby utworzyć siedlisko.

„W przypadku zastosowań na Marsie lub w kosmosie miałbyś coś w rodzaju ramienia, które porusza się i osadza materiał” – powiedział. Na Ziemi mechanizmy typu ramienia są mniej popularne niż mechanizmy typu gantry do drukowania na dużą skalę, ponieważ mogą drukować tylko w ograniczonym rozmiarze — zasadniczo zasięgu ramienia. Ale im bardziej złożony sprzęt do drukowania, tym więcej rzeczy może się nie udać. Podczas budowania na innej planecie warto zachować jak najprostsze rozwiązania.

Zespół Troemnera zaproponował użycie nadmuchiwanego zbiornika ciśnieniowego – zasadniczo gigantycznego, mocnego balonu – który byłby wypełniony powietrzem, tworząc kształt kopuły, z mechanizmem ramienia służącym do drukowania na nim marscrete. Zbiornik ciśnieniowy zatrzymuje powietrze i promieniowanie na zewnątrz, a marscrete sprawia, że ​​konstrukcja jest mocna i trwała.

Wyzwania związane z budowaniem na Marsie

Mars jest niegościnny zarówno dla ludzi, jak i budynków. Na początek na planecie występują wahania temperatury, a temperatury wokół równika wahają się od wysokich od 70 stopni Fahrenheita (21 stopni Celsjusza) w ciągu dnia do minus 100 stopni Fahrenheita (minus 73 stopni Celsjusza) o godz. noc. To stawia duży nacisk na materiały budowlane.

„Chcieliśmy mieć struktury, które mogłyby rozszerzać się i kurczyć niezależnie od siebie” – powiedział Troemner, aby umożliwić rozszerzanie się i kurczenie podczas bardzo zimnych nocy na Marsie i stosunkowo ciepłych dni. Struktury muszą być wystarczająco mocne, aby wytrzymać gromadzenie się pyłu z planety burze piaskowe. „Jeśli masz stos piasku na połowie swojej konstrukcji, masz niezrównoważony stan obciążenia, co to zrobi?” wyjaśnił. Burze piaskowe mogą również wpływać na budowę, co oznacza konieczność uwzględnienia przestojów.

Dlatego zespół Troemnera wpadł na pomysł kopuł. „Kopuły mają dobry kształt ze względu na rozszerzalność cieplną, a także gromadzenie się wydm” — powiedział i bardzo dobrze rozkładają obciążenia. Budowniczowie faktycznie otrzymują niewielką pomoc dzięki zmniejszonej grawitacji na Marsie, „więc potrzebujesz mniej elementów konstrukcyjnych, potrzebujesz lżejszego sprzętu”.

Dużym problemem jest ochrona marsjańskich astronautów przed niebezpiecznym promieniowaniem. „Marsjański regolit nie jest tak doskonały w ochronie przed promieniowaniem, jakiego można doświadczyć na powierzchni” – powiedział Matthew. Konstrukcja kopuły miałaby od jednego do trzech stóp materiału między ludźmi wewnątrz siedliska a środowiskiem zewnętrznym, ale to nie wystarczyłoby aby chronić astronautów w środku.

Dodanie siarki do regolitu w celu wytworzenia marscrete pomaga, ale zespół dodał również włókna polietylenowe do mieszanki, co zwiększyłoby efekt ekranujący. Aby zapewnić pełne ekranowanie, wewnętrzna napompowana konstrukcja zawierałaby również więcej polietylenu. Ten polietylen mógłby zostać zjedzony z wyściółki statku kosmicznego bez załogi, który miał dostarczyć pierwszą falę zaopatrzenia na Marsa.

Rola architektury

Projektowanie siedliska to jednak nie tylko wyzwania inżynieryjne. Chodzi również o stworzenie przestrzeni, w której ludzie mogą wygodnie mieszkać i pracować przez długi czas, potencjalnie będąc w dużym stresie lub doświadczając głębokiej izolacji.

Siedlisko Zespołu Zopherus zostało podzielone na trzy moduły: laboratorium do operacji naukowych, jednostkę komunalną i załogę jednostka na potrzeby takie jak pomieszczenia sanitarne i sypialne, z możliwością dodania większej liczby jednostek w zależności od misji wymagania.

Chcieli, aby przestrzeń wspierała zarówno praktyczne, jak i psychologiczne potrzeby przebywających tam astronautów, co znalazło odzwierciedlenie w sposobie, w jaki zaprojektowali jednostkę komunalną. „Naprawdę zorientowaliśmy tę przestrzeń wokół dużego otworu na górnym poziomie” — powiedział. Duże okno pozwala astronautom patrzeć na powierzchnię Marsa, jednocześnie pozostając w środku bezpiecznie i wygodnie. „Chcieliśmy zmaksymalizować zdolność astronautów do widzenia otoczenia i łączenia się z nim”.

Jest to ważne przy wykonywaniu zadań, takich jak na przykład używanie mechanicznego ramienia do przenoszenia rzeczy na zewnątrz. Ale jest też znacząca korzyść psychologiczna. „Jeśli przez rok jesteś zamknięty na około tysiącu stóp kwadratowych przestrzeni na planecie, która chce cię zabić wszędzie, z wyjątkiem miejsca, w którym mieszkasz, poczucie, że nie jesteś w puszce, jest naprawdę korzystne” – powiedział.

