ผู้ตั้งถิ่นฐานกลุ่มแรกของดาวอังคารจะสร้างที่อยู่อาศัยด้วยดินได้อย่างไร

เมื่อพูดถึงมนุษย์ที่ไปเยือนดาวอังคารและต้องการที่พัก NASA มีแผนทะเยอทะยานที่จะใช้วัตถุดิบที่พบบนดาวเคราะห์เพื่อพิมพ์ 3 มิติที่อยู่อาศัยในแหล่งกำเนิด นั่นคือหัวข้อของ 3D-Printed Habitat Challenge ที่หน่วยงานได้เริ่มขึ้นเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซึ่งได้เชิญทีมนักออกแบบมานำเสนอวิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุด

แล้วเราจะเปลี่ยนฝุ่นบนดาวอังคารเป็นบ้านที่แสนสบายได้อย่างไร? เพื่อหาคำตอบ เราได้พูดคุยกับผู้เชี่ยวชาญสองคนที่เข้าร่วมการแข่งขันนั้น — สถาปนิก Trey Lane จากทีม Zopherus ที่ชนะ และวิศวกร Matthew Troemner จากทีม Northwestern University เกี่ยวกับวิธีการออกแบบและสร้างที่อยู่อาศัยบนพื้นที่อื่น ดาวเคราะห์.

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตบนดาวอังคารซีรีส์ 10 ตอนที่สำรวจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำสมัยที่จะช่วยให้มนุษย์สามารถยึดครองดาวอังคารได้

การใช้ทรัพยากรในท้องถิ่น

เมื่อวางแผนก ที่อยู่อาศัยของดาวอังคารข้อจำกัดที่ใหญ่ที่สุดคือปริมาณวัสดุที่คุณสามารถนำมาจากโลกได้ มวลที่เพิ่มขึ้นทุกกรัมที่บรรจุลงบนจรวดมีค่าใช้จ่ายจำนวนมากในแง่ของเชื้อเพลิง ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะนำวัสดุก่อสร้างที่มีค่าเท่ากับอาคาร นั่นเป็นเหตุผลที่ที่อยู่อาศัยแห่งแรกจะต้องสร้างขึ้นโดยใช้วัตถุดิบที่หาได้ในท้องถิ่นบนดาวอังคาร

เป็นวิธีการก่อสร้างที่แตกต่างออกไปอย่างแน่นอน อย่างที่ Trey Lane สถาปนิกจาก Team Zopherus ที่ชนะการแข่งขันบอกกับเรา

ในการวิจัยช่วงแรกๆ ของเขา Lane ไม่พบอะไรมากมายในโปรเจกต์การพิมพ์ 3 มิติขนาดใหญ่โดยใช้วัสดุในท้องถิ่น ดังนั้นเขาจึงหันไปหาแหล่งแรงบันดาลใจที่คาดไม่ถึง ซึ่งก็คือแมลง “เราเริ่มมองหาตัวต่อ แมงมุม และด้วง” เขากล่าว “เป็นเวลาหลายร้อยล้านปีมาแล้วที่พวกมันทำการพิมพ์ 3 มิติเป็นหลักเพื่อสร้างที่อยู่อาศัย” แมลงออกสู่สิ่งแวดล้อม, หา ทรัพยากร แปรรูปให้เป็นวัสดุที่ใช้งานได้ และสร้างที่อยู่อาศัยที่ใช้งานได้จริงมากที่สุดเพื่อตอบสนองความต้องการของพวกเขา เช่นเดียวกับที่ Lane ต้องการจะทำ "เราพบว่าแมลงเป็นต้นแบบที่ดีกว่าสำหรับวิธีการสร้างที่อยู่อาศัยที่ใช้ทรัพยากรในท้องถิ่นที่พิมพ์ 3 มิติ เป็นอิสระ และเป็นอิสระมากกว่ามนุษย์"

ทีมงานของเขาจินตนาการถึงที่อยู่อาศัยที่มีรถโรเวอร์ที่จะออกไปสำรวจสิ่งแวดล้อมและรวบรวมวัสดุ จากนั้นจึงนำกลับมาก่อสร้างเพิ่มเติม “ในหลาย ๆ ทาง มันก็เหมือนตัวต่อที่ไปแทะทรัพยากรในท้องถิ่นเล็กน้อย แล้วเปลี่ยนสิ่งนั้นให้กลายเป็นเปเปอร์มาเช่ และสร้างรังของมันขึ้นมา”

