Hur Mars första bosättare kommer att skapa livsmiljöer med jord

När det gäller människor som besöker Mars och behöver någonstans att bo, har NASA en ambitiös plan: Att använda råvaror som finns på planeten för att 3D-printa en livsmiljö in situ. Det var ämnet för 3D-Printed Habitat Challenge som byrån startade för några år sedan, som bjöd in team av designers att presentera sin bästa lösning på problemet.

Så exakt hur förvandlar vi ett gäng Mars-damm till ett bekvämt hem? För att ta reda på det pratade vi med två experter som deltog i den tävlingen – arkitekten Trey Lane från det vinnande Team Zopherus och ingenjör Matthew Troemner från Northwestern University-teamet — om hur man designar och bygger en livsmiljö på en annan planet.

Denna artikel är en del av Liv på Mars, en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars.

Använda lokala resurser

När du planerar en livsmiljö för Mars, den största begränsningen är hur mycket material du kan ta med från jorden. Varje extra gram massa som laddas på en raket har en betydande kostnad i form av bränsle, så det är helt enkelt inte möjligt att ta med en byggnads värde av byggmaterial. Det är därför de första livsmiljöerna kommer att behöva byggas med råvaror som är tillgängliga lokalt på Mars.

Det är verkligen ett annorlunda sätt att närma sig konstruktion, som Trey Lane, arkitekt från det tävlingsvinnande Team Zopherus, berättade för oss.

I sin tidiga forskning hittade Lane inte mycket i vägen för storskaliga 3D-utskriftsprojekt med lokala material, så han vände sig till en oväntad källa för inspiration: Insekter. "Vi började titta på getingar och spindlar och skalbaggar," sa han. "I hundratals miljoner år har de huvudsakligen gjort 3D-utskrifter för att skapa livsmiljöer." Insekter går ut i miljön, hitta resurser, bearbeta dem till användbart material och konstruera den mest praktiska livsmiljön för att möta deras behov - precis som vad Lane ville göra. "Vi fann, ärligt talat, att insekter är bättre modeller för hur man konstruerar en 3D-printad, autonom, lokal resursutnyttjande livsmiljö än människor är."

Hans team föreställde sig en livsmiljö som inkluderade rovers som skulle gå ut i miljön och samla material och sedan ta tillbaka dem för vidare konstruktion. "På många sätt är det som en geting som går och tuggar upp lite lokala resurser och förvandlar det till en papier-maché och bygger sitt bo av det."

Det finns fördelar med att tillämpa detta tillvägagångssätt för konstruktion, oavsett om det är på Mars eller på jorden. "Det faktum att du använder lokala resurser gör en enorm skillnad för rymduppdrag," sa han. Istället för att förlita sig på långa leveranskedjor kan du vara mycket mer effektiv när det gäller material och energi. Dessutom är 3D-utskriftsmetoden säkrare än traditionell konstruktion. "Bygg är en riskbenägen bransch... Så om du kan göra vissa aspekter av det självständigt har du en säkerhetsfördel också."

Det kan också vara snabbare och billigare att 3D-printa, och det finns en grad av designfrihet det möjliggör. "Från en arkitekts synvinkel finns det en viss mängd frihet som öppnas upp när du 3D-printar," sa han. Du behöver inte förlita dig på massproducerade material som två gånger fyra, som tenderar att vara platta och raka, så att du kan designa mer komplexa former. "Det frigör dig att skapa en design som är skräddarsydd för lösningen."

Hur man 3D-printar en livsmiljö

När du tänker på 3D-utskrift tänker du förmodligen på en stationär maskin för att skriva ut föremål som är några centimeter breda. När det gäller 3D-utskrift i infrastrukturskala behöver du mycket större hårdvara, men det är en konceptuellt liknande process - "om du skulle använda liknande programvara, skulle du använda liknande rörelsetekniker," som Matthew Troemner, Ph. D. kandidat vid Northwestern University och ledare för universitetets Mars habitatteam, förklarade.

Skillnaden ligger i hur materialet deponeras. Stationära 3D-skrivare använder en sammansmält deponeringsmetod, "som är som en smält plaststräng, i huvudsak," sa Troemner. Och även om det är möjligt att skala upp detta, för utskrift på Mars, ville Troemners team använda en annan typ av material som kallas marscrete eller Mars betong. "Vi förblandar material, skapar en sorts pasta och extruderar sedan det" innan vi låter det härda eller härda, förklarade han.

