Ako si prví osadníci Marsu vytvoria biotopy s pôdou

Pokiaľ ide o ľudí, ktorí navštívia Mars a potrebujú niekde zostať, NASA má ambiciózny plán: použiť suroviny nájdené na planéte na 3D tlač biotopu in situ. To bolo predmetom súťaže 3D-Printed Habitat Challenge, ktorú agentúra spustila pred niekoľkými rokmi a ktorá pozvala tímy dizajnérov, aby predložili svoje najlepšie riešenie problému.

Ako teda presne premeníme hromadu prachu z Marsu na pohodlný domov? Aby sme to zistili, oslovili sme dvoch odborníkov, ktorí sa zúčastnili tejto súťaže – architekta Treya Lanea z víťazného tímu Zopherus a inžinier Matthew Troemner z tímu Northwestern University – o tom, ako navrhnúť a vybudovať biotop na inom planéta.

Tento článok je súčasťou Život na Marse, 10-dielna séria, ktorá skúma špičkovú vedu a technológiu, ktorá ľuďom umožní okupovať Mars.

Využívanie miestnych zdrojov

Pri plánovaní a biotop pre Mars, najväčším obmedzením je, koľko materiálu si môžete zo Zeme priniesť. Každý gram hmoty navyše naložený na raketu má značné náklady, pokiaľ ide o palivo, takže nie je možné priniesť stavebné materiály v hodnote budovy. Preto bude potrebné vybudovať prvé biotopy s použitím surovín, ktoré sú dostupné lokálne na Marse.

Je to určite iný spôsob, ako pristupovať k výstavbe, ako nám povedal Trey Lane, architekt z víťazného tímu Zopherus.

Vo svojom ranom výskume Lane nenašiel veľa v spôsobe veľkých projektov 3D tlače s použitím miestnych materiálov, a tak sa obrátil na neočakávaný zdroj inšpirácie: hmyz. "Začali sme sa pozerať na osy, pavúky a chrobáky," povedal. "Po stovky miliónov rokov robili v podstate 3D tlač na vytváranie biotopov." Hmyz ide von do životného prostredia, nájsť zdroje, spracovať ich na použiteľný materiál a vybudovať najpraktickejší biotop, aby vyhovoval ich potrebám – presne tak, ako to chcel urobiť Lane. "Úprimne, zistili sme, že hmyz je lepším modelom toho, ako postaviť 3D tlačený autonómny biotop využívajúci miestne zdroje, než sú ľudia."

Jeho tím si predstavoval biotop, ktorý zahŕňal rovery, ktoré by vyšli do prostredia a zbierali materiály a potom ich priniesli späť na ďalšiu výstavbu. "V mnohých ohľadoch je to ako osa, ktorá ide a prežúva trochu miestnych zdrojov a premieňa ich na papierovú hmotu a stavia si z toho svoje hniezdo."

Uplatnenie tohto prístupu pri stavbe, či už na Marse alebo na Zemi, má svoje výhody. „Skutočnosť, že využívate miestne zdroje, má veľký význam pre vesmírne misie,“ povedal. Namiesto spoliehania sa na dlhé dodávateľské reťazce môžete byť oveľa efektívnejší z hľadiska materiálov a energie. Navyše, 3D tlač je bezpečnejšia ako tradičná konštrukcia. "Stavebníctvo je odvetvie náchylné na riziko... Takže ak to dokážete urobiť autonómne, máte aj bezpečnostný prínos."

3D tlač môže byť tiež rýchlejšia a lacnejšia a umožňuje to určitý stupeň voľnosti dizajnu. „Z pohľadu architekta existuje určitá miera slobody, ktorá sa otvára pri 3D tlači,“ povedal. Nemusíte sa spoliehať na sériovo vyrábané materiály, ako sú dva po štyroch, ktoré bývajú ploché a rovné, takže môžete navrhovať zložitejšie tvary. "Umožňuje vám vytvoriť dizajn, ktorý je prispôsobený danému riešeniu."

Ako 3D vytlačiť biotop

Keď premýšľate o 3D tlači, pravdepodobne si predstavíte stolný stroj na tlač položiek širokých niekoľko palcov. Pokiaľ ide o 3D tlač v rozsahu infraštruktúry, potrebujete oveľa väčší hardvér, ale je to koncepčne podobné proces – „v tom, že by ste použili podobný softvér, použili by ste podobné pohybové techniky,“ hovorí Matthew Troemner, Ph. D. kandidát na Northwestern University a vedúci univerzitného tímu pre biotopy Mars, vysvetlil.

Rozdiel je v spôsobe ukladania materiálu. Stolové 3D tlačiarne používajú metódu taveného nanášania, „čo je v podstate ako roztavená plastová šnúra,“ povedal Troemner. A hoci je to možné zväčšiť, Troemnerov tím chcel použiť iný typ materiálu nazývaného marscrete alebo marscrete na tlač na Marse. "Predmiešavame materiál, vytvárame druh pasty a potom ho vytláčame" predtým, ako ho necháme vytvrdnúť alebo vytvrdnúť, vysvetlil.

