Como os primeiros colonos de Marte farão habitats com o solo

Quando se trata de humanos visitando Marte e precisando de um lugar para ficar, a NASA tem um plano ambicioso: usar matérias-primas encontradas no planeta para imprimir em 3D um habitat in situ. Esse foi o tema do Desafio Habitat Impresso em 3D que a agência lançou há alguns anos, que convidou equipes de designers para apresentar sua melhor solução para o problema.

Então, como exatamente transformamos um monte de poeira de Marte em uma casa confortável? Para descobrir, conversamos com dois especialistas que participaram dessa competição - o arquiteto Trey Lane, da equipe vencedora Zopherus e o engenheiro Matthew Troemner da equipe da Northwestern University — sobre como projetar e construir um habitat em outro planeta.

Este artigo faz parte Vida em Marte, uma série de 10 partes que explora a ciência e a tecnologia de ponta que permitirão aos humanos ocupar Marte.

Usando recursos locais

Ao planejar um habitat para Marte, a maior limitação é quanto material você pode trazer da Terra. Cada grama extra de massa carregada em um foguete tem um custo significativo em termos de combustível, por isso não é viável trazer consigo os materiais de construção de um edifício. É por isso que os primeiros habitats precisarão ser construídos com matérias-primas disponíveis localmente em Marte.

É certamente uma maneira diferente de abordar a construção, como nos disse Trey Lane, arquiteto do Team Zopherus, vencedor do concurso.

Em sua pesquisa inicial, Lane não encontrou muitos projetos de impressão 3D em larga escala usando materiais locais, então ele se voltou para uma fonte inesperada de inspiração: insetos. “Começamos a observar vespas, aranhas e besouros”, disse ele. “Por centenas de milhões de anos, eles têm feito essencialmente impressão 3D para criar habitats.” Os insetos saem para o meio ambiente, encontram recursos, processá-los em material utilizável e construir o habitat mais prático para atender às suas necessidades - exatamente como Lane queria fazer. “Descobrimos, honestamente, que os insetos são melhores modelos de como construir um habitat de utilização de recursos local autônomo impresso em 3D do que os humanos.”

Sua equipe imaginou um habitat que incluía rovers que sairiam para o meio ambiente e coletariam materiais, trazendo-os de volta para novas construções. “De muitas maneiras, é como uma vespa que mastiga um pouco dos recursos locais e os transforma em papel machê e constrói seu ninho a partir disso.”

Há vantagens em aplicar essa abordagem à construção, seja em Marte ou na Terra. “O fato de você estar usando recursos locais faz uma grande diferença para as missões espaciais”, disse ele. Em vez de depender de longas cadeias de suprimentos, você pode ser muito mais eficiente em termos de materiais e energia. Além disso, a abordagem de impressão 3D é mais segura do que a construção tradicional. “A construção é uma indústria propensa a riscos… Portanto, se você puder fazer certos aspectos disso de forma autônoma, também terá um benefício de segurança.”

Também pode ser mais rápido e barato imprimir em 3D, e permite um certo grau de liberdade de design. “Do ponto de vista de um arquiteto, há uma certa liberdade que se abre quando você está imprimindo em 3D”, disse ele. Você não precisa confiar em materiais produzidos em massa, como dois por quatro, que tendem a ser planos e retos, para que você possa projetar formas mais complexas. “Isso libera você para criar um design personalizado para a solução.”

Como imprimir em 3D um habitat

Quando você pensa em impressão 3D, provavelmente pensa em uma máquina de mesa para imprimir itens com alguns centímetros de largura. Quando se trata de impressão 3D em escala de infraestrutura, você precisa de um hardware muito maior, mas é conceitualmente semelhante processo - "no sentido de que você usaria software semelhante, você usaria técnicas de movimento semelhantes", como Matthew Troemner, Ph. D. candidato da Northwestern University e líder da equipe de habitat de Marte da universidade, explicou.

A diferença está na forma como o material é depositado. As impressoras 3D de mesa usam um método de deposição fundida, “que é essencialmente como uma corda de plástico derretida”, disse Troemner. E embora seja possível ampliar isso, para impressão em Marte, a equipe de Troemner queria usar um tipo diferente de material chamado marscrete, ou concreto de Marte. “Estamos pré-misturando o material, criando uma espécie de pasta e depois extrudando-o” antes de permitir que cure ou endureça, explicou.

