Cum vor face primii coloniști ai lui Marte habitate cu sol

Când vine vorba de oameni care vizitează Marte și au nevoie de un loc unde să stea, NASA are un plan ambițios: să folosească materii prime găsite pe planetă pentru a imprima 3D un habitat in situ. Acesta a fost subiectul 3D-Printed Habitat Challenge pe care agenția a lansat-o acum câțiva ani, care a invitat echipe de designeri să propună cea mai bună soluție la problemă.

Deci, cum transformăm exact o grămadă de praf de Marte într-o casă confortabilă? Pentru a afla, am vorbit cu doi experți care au participat la acea competiție - arhitectul Trey Lane de la echipa câștigătoare Zopherus și inginerul Matthew Troemner de la echipa Northwestern University - despre cum să proiectați și să construiți un habitat pe altul planetă.

Acest articol face parte din Viata pe Marte, o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte.

Utilizarea resurselor locale

Când planificați a habitat pentru Marte, cea mai mare limitare este cât de mult material puteți aduce de pe Pământ. Fiecare gram de masă în plus încărcat într-o rachetă are un cost semnificativ în ceea ce privește combustibilul, așa că pur și simplu nu este fezabil să aduci materiale de construcție în valoare de o clădire. De aceea, primele habitate vor trebui construite folosind materii prime care sunt disponibile local pe Marte.

Este cu siguranță o modalitate diferită de a aborda construcția, așa cum ne-a spus Trey Lane, arhitectul echipei Zopherus, câștigătoare a competiției.

În cercetările sale timpurii, Lane nu a găsit prea multe în calea proiectelor de imprimare 3D la scară largă folosind materiale locale, așa că a apelat la o sursă neașteptată de inspirație: insectele. „Am început să ne uităm la viespi, păianjeni și gândaci”, a spus el. „De sute de milioane de ani, au făcut, în esență, imprimare 3D pentru a crea habitate.” Insectele ies în mediu, găsesc resurse, procesează-le în materiale utilizabile și construiește cel mai practic habitat pentru a le satisface nevoile - exact așa cum dorea Lane să facă. „Am descoperit, sincer, că insectele sunt modele mai bune pentru cum să construim un habitat autonom, de utilizare a resurselor locale, imprimat 3D decât oamenii.”

Echipa sa și-a imaginat un habitat care include rovere care să iasă în mediu și să colecteze materiale, apoi să le aducă înapoi pentru construcție ulterioară. „În multe feluri, este ca o viespe care merge și mestecă puțin din resursele locale și le transformă într-o hârtie de hârtie și își construiește cuibul din asta.”

Există avantaje în aplicarea acestei abordări în construcție, fie pe Marte, fie pe Pământ. „Faptul că folosești resurse locale face o diferență uriașă pentru misiunile spațiale”, a spus el. În loc să te bazezi pe lanțuri lungi de aprovizionare, poți fi mult mai eficient în ceea ce privește materialele și energia. În plus, abordarea imprimării 3D este mai sigură decât construcția tradițională. „Construcțiile sunt o industrie predispusă la riscuri... Deci, dacă puteți face anumite aspecte ale acestora în mod autonom, aveți și un beneficiu de siguranță.”

Imprimarea 3D poate fi, de asemenea, mai rapidă și mai ieftină și există un anumit grad de libertate de proiectare pe care o permite. „Din punctul de vedere al unui arhitect, există o anumită libertate care se deschide atunci când imprimați 3D”, a spus el. Nu trebuie să vă bazați pe materiale produse în serie, cum ar fi două cu patru, care tind să fie plate și drepte, astfel încât să puteți proiecta forme mai complexe. „Te eliberează pentru a crea un design care se potrivește la comandă pentru soluție.”

Cum să imprimați 3D un habitat

Când te gândești la imprimarea 3D, probabil că te gândești la o mașină de birou pentru imprimarea articolelor de câțiva centimetri lățime. Când vine vorba de imprimarea 3D la scară de infrastructură, aveți nevoie de hardware mult mai mare, dar este un concept similar. proces — „prin faptul că ai folosi software similar, ai folosi tehnici de mișcare similare”, spune Matthew Troemner, Ph.D. a explicat candidat la Universitatea Northwestern și liderul echipei de habitat pe Marte a universității.

Diferența constă în modul în care este depus materialul. Imprimantele 3D de birou folosesc o metodă de depunere prin topire, „care este, în esență, ca un șir de plastic topit”, a spus Troemner. Și, deși este posibil să se extindă acest lucru, pentru imprimarea pe Marte, echipa lui Troemner a dorit să folosească un alt tip de material numit marscrete sau mars beton. „Preamestecăm materialul, creăm un fel de pastă și apoi îl extrudăm” înainte de a-i lăsa să se întărească sau să se întărească, a explicat el.