Marscrete sa vyrába zmiešaním marťanského regolitu – prašnej pôdnej látky, ktorá pokrýva povrch planéty – so sírou. Sírový betón sa na Zemi používa už desaťročia a je pevný a odolný voči opotrebovaniu, vďaka čomu je ideálny na stavbu na Marse. Akonáhle je zmiešaný, môže byť položený do tvarov, aby vytvoril biotop.

"Pre Mars alebo vesmírne aplikácie by ste mali nejaký druh ramena, ktoré sa pohybuje a ukladá materiál," povedal. Na Zemi sú mechanizmy v štýle ramena menej populárne ako mechanizmy v štýle portálov pre tlač vo veľkom meradle, pretože môžu tlačiť iba v obmedzenej veľkosti - v podstate na dosah ramena. Ale čím zložitejší je tlačový hardvér, tým viac vecí sa môže pokaziť. Keď staviate na inej planéte, má zmysel udržiavať veci čo najjednoduchšie.

Troemnerov tím navrhol použiť nafukovaciu tlakovú nádobu – v podstate obrovský, silný balón – ktorý by sa naplnil vzduchom, aby vytvoril kupolovitý tvar, s mechanizmom ramena používaným na tlač marscrete na vrchole. Tlaková nádoba zadržiava vzduch dovnútra a vyžarovanie von a marscrete robí štruktúru pevnou a odolnou.

Výzvy stavania na Marse

Mars je nehostinný pre ľudí aj pre budovy. Na začiatok sú na planéte teplotné výkyvy, pričom teploty okolo rovníka sa pohybujú od vysokých od 70 stupňov Fahrenheita (21 stupňov Celzia) počas dňa do mínus 100 stupňov Fahrenheita (mínus 73 stupňov Celzia) pri noc. To kladie veľký dôraz na stavebné materiály.

"Chceli sme mať štruktúry, ktoré by sa mohli rozširovať a zmršťovať nezávisle od seba," povedal Troemner, aby umožnil expanziu a kontrakciu počas veľmi chladných nocí na Marse a relatívne teplých dní. A štruktúry musia byť dostatočne pevné, aby odolali častému hromadeniu prachu na planéte prachové búrky. "Ak máte na polovici vašej konštrukcie hromadu piesku, máte nevyvážený stav zaťaženia, čo to spôsobí?" vysvetlil. Prachové búrky môžu tiež ovplyvniť výstavbu, čo znamená, že je potrebné počítať s prestojmi.

Preto Troemnerov tím prišiel s nápadom kupol. "Kupoly sú dobrým tvarom pre tepelnú rozťažnosť a tiež pre nahromadenie pieskových dún," povedal a veľmi dobre rozkladajú zaťaženie. Staviteľom v skutočnosti pomáha aj znížená gravitácia na Marse, "takže potrebujete menej konštrukčných prvkov, potrebujete ľahší kus vybavenia."

Jedným z veľkých problémov je, ako chrániť marťanských astronautov pred nebezpečným žiarením. „Marťanský regolit v skutočnosti nie je taký vynikajúci na tienenie pred žiarením, ktoré by ste zažili na povrchu,“ povedal Matthew. Konštrukcia kupoly by mala medzi ľuďmi vo vnútri biotopu a vonkajším prostredím jednu až tri stopy materiálu, ale to by nestačilo na ochranu kozmonautov vo vnútri.

Pridanie síry do regolitu, aby sa vytvoril marscrete, pomáha, ale tím do zmesi pridal aj polyetylénové vlákna, ktoré by zvýšili ochranný účinok. Pre úplné tienenie by vnútorná nafúknutá konštrukcia mala tiež viac polyetylénu. Tento polyetylén by sa dal kanibalizovať z výstelky vesmírnej lode bez posádky, ktorá by priniesla prvú vlnu zásob na Mars.

Úloha architektúry

Navrhovanie biotopu však nie je len o technických výzvach. Ide tiež o vytvorenie priestoru, v ktorom môžu ľudia pohodlne žiť a pracovať po dlhú dobu, potenciálne aj keď sú pod veľkým stresom alebo prežívajú hlbokú izoláciu.

Biotop tímu Zopherus bol rozdelený do troch modulov: laboratórium pre vedecké operácie, komunálna jednotka a posádka jednotka pre potreby, ako je sanitácia a spanie, s možnosťou pridania ďalších jednotiek na základe misie potreby.

Chceli, aby priestor podporil praktické aj psychologické potreby tam ubytovaných astronautov, čo sa odrazilo aj v tom, ako navrhli komunálnu jednotku. "Naozaj sme tento priestor orientovali okolo veľkého otvoru na hornej úrovni," povedal. Veľké okno umožňuje astronautom pozerať sa na povrch Marsu a zároveň zostať vnútri v bezpečí a pohodlí. "Chceli sme maximalizovať schopnosť astronautov vidieť svoje okolie a spojiť sa s ním."