Marscrete é feito misturando regolito marciano – a substância empoeirada semelhante ao solo que cobre a superfície do planeta – com enxofre. Concreto de enxofre tem sido usado na Terra há décadas e é forte e resistente ao desgaste, o que o torna ideal para construção em Marte. Uma vez misturado, pode ser colocado em formas para formar um habitat.

“Para Marte ou aplicações espaciais, você teria algum tipo de braço que se move e deposita material”, disse ele. Na Terra, os mecanismos estilo braço são menos populares do que os mecanismos estilo pórtico para impressão em grande escala porque eles só podem imprimir em um tamanho limitado - essencialmente, o alcance do braço. Porém, quanto mais complexo o hardware de impressão, mais coisas podem dar errado. Há um valor em manter as coisas o mais simples possível ao construir em outro planeta.

A equipe de Troemner propôs o uso de um vaso de pressão inflável – essencialmente, um balão gigante e forte – que seria preenchido com ar para formar uma forma de cúpula, com um mecanismo de braço usado para imprimir marscrete em cima disso. O vaso de pressão mantém o ar dentro e a radiação fora, e o marscreto torna a estrutura forte e durável.

Os desafios de construir em Marte

Marte é inóspito tanto para humanos quanto para edifícios. Para começar, há as oscilações de temperatura no planeta, com temperaturas em torno do equador variando de altas de 70 graus Fahrenheit (21 graus Celsius) durante o dia para menos 100 graus Fahrenheit (menos 73 graus Celsius) em noite. Isso coloca muita pressão sobre os materiais de construção.

“Queríamos ter estruturas que pudessem se expandir e contrair independentemente umas das outras”, disse Troemner, para permitir a expansão e contração nas noites muito frias de Marte e nos dias relativamente quentes. E as estruturas precisam ser fortes o suficiente para suportar o acúmulo de poeira do planeta. tempestade de poeira. “Se você tem uma pilha de areia na metade de sua estrutura, você tem uma condição de carga desequilibrada, o que isso vai fazer?” ele explicou. Tempestades de poeira também podem afetar a construção, o que significa que é necessário permitir o tempo de inatividade.

É por isso que a equipe de Troemner teve a ideia das cúpulas. “As cúpulas são uma boa forma para a expansão térmica e também para o acúmulo de dunas de areia”, disse ele, e distribuem muito bem as cargas. Na verdade, os construtores também recebem uma pequena ajuda da gravidade reduzida em Marte, “então você precisa de menos elementos estruturais, precisa de um equipamento mais leve”.

Uma grande questão é como proteger os astronautas marcianos da radiação perigosa. “O regolito marciano não é realmente tão excelente na proteção contra a radiação que você experimentaria na superfície”, disse Matthew. O projeto da cúpula teria entre um e três pés de material entre as pessoas dentro do habitat e o ambiente externo, mas isso não seria suficiente para proteger os astronautas lá dentro.

Adicionar enxofre ao regolito para fazer marscreto ajuda, mas a equipe também adicionou fibras de polietileno à mistura, o que aumentaria o efeito de proteção. Para blindagem completa, a estrutura inflada interior também teria mais polietileno. Esse polietileno poderia ser canibalizado do revestimento da espaçonave não tripulada que levaria a primeira onda de suprimentos a Marte.

O papel da arquitetura

Projetar um habitat não é apenas sobre desafios de engenharia. Trata-se também de criar um espaço no qual as pessoas possam viver e trabalhar confortavelmente por um longo período de tempo, potencialmente sob muito estresse ou em profundo isolamento.

O habitat do Team Zopherus foi dividido em três módulos: um laboratório para operações científicas, uma unidade comunitária e uma equipe unidade para necessidades como saneamento e dormitórios, com a possibilidade de adicionar mais unidades com base na missão precisa.

Eles queriam que o espaço atendesse tanto às necessidades práticas quanto às necessidades psicológicas dos astronautas que estavam lá, o que se refletiu na forma como projetaram a unidade comunitária. “Realmente orientamos esse espaço em torno de uma grande abertura no nível superior”, disse ele. Uma grande janela permite que os astronautas olhem para a superfície de Marte enquanto permanecem seguros e confortáveis ​​no interior. “Queríamos maximizar a capacidade dos astronautas de ver seus arredores e se conectar com eles.”

