Kako bodo Marsovi prvi naseljenci ustvarili habitate s prstjo

Ko gre za ljudi, ki obiščejo Mars in potrebujejo nekje za bivanje, ima NASA ambiciozen načrt: uporabiti surovine, ki jih najdemo na planetu, za 3D-tiskanje habitata in situ. To je bila tema 3D-Printed Habitat Challenge, ki ga je agencija začela pred nekaj leti in je povabila ekipe oblikovalcev, da predstavijo svojo najboljšo rešitev problema.

Torej, kako natančno spremenimo kup Marsovega prahu v udoben dom? Da bi izvedeli, smo se pogovarjali z dvema strokovnjakoma, ki sta sodelovala na tem natečaju – arhitektom Treyem Lanom iz zmagovalne ekipe Zopherus in inženir Matthew Troemner iz ekipe Northwestern University – o tem, kako oblikovati in zgraditi habitat na drugem planet.

Ta članek je del Življenje na Marsu, 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars.

Uporaba lokalnih virov

Pri načrtovanju a življenjski prostor za Mars, največja omejitev je, koliko materiala lahko prinesete z Zemlje. Vsak dodaten gram mase, naložen na raketo, ima znatne stroške v smislu goriva, zato preprosto ni izvedljivo prinesti s seboj gradbenega materiala v vrednosti stavbe. Zato bo treba prve habitate zgraditi z uporabo surovin, ki so na voljo lokalno na Marsu.

Zagotovo gre za drugačen pristop k gradnji, kot nam je povedal Trey Lane, arhitekt iz ekipe Zopherus, ki je zmagala na tekmovanju.

V svojih zgodnjih raziskavah Lane ni našel veliko na področju obsežnih projektov 3D-tiskanja z uporabo lokalnih materialov, zato se je obrnil na nepričakovan vir navdiha: žuželke. "Začeli smo opazovati ose, pajke in hrošče," je dejal. "Stotine milijonov let delajo v bistvu 3D tiskanje za ustvarjanje habitatov." Žuželke gredo ven v okolje, najdejo virov, jih predelati v uporaben material in zgraditi najbolj praktičen habitat za izpolnjevanje njihovih potreb – tako kot je želel narediti Lane. "Iskreno smo ugotovili, da so žuželke boljši modeli za izgradnjo 3D-natisnjenega avtonomnega habitata, ki uporablja lokalne vire, kot ljudje."

Njegova ekipa je predvidela habitat, ki vključuje roverje, ki bi šli v okolje in zbirali materiale, nato pa jih pripeljali nazaj za nadaljnjo gradnjo. "V veliko pogledih je kot osa, ki gre in prežveči malo lokalnih virov in to spremeni v papirnato kašo in iz nje zgradi svoje gnezdo."

Uporaba tega pristopa pri gradnji ima prednosti, bodisi na Marsu bodisi na Zemlji. "Dejstvo, da uporabljate lokalne vire, je velika razlika za vesoljske misije," je dejal. Namesto da se zanašate na dolge dobavne verige, ste lahko veliko bolj učinkoviti v smislu materialov in energije. Poleg tega je pristop 3D tiskanja varnejši od tradicionalne gradnje. "Gradbeništvo je industrija, ki je nagnjena k tveganju... Torej, če lahko nekatere vidike tega izvajate samostojno, imate tudi varnostno korist."

Prav tako je lahko hitrejše in cenejše 3D-tiskanje, omogoča pa tudi določeno stopnjo svobode oblikovanja. "Z vidika arhitekta obstaja določena količina svobode, ki se odpre, ko tiskate 3D," je dejal. Ni se vam treba zanašati na množično proizvedene materiale, kot so dva na štiri, ki so ponavadi ravni in ravni, tako da lahko oblikujete bolj zapletene oblike. "To vam omogoča, da ustvarite dizajn, ki je prilagojen za rešitev."

Kako 3D-natisniti habitat

Ko pomislite na 3D-tiskanje, verjetno pomislite na namizni stroj za tiskanje nekaj centimetrov širokih predmetov. Ko gre za 3D-tiskanje v obsegu infrastrukture, potrebujete veliko večjo strojno opremo, vendar je konceptualno podobna procesa – »če bi uporabljali podobno programsko opremo, bi uporabljali podobne tehnike gibanja,« kot je dejal Matthew Troemner, dr. kandidat na univerzi Northwestern in vodja univerzitetne ekipe za habitat Mars, je pojasnil.

Razlika je v načinu odlaganja materiala. Namizni 3D-tiskalniki uporabljajo metodo taljenega nanašanja, "ki je v bistvu kot staljena plastična vrvica," je dejal Troemner. In čeprav je to mogoče povečati, je Troemnerjeva ekipa za tiskanje na Marsu želela uporabiti drugačno vrsto materiala, imenovanega marscrete ali marsbeton. "Material predhodno zmešamo, ustvarimo nekakšno pasto in jo nato ekstrudiramo", preden pustimo, da se strdi ali strdi, je pojasnil.

