Как первые поселенцы Марса будут создавать среду обитания из почвы

Когда дело доходит до людей, которые посещают Марс и которым нужно где-то остановиться, у НАСА есть амбициозный план: использовать сырье, найденное на планете, для 3D-печати среды обитания на месте. Это было предметом конкурса 3D-Printed Habitat Challenge, который агентство запустило несколько лет назад, в рамках которого команды дизайнеров предложили свое лучшее решение проблемы.

Так как же превратить кучу марсианской пыли в уютный дом? Чтобы выяснить это, мы поговорили с двумя экспертами, участвовавшими в этом конкурсе, — архитектором Треем Лейном из победившей команды Zopherus. и инженер Мэтью Тромнер из команды Северо-Западного университета — о том, как спроектировать и построить среду обитания на другом планета.

Эта статья является частью Жизнь на Марсе, сериал из 10 частей, в котором исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Использование местных ресурсов

При планировании среда обитания Марса, самым большим ограничением является то, сколько материала вы можете принести с Земли. Каждый лишний грамм массы, загруженный на ракету, имеет значительную стоимость с точки зрения топлива, поэтому просто невозможно взять с собой строительные материалы, равные зданию. Вот почему первые места обитания должны быть построены с использованием сырья, доступного на Марсе.

Это, безусловно, другой подход к строительству, как сказал нам Трей Лейн, архитектор из победившей в конкурсе Team Zopherus.

В своих ранних исследованиях Лейн не нашел ничего особенного в крупномасштабных проектах 3D-печати с использованием местных материалов, поэтому он обратился к неожиданному источнику вдохновения: насекомым. «Мы начали смотреть на ос, пауков и жуков», — сказал он. «В течение сотен миллионов лет они в основном занимались 3D-печатью для создания среды обитания». Насекомые выходят в окружающую среду, находят ресурсы, перерабатывать их в пригодный для использования материал и строить наиболее практичную среду обитания для удовлетворения их потребностей — именно то, что хотел сделать Лейн. «Честно говоря, мы обнаружили, что насекомые являются лучшими моделями для создания автономной среды обитания с использованием местных ресурсов, напечатанной на 3D-принтере, чем люди».

Его команда представила среду обитания, включающую марсоходы, которые будут выходить в окружающую среду и собирать материалы, а затем возвращать их для дальнейшего строительства. «Во многом это похоже на осу, которая съедает немного местных ресурсов, превращает их в папье-маше и строит из них свое гнездо».

Есть преимущества в применении этого подхода к строительству, будь то на Марсе или на Земле. «Тот факт, что вы используете местные ресурсы, имеет огромное значение для космических миссий», — сказал он. Вместо того, чтобы полагаться на длинные цепочки поставок, вы можете гораздо эффективнее использовать материалы и энергию. Кроме того, подход 3D-печати безопаснее, чем традиционное строительство. «Строительство — это рискованная отрасль… Поэтому, если вы можете выполнять определенные аспекты самостоятельно, вы также получаете преимущество в плане безопасности».

Кроме того, 3D-печать может быть быстрее и дешевле, и она дает определенную свободу дизайна. «С точки зрения архитектора, при 3D-печати открывается определенная свобода», — сказал он. Вам не нужно полагаться на материалы массового производства, такие как два на четыре, которые, как правило, плоские и прямые, поэтому вы можете создавать более сложные формы. «Это освобождает вас для создания дизайна, который идеально подходит для решения».

Как напечатать среду обитания на 3D-принтере

Когда вы думаете о 3D-печати, вы, вероятно, думаете о настольном компьютере для печати предметов шириной в несколько дюймов. Когда дело доходит до 3D-печати в масштабе инфраструктуры, вам нужно гораздо более мощное оборудование, но концептуально это похоже на процесс — «в том, что вы будете использовать похожее программное обеспечение, вы будете использовать аналогичные методы движения», как Мэтью Троемнер, доктор философии. Кандидат Северо-Западного университета и руководитель университетской группы по обитанию на Марсе.

Разница заключается в способе нанесения материала. Настольные 3D-принтеры используют метод наплавления, «который, по сути, похож на расплавленную пластиковую нить», — сказал Тромнер. И хотя это можно масштабировать, для печати на Марсе команда Тремнера хотела использовать другой тип материала, называемый марскретом или марсианским бетоном. «Мы предварительно смешиваем материал, создаем своего рода пасту, а затем экструдируем ее», прежде чем позволить ей вылечиться или затвердеть, — объяснил он.