To je dôležité pre dokončenie úloh, ako je napríklad používanie mechanického ramena na pohyb vecí vonku. Ale je tu aj významný psychologický prínos. „Ak ste na rok uväznení na ploche asi tisíc štvorcových stôp na planéte, ktorá vás chce zabiť všade okrem toho, kde žijete, je pocit, že nie ste v plechovke, skutočne prospešný,“ povedal.

Tím tiež pridal hydroponickú záhradu do tohto priestoru, aby rastliny mohli dostať svetlo a tak astronauti kráčajúci nižšie by si užili psychickú prestávku pocitu, akoby prechádzali cez a zalesnený priestor. Pre Lanea je vyváženie tohto priesečníka praktických a psychologických potrieb kľúčovou úlohou architekta. „Architekti tvoria rozhranie medzi potrebami ľudí a fyzickým prostredím,“ povedal. "Fyzické prostredie, v ktorom sa niekto nachádza, ho ovplyvňuje psychologicky a tiež operačne."

Spôsob, akým o tom premýšľal, nebol z hľadiska oddelených potrieb misie a psychologických potrieb. Namiesto toho ich vidí ako prepojené. "Tieto psychologické potreby sú v skutočnosti praktické potreby, keď máte do činenia s človekom," povedal. "Pretože psychológia vašich astronautov priamo ovplyvňuje ich výkon na misii."

Navrhovanie tak, aby astronauti mali z psychologického hľadiska prospech, nie je o tom, aby bola budova atraktívna, ale o nájdení najlepšieho riešenia konštrukčného problému. Poukázal na eleganciu a krásu v mnohých aspektoch vesmírneho inžinierstva. "Na dizajne je skutočne niečo krásne, čo dobre zapadá do problému," povedal, podobne ako vrodená krása mnohých organických tvarov. „Na základe pragmatických obmedzení problému dizajnu a zohľadňovania zdravia cestujúcich a Wellness a psychológia vedú k niečomu, čo bude pravdepodobne estetickejšie.“

„Pri vytváraní niečoho pekného môžete zájsť príliš ďaleko,“ povedal. "Ale zabezpečiť, aby to dobre fungovalo pre osobu, ktorá ho bude obývať, je pre mňa veľmi praktická úvaha."

Ísť do podzemia

Obaja experti sa zhodli, že budúcnosť dizajnu biotopov na Marse má veľa možností, vrátane potenciálneho pohybu pod povrchom. Vybudovanie podzemnej základne má mnoho výhod, ako je ochrana ľudí pred radiáciou a prachovými búrkami. Ale má to aj svoje výzvy.

Pokiaľ ide o podzemné stavby, "Ešte stále je toľko neznámych," povedal Troemner. Je toho veľa, čo nevieme o zložení podpovrchu Marsu a o tom, ako ho v tomto prostredí postaviť. "Aspoň pre prvý krok, ak hovoríme o blízkej budúcnosti, niečo na povrchu dáva väčší zmysel, pretože neexistujú rovnaké úrovne neznámych, aké by boli pri kopaní."

Keď už budeme chvíľu na Marse, môže sa to zmeniť. „Z dlhodobého hľadiska, potom, čo ste vytvorili niekoľko prvých počiatočných štruktúr, ste mali na povrchu viac roverov, možno mali ste astronautov na povrchu, potom je možno podzemná základňa tou správnou cestou v budúcnosti,“ povedal.

Lane súhlasil. Myslel si, že prvá misia na Mars by mohla zahŕňať ľudí, ktorí sa zdržiavali v „veci na povrchu, ktoré väčšinou pochádzali zo Zeme“, ako napríklad misie Apollo na Mesiac. Ale na to, aby sa viac ľudí zdržiavalo dlhší čas, potrebujete trvalejšiu infraštruktúru. "V tom momente začnete ísť do podzemia alebo 3D tlačiť svoje biotopy," povedal.

Nakoniec si Lane predstavil širokú škálu biotopov navrhnutých a vybudovaných rôznymi vesmírnymi agentúrami alebo spoločnosťami. "Uvidíme väčšiu rozmanitosť v našich biotopoch, ktoré vytvárame, pretože naše potreby budú rozmanitejšie a budeme musieť prispôsobiť väčšiu škálu," povedal. Z tejto rozmanitosti sa dozvieme viac o tom, aký je najlepší spôsob života na inej planéte, čo nám v budúcnosti pomôže vybudovať ešte lepšie biotopy. "To je niečo, z čoho som naozaj nadšený, keď sa ľudia v nasledujúcich desaťročiach vydajú na Mesiac a Mars."

Tento článok je súčasťou Život na Marse, 10-dielna séria, ktorá skúma špičkovú vedu a technológiu, ktorá ľuďom umožní okupovať Mars.

Odporúčania redaktorov

• Kozmická komunikácia: Ako budú prví ľudia na Marse komunikovať so Zemou
• Astropsychológia: Ako si zachovať zdravý rozum na Marse
• Umelé atmosféry: Ako na Marse postavíme základňu s dýchateľným vzduchom
• Astropoľnohospodárstvo: Ako budeme pestovať plodiny na Marse
• Marťanský prach je pre astronautov veľkým problémom. Tu je návod, ako s tým NASA bojuje