Marscrete tillverkas genom att blanda Mars regolit - det dammiga jordliknande ämnet som täcker planetens yta - med svavel. Svavelbetong har använts på jorden i årtionden och är stark och motståndskraftig mot slitage, vilket gör den idealisk för att bygga på Mars. När det väl är blandat kan det läggas ner i former för att bilda en livsmiljö.

"För Mars eller rymdapplikationer skulle du ha någon form av arm som rör sig och avsätter material," sa han. På jorden är mekanismer i armstil mindre populära än mekanismer i portalstil för storskaliga utskrifter eftersom de bara kan skriva ut i en begränsad storlek - i huvudsak armens räckvidd. Men ju mer komplex utskriftshårdvaran är, desto fler saker kan gå fel. Det finns ett värde i att hålla saker så enkla som möjligt när man bygger på en annan planet.

Troemners team föreslog att använda ett uppblåsbart tryckkärl - i huvudsak en gigantisk, stark ballong - som skulle fyllas med luft för att bilda en kupolform, med en armmekanism som används för att trycka marskret ovanpå det. Tryckkärlet håller luft in och strålning ute, och marskreten gör strukturen stark och hållbar.

Utmaningarna med att bygga på Mars

Mars är ogästvänlig för både människor och byggnader. Till att börja med finns det temperatursvängningar på planeten, med temperaturer runt ekvatorn som sträcker sig från en hög av 70 grader Fahrenheit (21 grader Celsius) under dagen till minus 100 grader Fahrenheit (minus 73 Celsius) kl. natt. Det sätter mycket stress på byggmaterial.

"Vi ville ha strukturer som kunde expandera och dra ihop sig oberoende av varandra," sa Troemner, för att möjliggöra expansion och sammandragning under Mars mycket kalla nätter och relativt varma dagar. Och strukturerna måste vara tillräckligt starka för att motstå uppbyggnaden av damm från planetens frekventa damm stormar. "Om du har en hög med sand på halva din struktur, har du ett obalanserat lasttillstånd, vad kommer det att göra?" han förklarade. Dammstormar kan också påverka konstruktionen, vilket innebär att det finns ett behov av att tillåta stillestånd.

Det var därför Troemners team kom på idén om kupoler. "Kupoler är en bra form för den termiska expansionen och även sanddynesuppbyggnaden," sa han, och de fördelar belastningen mycket bra. Byggare får faktiskt lite hjälp av den minskade gravitationen på Mars också, "så du behöver färre strukturella element, du behöver en lättare utrustning."

En stor fråga är hur man skyddar Mars-astronauter från farlig strålning. "Mars regolit är inte riktigt så bra på att skydda mot strålningen du skulle uppleva på ytan," sa Matthew. Kupoldesignen skulle ha mellan en och tre fot material mellan människor inne i livsmiljön och den yttre miljön, men det skulle inte räcka för att skydda astronauter inuti.

Att lägga till svavel till regoliten för att göra marskret hjälper, men teamet lade också till polyetenfibrer till blandningen, vilket skulle öka den avskärmande effekten. För fullständig avskärmning skulle den inre uppblåsta strukturen också ha mer polyeten. Denna polyeten kunde kannibaliseras från fodret på den obemannade rymdfarkosten som skulle bära den första vågen av förnödenheter till Mars.

Arkitekturens roll

Att designa en livsmiljö handlar dock inte bara om tekniska utmaningar. Det handlar också om att skapa ett utrymme där människor kan bo och arbeta bekvämt under lång tid, eventuellt under mycket stress eller djup isolering.

Team Zopherus livsmiljö var uppdelad i tre moduler: ett laboratorium för vetenskapsverksamhet, en kommunal enhet och en besättning enhet för behov som sanitet och sovplatser, med möjlighet att fler enheter kan läggas till baserat på uppdrag behov.

De ville att utrymmet skulle stödja både de praktiska behoven och de psykologiska behoven hos astronauter som vistades där, vilket återspeglades i hur de utformade den kommunala enheten. "Vi orienterade verkligen det utrymmet runt en stor öppning på det övre planet," sa han. Ett stort fönster gör att astronauter kan titta ut på Mars yta samtidigt som de är säkra och bekväma inuti. "Vi ville maximera astronauternas förmåga att se sin omgivning och få kontakt med den."