Isso é importante para concluir tarefas como, por exemplo, usar um braço mecânico para mover coisas do lado de fora. Mas também há um benefício psicológico significativo. “Se você ficar confinado em cerca de mil pés quadrados de espaço por um ano em um planeta que quer matá-lo em todos os lugares, exceto onde você mora, sentir que não está em uma lata é realmente benéfico ”, disse ele.

A equipe também adicionou o jardim hidropônico a este espaço, tanto para que as plantas possam receber luz quanto para que os astronautas andando lá embaixo aproveitariam a pausa psicológica de se sentir como se estivessem andando por um espaço arborizado. Para Lane, equilibrar essa interseção de necessidades práticas e psicológicas é um trabalho fundamental de um arquiteto. “Os arquitetos fazem a interface entre as necessidades dos humanos e o ambiente físico”, disse ele. “O ambiente físico em que alguém está os afeta psicologicamente e também operacionalmente.”

A maneira como ele pensava sobre isso não era em termos de necessidades de missão separadas e necessidades psicológicas. Em vez disso, ele os vê como interligados. “Essas necessidades psicológicas são, na verdade, necessidades práticas quando você lida com um ser humano”, disse ele. “Porque a psicologia de seus astronautas afeta diretamente seu desempenho na missão.”

Projetar para beneficiar os astronautas psicologicamente não é tornar um edifício atraente por si só, mas sim encontrar a melhor solução para um problema de projeto. Ele destacou a elegância e a beleza em muitos aspectos da engenharia espacial. “Existe realmente algo bonito no design que se encaixa bem no problema”, disse ele, semelhante à beleza inerente a muitas formas orgânicas. “Seguindo as restrições pragmáticas do problema de projeto e levando em consideração a saúde dos ocupantes e bem-estar e psicologia resultam em algo que provavelmente será um design esteticamente mais agradável”.

“Você pode ir longe demais para fazer algo bonito”, disse ele. “Mas fazê-lo funcionar bem para a pessoa que vai habitá-lo, para mim, é uma consideração muito prática.”

Indo por baixo da terra

Ambos os especialistas concordaram que o futuro do design do habitat de Marte tinha muitas possibilidades, incluindo a possibilidade de se mover abaixo da superfície. Construir uma base subterrânea tem muitas vantagens, como manter as pessoas protegidas da radiação e das tempestades de poeira. Mas também tem seus desafios.

Quando se trata de construção subterrânea, “ainda há muitas incógnitas”, disse Troemner. Há muito que não sabemos sobre a composição da subsuperfície de Marte e como construir nesse ambiente. “Pelo menos para um primeiro passo, se estamos falando sobre o futuro próximo, algo na superfície faz mais sentido porque não há os mesmos níveis de incógnitas que haveria ao cavar.”

Uma vez que estivermos em Marte por um tempo, isso pode mudar. “A longo prazo, depois de criar as primeiras estruturas iniciais, você terá mais rovers na superfície, talvez você teve astronautas na superfície, então talvez uma base subterrânea seja o caminho a seguir no futuro”, disse ele.

Lan concordou. Ele pensou que a primeira missão a Marte poderia envolver as pessoas em “coisas na superfície que vieram principalmente da Terra”, como as missões Apollo à lua. Mas para mais pessoas que ficam por períodos mais longos, você precisa de uma infraestrutura mais permanente. “Nesse ponto, você começa a ir para o subsolo ou imprimir em 3D seus habitats”, disse ele.

Eventualmente, Lane imaginou uma grande variedade de habitats projetados e construídos por diferentes agências ou empresas espaciais. “Vamos ver mais variedade em nossos habitats que estamos criando, porque nossas necessidades serão mais variadas e precisaremos acomodar mais escala”, disse ele. A partir dessa variedade, aprenderemos mais sobre qual é a melhor maneira de viver em outro planeta, o que nos ajudará a construir habitats ainda melhores no futuro. “O que é algo que me deixa muito animado, nas próximas décadas de humanos se aventurando na lua e em Marte.”

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