Марскрит производится путем смешивания марсианского реголита — пылевидного вещества, похожего на почву, покрывающего поверхность планеты, — с серой. Серобетон использовался на Земле десятилетиями, он прочен и устойчив к износу, что делает его идеальным для строительства на Марсе. После того, как он смешан, его можно уложить в формы, чтобы сформировать среду обитания.

«Для Марса или космических приложений у вас будет какая-то рука, которая перемещает и откладывает материал», — сказал он. На Земле механизмы типа «рука» менее популярны, чем механизмы портального типа для крупномасштабной печати, потому что они могут печатать только в ограниченном размере — по сути, в пределах досягаемости руки. Но чем сложнее оборудование для печати, тем больше вещей может пойти не так. При строительстве на другой планете важно, чтобы все было как можно проще.

Команда Тремнера предложила использовать надувной сосуд под давлением — по сути, гигантский прочный воздушный шар, — который будет заполнен воздухом, чтобы сформировать форму купола, с рычажным механизмом, используемым для печати Марскрета поверх него. Сосуд под давлением удерживает воздух и не пропускает излучение, а асфальтобетон делает конструкцию прочной и долговечной.

Проблемы строительства на Марсе

Марс негостеприимен как для людей, так и для зданий. Во-первых, на планете наблюдаются перепады температуры, причем температура вокруг экватора колеблется от высокой от 70 градусов по Фаренгейту (21 градус по Цельсию) в течение дня до минус 100 градусов по Фаренгейту (минус 73 по Цельсию) в ночь. Это создает большую нагрузку на строительные материалы.

«Мы хотели иметь структуры, которые могли бы расширяться и сжиматься независимо друг от друга», — сказал Тромнер, чтобы обеспечить расширение и сжатие Марса в очень холодные ночи и относительно теплые дни. И конструкции должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать накопление пыли от частых выбросов планеты. песчаная буря. «Если у вас действительно есть куча песка на половине вашей конструкции, у вас есть несбалансированное состояние нагрузки, что это будет делать?» он объяснил. Пыльные бури также могут повлиять на строительство, а это означает, что необходимо предусмотреть время простоя.

Вот почему команде Тромнера пришла в голову идея куполов. «Купола — это хорошая форма для теплового расширения, а также для образования песчаных дюн», — сказал он, и они очень хорошо распределяют нагрузки. Строителям на самом деле немного помогает пониженная гравитация на Марсе, «поэтому вам нужно меньше структурных элементов, вам нужно более легкое оборудование».

Одна большая проблема заключается в том, как защитить марсианских астронавтов от опасного излучения. «Марсианский реголит на самом деле не так уж хорошо защищает от радиации, с которой вы столкнулись бы на поверхности», — сказал Мэтью. В конструкции купола между людьми внутри среды обитания и внешней средой должно быть от одного до трех футов материала, но это было бы недостаточно для защиты космонавтов внутри.

Добавление серы в реголит для изготовления асфальта помогает, но команда также добавила в смесь полиэтиленовые волокна, которые усилили бы защитный эффект. Для полной защиты внутренняя надувная конструкция также должна иметь больше полиэтилена. Этот полиэтилен можно было извлечь из обшивки неуправляемого космического корабля, который должен был доставить первую волну припасов на Марс.

Роль архитектуры

Однако проектирование среды обитания — это не только инженерные задачи. Речь также идет о создании пространства, в котором люди могут комфортно жить и работать в течение длительного периода времени, потенциально находясь в состоянии сильного стресса или в глубокой изоляции.

Среда обитания команды Зоферус была разделена на три модуля: лаборатория для научных операций, коммунальная единица и экипаж. единица для нужд, таких как санитария и спальные помещения, с возможностью добавления дополнительных единиц в зависимости от миссии потребности.

Они хотели, чтобы пространство удовлетворяло как практические потребности, так и психологические потребности находящихся там космонавтов, что нашло отражение в том, как они спроектировали общий блок. «Мы действительно сориентировали это пространство вокруг большого проема на верхнем уровне», — сказал он. Большое окно позволяет астронавтам смотреть на поверхность Марса, оставаясь при этом в безопасности и с комфортом. «Мы хотели максимизировать способность астронавтов видеть свое окружение и общаться с ним».