Det är viktigt för att utföra uppgifter som att till exempel använda en mekanisk arm för att flytta runt saker utanför. Men det finns en betydande psykologisk fördel också. "Om du är inbäddad i ungefär tusen kvadratmeter utrymme under ett år på en planet som vill döda dig överallt utom där du bor, det är verkligen fördelaktigt att känna att du inte är i en burk, sa han.

Teamet lade också till den hydroponiska trädgården till detta utrymme både så att växter kan få ljus och så astronauter som gick nedanför skulle njuta av den psykologiska paus av att känna att de gick genom en trädbevuxen utrymme. För Lane är det en nyckeluppgift för en arkitekt att balansera denna skärningspunkt av praktiska och psykologiska behov. "Arkitekter gränsar mellan människors behov och den fysiska miljön," sa han. "Den fysiska miljön som någon befinner sig i påverkar dem psykologiskt och även operativt."

Sättet han tänkte på det var inte i termer av separata uppdragsbehov och psykologiska behov. Istället ser han dem som sammanlänkade. "Dessa psykologiska behov är faktiskt praktiska behov när du har att göra med en människa," sa han. "Eftersom psykologin hos dina astronauter direkt påverkar deras prestation på uppdraget."

Att designa för att gynna astronauter psykologiskt handlar inte om att göra en byggnad attraktiv för sin skull, utan om att hitta den bästa lösningen på ett designproblem. Han påpekade elegansen och skönheten i många aspekter av rymdteknik. "Det finns verkligen något vackert med design som passar problemet bra," sa han, liknande den inneboende skönheten i många organiska former. "Följa de pragmatiska begränsningarna av designproblemet och ta hänsyn till passagerarnas hälsa och wellness och psykologi resulterar i något som förmodligen kommer att bli mer estetiskt tilltalande design.”

"Du kan gå för långt för att göra något vackert," sa han. "Men att få det att fungera bra för personen som kommer att bo i det, för mig, är en mycket praktisk övervägande."

Går under jorden

Båda experterna var överens om att framtiden för Mars habitatdesign hade många möjligheter, inklusive att potentiellt röra sig under ytan. Att bygga en underjordisk bas har många fördelar, som att skydda människor från strålning och dammstormar. Men det har sina utmaningar också.

När det gäller underjordisk konstruktion, "det finns fortfarande så många okända," sa Troemner. Det finns mycket vi inte vet om Mars-underytans sammansättning och hur man konstruerar i den miljön. "Åtminstone för ett första steg, om vi pratar om den närmaste framtiden, är något på ytan mer vettigt eftersom det inte finns samma nivåer av okända som det skulle vara när man gräver ner."

Men när vi har varit på Mars ett tag kan det ändras. "Långsiktigt, efter att du har skapat några första inledande strukturer, har du haft fler rovers på ytan, kanske du har haft astronauter på ytan, så kanske en underjordisk bas är rätt väg att gå i framtiden, sa han.

Lane höll med. Han trodde att det första uppdraget till Mars kunde involvera människor som vistades i "saker på ytan som mestadels kom från jorden", som Apollo-uppdragen till månen. Men för att fler ska stanna längre tid behöver man mer permanent infrastruktur. "Vid den tidpunkten börjar du gå under jorden eller 3D-printa dina livsmiljöer," sa han.

Så småningom föreställde sig Lane ett brett utbud av livsmiljöer designade och byggda av olika rymdorganisationer eller företag. "Vi kommer att se mer variation i våra livsmiljöer som vi skapar, eftersom våra behov kommer att vara mer varierande, och vi kommer att behöva tillgodose mer skala," sa han. Från den sorten kommer vi att lära oss mer om vad det bästa sättet att leva på en annan planet är, vilket kommer att hjälpa oss att bygga ännu bättre livsmiljöer i framtiden. "Vilket är något som jag verkligen är exalterad över, under de kommande decennierna av människor som vågar sig ut på månen och Mars."

Denna artikel är en del av Liv på Mars, en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars.

Redaktörens rekommendationer

• Cosmic comms: Hur de första människorna på Mars kommer att kommunicera med jorden
• Astropsykologi: Hur man håller sig frisk på Mars
• Konstgjorda atmosfärer: Hur vi bygger en bas med andningsluft på Mars
• Astroagriculture: Hur vi odlar grödor på Mars
• Marsdamm är ett stort problem för astronauter. Så här bekämpar NASA det