Zespół dodał również ogród hydroponiczny do tej przestrzeni, aby rośliny mogły uzyskać światło i tak dalej astronauci idący poniżej cieszyliby się psychologiczną przerwą, czując się tak, jakby przechodzili przez zalesiona przestrzeń. Dla Lane'a zrównoważenie tego skrzyżowania potrzeb praktycznych i psychologicznych jest kluczowym zadaniem architekta. „Architekci są interfejsem między potrzebami ludzi a środowiskiem fizycznym” – powiedział. „Środowisko fizyczne, w którym ktoś się znajduje, wpływa na niego psychicznie, a także operacyjnie”.

Myślał o tym nie w kategoriach oddzielnych potrzeb misji i potrzeb psychologicznych. Zamiast tego widzi je jako wzajemnie powiązane. „Te potrzeby psychologiczne są w rzeczywistości potrzebami praktycznymi, gdy masz do czynienia z człowiekiem” – powiedział. „Ponieważ psychika twoich astronautów bezpośrednio wpływa na ich wyniki w misji”.

Projektowanie z korzyścią psychologiczną dla astronautów nie polega na uczynieniu budynku atrakcyjnym dla samego siebie, ale na znalezieniu najlepszego rozwiązania problemu projektowego. Zwrócił uwagę na elegancję i piękno w wielu aspektach inżynierii kosmicznej. „W projektowaniu jest naprawdę coś pięknego, co dobrze pasuje do problemu” — powiedział, podobnie jak nieodłączne piękno wielu organicznych kształtów. „Podążając za pragmatycznymi ograniczeniami problemu projektowego i biorąc pod uwagę zdrowie i wellness i psychologia zaowocowało czymś, co prawdopodobnie będzie bardziej estetycznym projektem”.

„Możesz posunąć się za daleko w robieniu czegoś ładnego” – powiedział. „Jednak sprawienie, by dobrze funkcjonowało dla osoby, która będzie w nim zamieszkiwała, jest dla mnie kwestią bardzo praktyczną”.

Iść pod ziemię

Obaj eksperci zgodzili się, że przyszłość projektowania siedlisk na Marsie ma wiele możliwości, w tym potencjalne poruszanie się pod powierzchnią. Budowa podziemnej bazy ma wiele zalet, takich jak ochrona ludzi przed promieniowaniem i burzami piaskowymi. Ale ma też swoje wyzwania.

Jeśli chodzi o budownictwo podziemne, „wciąż jest tak wiele niewiadomych” – powiedział Troemner. Wiele nie wiemy o składzie podpowierzchni Marsa i o tym, jak budować w tym środowisku. „Przynajmniej na pierwszy krok, jeśli mówimy o najbliższej przyszłości, coś na powierzchni ma większy sens, ponieważ nie ma takich samych poziomów niewiadomych, jakie byłyby podczas kopania”.

Kiedy już trochę pobędziemy na Marsie, to może się zmienić. „Długoterminowo, po stworzeniu kilku pierwszych struktur, może masz więcej łazików na powierzchni masz astronautów na powierzchni, to może podziemna baza jest drogą do zrobienia w przyszłości” – powiedział.

Lane zgodził się. Pomyślał, że pierwsza misja na Marsa może obejmować ludzi przebywających na „rzeczach na powierzchni, które w większości pochodzą z Ziemi”, jak misje Apollo na Księżyc. Ale dla większej liczby osób przebywających przez dłuższy czas potrzebna jest trwalsza infrastruktura. „W tym momencie zaczynasz schodzić pod ziemię lub drukować 3D swoje siedliska” – powiedział.

Ostatecznie Lane wyobraził sobie szeroką gamę siedlisk zaprojektowanych i zbudowanych przez różne agencje kosmiczne lub firmy. „Będziemy świadkami większej różnorodności w naszych siedliskach, które tworzymy, ponieważ nasze potrzeby będą bardziej zróżnicowane i będziemy musieli dostosować się do większej skali” – powiedział. Z tej różnorodności dowiemy się więcej o tym, jaki jest najlepszy sposób życia na innej planecie, co pomoże nam budować jeszcze lepsze siedliska w przyszłości. „Co jest czymś, czym jestem naprawdę podekscytowany w następnych dziesięcioleciach ludzi wyruszających na Księżyc i Marsa”.

Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie, 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które pozwolą ludziom okupować Marsa.

Zalecenia redaktorów

• Kosmiczne komunikaty: jak pierwsi ludzie na Marsie będą komunikować się z Ziemią
• Astropsychologia: Jak zachować rozsądek na Marsie
• Sztuczna atmosfera: Jak zbudujemy bazę z powietrzem nadającym się do oddychania na Marsie
• Astrorolnictwo: Jak będziemy uprawiać rośliny na Marsie
• Pył marsjański jest dużym problemem dla astronautów. Oto jak NASA z tym walczy