Это важно для выполнения таких задач, как, например, использование механической руки для перемещения вещей снаружи. Но есть и существенная психологическая выгода. «Если вы заперты на тысячу квадратных футов пространства в течение года на планете, которая хочет вас убить, везде, кроме того места, где вы живете, ощущение, что вы не в банке, действительно полезно», — сказал он.

Команда также добавила гидропонный сад в это пространство, чтобы растения могли получать свет и чтобы астронавты, идущие внизу, наслаждались бы психологическим перерывом, чувствуя, что они идут через лесное пространство. Для Лейна уравновешивание этого пересечения практических и психологических потребностей является ключевой задачей архитектора. «Архитекторы взаимодействуют между потребностями людей и физической средой», — сказал он. «Физическая среда, в которой кто-то находится, влияет на него психологически, а также операционно».

То, как он думал об этом, не было связано с отдельными потребностями миссии и психологическими потребностями. Вместо этого он видит их взаимосвязанными. «Эти психологические потребности на самом деле являются практическими потребностями, когда вы имеете дело с человеком», — сказал он. «Потому что психология ваших астронавтов напрямую влияет на их выполнение в миссии».

Проектирование, приносящее психологическую пользу космонавтам, заключается не в том, чтобы сделать здание привлекательным ради него, а в том, чтобы найти наилучшее решение дизайнерской проблемы. Он указал на элегантность и красоту во многих аспектах космической техники. «В дизайне действительно есть что-то красивое, что хорошо подходит для решения задачи», — сказал он, подобно красоте, присущей многим органическим формам. «Следуя прагматическим ограничениям проблемы проектирования и принимая во внимание здоровье пассажиров и Велнес и психология приводят к тому, что дизайн, вероятно, будет более эстетичным».

«Вы можете зайти слишком далеко в создании чего-то красивого», — сказал он. «Но заставить его хорошо работать для человека, который будет его населять, для меня очень практичное соображение».

Уход в подполье

Оба эксперта сошлись во мнении, что у будущего дизайна марсианской среды обитания есть много возможностей, в том числе потенциальное перемещение под поверхность. Строительство подземной базы имеет много преимуществ, таких как защита людей от радиации и пыльных бурь. Но и здесь есть свои проблемы.

Когда дело доходит до подземного строительства, «все еще так много неизвестного», — сказал Тромнер. Мы многого не знаем о составе недр Марса и о том, как строить в этой среде. «По крайней мере, для первого шага, если мы говорим о ближайшем будущем, что-то на поверхности имеет больше смысла, потому что там нет тех уровней неизвестности, которые были бы при копании».

Однако, как только мы побудем на Марсе какое-то время, это может измениться. «В долгосрочной перспективе, после того, как вы создали первые несколько первоначальных структур, у вас будет больше марсоходов на поверхности, может быть. у вас были астронавты на поверхности, тогда, возможно, подземная база — это то, что нужно в будущем», — сказал он.

Лейн согласился. Он думал, что первая миссия на Марс может включать в себя людей, находящихся «на поверхности, которые в основном прибыли с Земли», как миссии «Аполлон» на Луну. Но для большего количества людей, проживающих в течение более длительных периодов времени, вам нужна более постоянная инфраструктура. «В этот момент вы начинаете спускаться под землю или печатать на 3D-принтере свою среду обитания», — сказал он.

В конце концов, Лейн представил себе множество сред обитания, спроектированных и построенных различными космическими агентствами или компаниями. «Мы увидим больше разнообразия в наших средах обитания, которые мы создаем, потому что наши потребности будут более разнообразными, и нам нужно будет приспособиться к большему масштабу», — сказал он. Из этого разнообразия мы узнаем больше о том, как лучше всего жить на другой планете, что поможет нам построить еще лучшие места обитания в будущем. «Это то, что меня очень взволновало, в следующие десятилетия, когда люди отправятся на Луну и Марс».

Эта статья является частью Жизнь на Марсе, сериал из 10 частей, в котором исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Рекомендации редакции

• Космическая связь: как первые люди на Марсе будут общаться с Землей
• Астропсихология: как оставаться в здравом уме на Марсе
• Искусственные атмосферы: как мы построим базу с пригодным для дыхания воздухом на Марсе
• Астроземледелие: как мы будем выращивать урожай на Марсе
• Марсианская пыль — большая проблема для астронавтов. Вот как НАСА борется с этим