Marscrete este obținută prin amestecarea regolitului marțian - substanța prăfuită asemănătoare solului care acoperă suprafața planetei - cu sulf. Betonul cu sulf a fost folosit pe Pământ de zeci de ani și este puternic și rezistent la uzură, ceea ce îl face ideal pentru construcția pe Marte. Odată ce este amestecat, poate fi așezat în forme pentru a forma un habitat.

„Pentru aplicații pe Marte sau spațiale, ai avea un fel de braț care se mișcă și depune material”, a spus el. Pe Pământ, mecanismele tip braț sunt mai puțin populare decât mecanismele tip portal pentru imprimarea la scară largă, deoarece pot imprima doar la o dimensiune limitată - în esență, raza de acțiune a brațului. Dar cu cât hardware-ul de imprimare este mai complex, cu atât mai multe lucruri pot merge prost. Există o valoare în a păstra lucrurile cât mai simple posibil atunci când construiești pe o altă planetă.

Echipa lui Troemner a propus utilizarea unui vas sub presiune gonflabil - în esență, un balon gigant, puternic - care ar fi umplut cu aer pentru a forma o formă de cupolă, cu un mecanism de braț folosit pentru a imprima marscret deasupra. Vasul sub presiune menține aerul înăuntru și radiația afară, iar marscreta face structura puternică și durabilă.

Provocările construcției pe Marte

Marte este inospitalier atât pentru oameni, cât și pentru clădiri. Pentru început, există variațiile de temperatură de pe planetă, temperaturile în jurul ecuatorului variind de la un nivel ridicat. de 70 grade Fahrenheit (21 grade Celsius) în timpul zilei până la minus 100 grade Fahrenheit (minus 73 Celsius) la noapte. Acest lucru pune mult stres pe materialele de construcție.

„Am vrut să avem structuri care să se poată extinde și să se contracte independent una de cealaltă”, a spus Troemner, pentru a permite extinderea și contracția peste nopțile foarte reci de pe Marte și zilele relativ calde. Și structurile trebuie să fie suficient de puternice pentru a rezista acumulării de praf din cauza frecventelor planete. furtuni de nisip. „Dacă aveți un morman de nisip pe jumătate din structură, aveți o stare de încărcare dezechilibrată, ce va face asta?” a explicat. Furtunile de praf pot afecta, de asemenea, construcțiile, ceea ce înseamnă că este necesar să se permită perioadele de nefuncționare.

De aceea, echipa lui Troemner a venit cu ideea de cupole. „Domurile sunt o formă bună pentru expansiunea termică și, de asemenea, pentru acumularea dunelor de nisip”, a spus el și distribuie foarte bine încărcăturile. Constructorii primesc de fapt un pic de ajutor și de gravitația redusă de pe Marte, „deci aveți nevoie de mai puține elemente structurale, aveți nevoie de un echipament mai ușor”.

O mare problemă este cum să protejăm astronauții marțieni de radiațiile periculoase. „Regolitul marțian nu este chiar atât de excelent la protejarea de radiațiile pe care le-ați experimenta la suprafață”, a spus Matthew. Designul domului ar avea între unu și trei picioare de material între oamenii din interiorul habitatului și mediul exterior, dar asta nu ar fi suficient pentru a proteja astronauții în interior.

Adăugarea de sulf în regolit pentru a face marscrete ajută, dar echipa a adăugat și fibre de polietilenă la amestec, ceea ce ar spori efectul de ecranare. Pentru o ecranare completă, structura interioară umflată ar avea și mai multă polietilenă. Această polietilenă ar putea fi canibalizată de pe căptușeala navei spațiale fără echipaj care ar transporta primul val de provizii pe Marte.

Rolul arhitecturii

Totuși, proiectarea unui habitat nu se referă doar la provocări de inginerie. Este, de asemenea, despre crearea unui spațiu în care oamenii să poată trăi și să lucreze confortabil pentru o perioadă lungă de timp, potențial în timp ce se află sub mult stres sau se confruntă cu o izolare profundă.

Habitatul echipei Zopherus a fost împărțit în trei module: un laborator pentru operațiuni științifice, o unitate comună și un echipaj unitate pentru nevoi precum salubritate și camere de dormit, cu posibilitatea ca mai multe unități să fie adăugate în funcție de misiune are nevoie.

Au dorit ca spațiul să susțină atât nevoile practice, cât și nevoile psihologice ale astronauților care stau acolo, ceea ce s-a reflectat în modul în care au proiectat unitatea comunală. „Am orientat cu adevărat acel spațiu în jurul unei deschideri mari la nivelul superior”, a spus el. O fereastră mare permite astronauților să privească pe suprafața lui Marte în timp ce rămân în siguranță și confortabil în interior. „Am vrut să maximizăm capacitatea astronauților de a vedea împrejurimile lor și de a se conecta cu el.”