Marscrete nastane z mešanjem marsovskega regolita - prašne prsti podobne snovi, ki prekriva površino planeta - z žveplom. Žveplobeton se na Zemlji uporablja že desetletja in je močan ter odporen proti obrabi, zaradi česar je idealen za gradnjo na Marsu. Ko je zmešan, ga je mogoče oblikovati v habitat.

"Za Mars ali vesoljske aplikacije bi imeli nekakšno roko, ki premika in odlaga material," je dejal. Na Zemlji so mehanizmi v obliki roke manj priljubljeni od mehanizmov v slogu portala za tiskanje velikega obsega, ker lahko tiskajo le v omejeni velikosti - v bistvu dosega roke. Toda bolj ko je strojna oprema za tiskanje zapletena, več stvari gre lahko narobe. Pri gradnji na drugem planetu je pomembno, da so stvari čim bolj preproste.

Troemnerjeva ekipa je predlagala uporabo napihljive tlačne posode - v bistvu velikanskega, močnega balona - ki bi bil napolnjen z zrakom, da bi oblikoval obliko kupole, z mehanizmom roke, ki se uporablja za tiskanje marskreta na vrhu tega. Tlačna posoda zadržuje zrak noter in sevanje zunaj, marskret pa naredi strukturo močno in vzdržljivo.

Izzivi gradnje na Marsu

Mars je negostoljuben tako za ljudi kot za zgradbe. Za začetek so temperaturna nihanja na planetu, pri čemer se temperature okoli ekvatorja gibljejo od najvišje od 70 stopinj Fahrenheita (21 stopinj Celzija) čez dan do minus 100 stopinj Fahrenheita (minus 73 Celzija) pri noč. To pomeni veliko obremenitev gradbenih materialov.

"Želeli smo imeti strukture, ki bi se lahko širile in krčile neodvisno ena od druge," je dejal Troemner, da bi omogočile širitev in krčenje v zelo mrzlih nočeh in razmeroma toplih dneh na Marsu. In strukture morajo biti dovolj močne, da prenesejo nabiranje prahu zaradi pogostih planetov prašne nevihte. "Če imate na polovici svoje konstrukcije kup peska, imate neuravnoteženo stanje obremenitve, kaj bo to naredilo?" je pojasnil. Prašne nevihte lahko vplivajo tudi na gradnjo, kar pomeni, da je treba omogočiti izpade.

Zato je Troemnerjeva ekipa prišla na idejo o kupolah. »Kupole so dobra oblika za toplotno raztezanje in tudi kopičenje peščenih sipin,« je dejal, in zelo dobro porazdelijo obremenitve. Gradbenikom dejansko nekoliko pomaga zmanjšana gravitacija na Marsu, "zato potrebujete manj strukturnih elementov, potrebujete lažji kos opreme."

Eno veliko vprašanje je, kako marsovske astronavte zaščititi pred nevarnim sevanjem. "Marsovski regolit v resnici ni tako odličen pri zaščiti pred sevanjem, ki bi ga doživeli na površini," je dejal Matthew. Zasnova kupole bi imela od enega do treh čevljev materiala med ljudmi v habitatu in zunanjim okoljem, vendar to ne bi bilo dovolj za zaščito astronavtov v notranjosti.

Dodajanje žvepla regolitu za izdelavo marskreta pomaga, vendar je ekipa mešanici dodala tudi polietilenska vlakna, kar bi povečalo zaščitni učinek. Za popolno zaščito bi imela notranja napihnjena struktura tudi več polietilena. Ta polietilen bi lahko kanibalizirali iz obloge vesoljskega plovila brez posadke, ki bi preneslo prvi val zalog na Mars.

Vloga arhitekture

Pri načrtovanju habitata pa ne gre samo za inženirske izzive. Gre tudi za ustvarjanje prostora, v katerem lahko ljudje dolgo časa udobno živijo in delajo, morda tudi, ko so pod velikim stresom ali doživljajo globoko izolacijo.

Življenjski prostor ekipe Zopherus je bil razdeljen na tri module: laboratorij za znanstvene operacije, komunalno enoto in posadko. enota za potrebe, kot so sanitarije in spalni prostori, z možnostjo dodajanja več enot glede na misijo potrebe.

Želeli so, da prostor podpira tako praktične potrebe kot psihološke potrebe astronavtov, ki tam bivajo, kar se je odražalo v tem, kako so zasnovali komunalno enoto. "Ta prostor smo resnično usmerili okoli velike odprtine na zgornjem nivoju," je dejal. Veliko okno omogoča astronavtom, da gledajo na površje Marsa, medtem ko so v notranjosti varni in udobni. "Želeli smo povečati sposobnost astronavtov, da vidijo svojo okolico in se z njo povežejo."