Acest lucru este important pentru îndeplinirea sarcinilor, cum ar fi, de exemplu, folosirea unui braț mecanic pentru a muta lucrurile în exterior. Dar există și un beneficiu psihologic semnificativ. „Dacă ești închis într-o mie de metri pătrați de spațiu timp de un an pe o planetă care vrea să te omoare peste tot, cu excepția locului în care locuiești, a simți că nu ești într-o cutie este cu adevărat benefic”, a spus el.

Echipa a adaugat si gradina hidroponica in acest spatiu atat pentru ca plantele sa primeasca lumina cat si pentru ca astronauții care merg mai jos s-ar bucura de pauza psihologică de a simți că ar merge printr-o spațiu împădurit. Pentru Lane, echilibrarea acestei intersecție a nevoilor practice și psihologice este o sarcină cheie a unui arhitect. „Arhitecții interacționează între nevoile oamenilor și mediul fizic”, a spus el. „Mediul fizic în care se află cineva îl afectează psihologic și operațional.”

Modul în care s-a gândit la asta nu a fost în termeni de nevoi separate de misiune și nevoi psihologice. În schimb, el le vede ca fiind interconectate. „Acele nevoi psihologice sunt de fapt nevoi practice atunci când ai de-a face cu un om”, a spus el. „Pentru că psihologia astronauților tăi afectează direct performanța lor în misiune.”

A proiecta pentru a beneficia psihologic astronauților nu înseamnă a face o clădire atractivă de dragul ei, ci a găsi cea mai bună soluție pentru o problemă de proiectare. El a subliniat eleganța și frumusețea în multe aspecte ale ingineriei spațiale. „Există cu adevărat ceva frumos în design care se potrivește bine cu problema”, a spus el, similar cu frumusețea inerentă a multor forme organice. „Urmând constrângerile pragmatice ale problemei de proiectare și luând în considerare sănătatea ocupanților și sănătatea și psihologia au ca rezultat ceva care probabil va fi un design mai plăcut din punct de vedere estetic.”

„Poți merge prea departe făcând ceva frumos”, a spus el. „Dar a face ca acesta să funcționeze bine pentru persoana care o va locui, pentru mine, este o considerație foarte practică.”

Merg în subteran

Ambii experți au fost de acord că viitorul designului habitatului pe Marte are multe posibilități, inclusiv potențiale deplasare sub suprafață. Construirea unei baze subterane are multe avantaje, cum ar fi protejarea oamenilor de radiații și furtunile de praf. Dar are și provocările sale.

Când vine vorba de construcția subterană, „Sunt încă atât de multe necunoscute”, a spus Troemner. Sunt multe lucruri pe care nu le știm despre compoziția subsolului lui Marte și despre cum să construim în acel mediu. „Cel puțin pentru un prim pas, dacă vorbim despre viitorul apropiat, ceva de la suprafață are mai mult sens, deoarece nu există aceleași niveluri de necunoscute ca atunci când ar fi săpat.”

Totuși, odată ce am fost pe Marte pentru un timp, asta s-ar putea schimba. „Pe termen lung, după ce ați creat primele structuri inițiale, ați avut mai multe rovere la suprafață, poate ați avut astronauți la suprafață, atunci poate că o bază subterană este calea de urmat în viitor”, a spus el.

Lane a fost de acord. El a crezut că prima misiune pe Marte ar putea implica oameni care stau în „lucruri de la suprafață care au venit în mare parte de pe Pământ”, cum ar fi misiunile Apollo pe Lună. Dar pentru mai mulți oameni care stau pe perioade mai lungi de timp, aveți nevoie de mai multă infrastructură permanentă. „În acel moment, începi să mergi în subteran sau să-ți imprimi 3D habitatele”, a spus el.

În cele din urmă, Lane și-a imaginat o mare varietate de habitate proiectate și construite de diferite agenții sau companii spațiale. „Vom vedea mai multă varietate în habitatele noastre pe care le creăm, pentru că nevoile noastre vor fi mai variate și va trebui să ne adaptăm la o scară mai mare”, a spus el. Din această varietate, vom afla mai multe despre care este cel mai bun mod de a trăi pe o altă planetă, ceea ce ne va ajuta să construim habitate și mai bune în viitor. „Ce ceva de care sunt foarte încântat, în următoarele decenii de oameni care se aventurează pe Lună și Marte.”

Acest articol face parte din Viata pe Marte, o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte.

Recomandările editorilor

• Comunicații cosmice: cum vor comunica primii oameni de pe Marte cu Pământul
• Astropsihologie: Cum să rămâneți sănătoși pe Marte
• Atmosfere artificiale: Cum vom construi o bază cu aer respirabil pe Marte
• Astroagricultura: Cum vom crește culturi pe Marte
• Praful de Marte este o mare problemă pentru astronauți. Iată cum luptă NASA