To je pomembno za dokončanje nalog, kot je na primer uporaba mehanske roke za premikanje stvari zunaj. Obstaja pa tudi pomembna psihološka korist. »Če si eno leto zaprt na približno tisoč kvadratnih metrih prostora na planetu, ki te želi ubiti povsod, razen tam, kjer živite, je občutek, kot da niste v pločevinki, resnično koristen,« je dejal.

Ekipa je temu prostoru dodala tudi hidroponski vrt, tako da lahko rastline dobijo svetlobo kot tudi zato astronavti, ki bi hodili spodaj, bi uživali v psihološkem premoru, ko bi se počutili, kot da hodijo skozi a gozdnat prostor. Za Lanea je uravnoteženje tega presečišča praktičnih in psiholoških potreb ključna naloga arhitekta. "Arhitekti povezujejo potrebe ljudi in fizično okolje," je dejal. "Fizično okolje, v katerem je nekdo, vpliva nanj psihološko in tudi operativno."

O tem ni razmišljal v smislu ločenih potreb misije in psiholoških potreb. Namesto tega jih vidi kot medsebojno povezane. "Te psihološke potrebe so pravzaprav praktične potrebe, ko imate opravka s človekom," je dejal. "Ker psihologija vaših astronavtov neposredno vpliva na njihovo uspešnost na misiji."

Pri oblikovanju v psihološko korist astronavtom ne gre za to, da bi bila zgradba privlačna zaradi nje same, ampak za iskanje najboljše rešitve za projektni problem. Izpostavil je eleganco in lepoto v številnih vidikih vesoljskega inženirstva. "V oblikovanju je res nekaj lepega, kar se dobro prilega problemu," je dejal, podobno kot inherentna lepota v mnogih organskih oblikah. „Upoštevanje pragmatičnih omejitev projektnega problema ter upoštevanje zdravja potnikov in dobrega počutja in psihologije povzroči nekaj, kar bo verjetno bolj estetsko prijeten dizajn.«

"Pri ustvarjanju nečesa lepega lahko greš predaleč," je dejal. "Ampak to, da bo dobro delovalo za osebo, ki jo bo naselila, je zame zelo praktičen premislek."

Pojdi v podzemlje

Oba strokovnjaka sta se strinjala, da ima prihodnost oblikovanja Marsovih habitatov veliko možnosti, vključno s potencialnim premikanjem pod površjem. Gradnja podzemne baze ima veliko prednosti, na primer zaščito ljudi pred sevanjem in prašnimi nevihtami. Vendar ima tudi svoje izzive.

Ko gre za podzemno gradnjo, je "še vedno toliko neznank," je dejal Troemner. Marsikaj ne vemo o sestavi Marsovega podzemlja in o tem, kako graditi v tem okolju. "Vsaj za prvi korak, če govorimo o bližnji prihodnosti, je nekaj na površini bolj smiselno, ker ni tistih ravni neznank, kot bi bile pri kopanju."

Ko bomo nekaj časa na Marsu, se bo to morda spremenilo. »Dolgoročno, potem ko ste ustvarili prvih nekaj začetnih struktur, ste imeli na površini več roverjev, morda imeli ste astronavte na površju, potem je morda podzemna baza prava pot v prihodnosti,« je dejal.

Lane se je strinjal. Mislil je, da bi prva misija na Mars lahko vključevala ljudi, ki ostanejo v "stvareh na površju, ki večinoma prihajajo z Zemlje", kot so misije Apollo na Luno. Toda za več ljudi, ki ostanejo dlje časa, potrebujete več stalne infrastrukture. "Na tej točki začnete iti pod zemljo ali 3D tiskati svoje habitate," je dejal.

Sčasoma je Lane predvidel široko paleto habitatov, ki so jih oblikovale in zgradile različne vesoljske agencije ali podjetja. "V naših habitatih, ki jih ustvarjamo, bomo videli več raznolikosti, ker bodo naše potrebe bolj raznolike in morali se bomo prilagoditi večjemu obsegu," je dejal. Iz te raznolikosti bomo izvedeli več o tem, kakšen je najboljši način življenja na drugem planetu, kar nam bo pomagalo zgraditi še boljše habitate v prihodnosti. "Kar je nekaj, kar me zelo veseli, v naslednjih desetletjih, ko se bodo ljudje podali na Luno in Mars."

Ta članek je del Življenje na Marsu, 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars.

Priporočila urednikov

• Vesoljske komunikacije: Kako bodo prvi ljudje na Marsu komunicirali z Zemljo
• Astropsihologija: Kako ostati pri zdravi pameti na Marsu
• Umetna atmosfera: Kako bomo na Marsu zgradili bazo z zrakom, ki ga je mogoče dihati
• Astrokmetijstvo: Kako bomo gojili pridelke na Marsu
• Prah z Marsa je velika težava za astronavte. Evo, kako se NASA bori proti temu