การนำแนวทางนี้ไปใช้ในการก่อสร้างมีข้อดี ไม่ว่าจะบนดาวอังคารหรือบนโลก “ความจริงที่ว่าคุณใช้ทรัพยากรในท้องถิ่นสร้างความแตกต่างอย่างมากสำหรับภารกิจในอวกาศ” เขากล่าว แทนที่จะพึ่งพาห่วงโซ่อุปทานที่ยาว คุณสามารถมีประสิทธิภาพมากขึ้นในแง่ของวัสดุและพลังงาน นอกจากนี้ วิธีการพิมพ์ 3 มิติยังปลอดภัยกว่าการก่อสร้างแบบดั้งเดิม “การก่อสร้างเป็นอุตสาหกรรมที่มีความเสี่ยง … ดังนั้น หากคุณสามารถทำบางอย่างได้ด้วยตนเอง คุณก็จะได้รับประโยชน์ด้านความปลอดภัยเช่นกัน”

นอกจากนี้ยังสามารถพิมพ์ 3 มิติได้เร็วกว่าและถูกกว่า อีกทั้งยังมีอิสระในการออกแบบในระดับหนึ่ง “จากมุมมองของสถาปนิก มีอิสระจำนวนหนึ่งที่เปิดขึ้นเมื่อคุณพิมพ์ 3 มิติ” เขากล่าว คุณไม่จำเป็นต้องพึ่งพาวัสดุที่ผลิตจำนวนมากอย่างเช่น 2 ต่อ 4 ซึ่งมักจะแบนและตรง คุณจึงสามารถออกแบบรูปทรงที่ซับซ้อนได้มากขึ้น “ช่วยให้คุณมีอิสระในการสร้างการออกแบบที่เหมาะกับการแก้ปัญหา”

วิธีการพิมพ์ที่อยู่อาศัย 3 มิติ

เมื่อคุณนึกถึงการพิมพ์ 3 มิติ คุณอาจนึกถึงเครื่องเดสก์ท็อปสำหรับพิมพ์ชิ้นงานที่มีความกว้างไม่กี่นิ้ว เมื่อพูดถึงการพิมพ์ 3 มิติในระดับโครงสร้างพื้นฐาน คุณจำเป็นต้องมีฮาร์ดแวร์ที่ใหญ่ขึ้นมาก แต่ก็มีแนวคิดที่คล้ายคลึงกัน กระบวนการ — “หากคุณใช้ซอฟต์แวร์ที่คล้ายกัน คุณจะต้องใช้เทคนิคการเคลื่อนไหวที่คล้ายกัน” ดังที่ Matthew Troemner, Ph. D. ผู้สมัครจาก Northwestern University และหัวหน้าทีมที่อยู่อาศัยบนดาวอังคารของมหาวิทยาลัยอธิบาย

ความแตกต่างอยู่ที่วิธีการฝากวัสดุ เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบตั้งโต๊ะใช้วิธีการหลอมรวม "ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับสายพลาสติกที่หลอมละลาย" Troemner กล่าว และแม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะขยายขนาดให้ใหญ่ขึ้น สำหรับการพิมพ์บนดาวอังคาร ทีมงานของ Troemner ต้องการใช้วัสดุประเภทอื่นที่เรียกว่า marscrete หรือคอนกรีตดาวอังคาร "เรากำลังผสมวัสดุล่วงหน้า สร้างแป้งชนิดหนึ่ง แล้วอัดขึ้นรูป" ก่อนที่จะปล่อยให้แข็งตัวหรือแข็งตัว เขาอธิบาย

Marscrete ทำขึ้นโดยการผสม Martian regolith ซึ่งเป็นสารที่มีลักษณะคล้ายดินฝุ่นที่ปกคลุมพื้นผิวโลกกับกำมะถัน คอนกรีตกำมะถันถูกนำมาใช้บนโลกมานานหลายทศวรรษ มีความแข็งแรงและทนทานต่อการสึกหรอ ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการสร้างบนดาวอังคาร เมื่อผสมกันแล้วสามารถวางเป็นรูปร่างเพื่อสร้างที่อยู่อาศัยได้

“สำหรับการใช้งานบนดาวอังคารหรือในอวกาศ คุณจะต้องมีแขนที่สามารถเคลื่อนย้ายและฝากวัสดุได้” เขากล่าว บนโลกนี้ กลไกแบบแขนได้รับความนิยมน้อยกว่ากลไกแบบโครงสำหรับตั้งสิ่งของสำหรับการพิมพ์ขนาดใหญ่ เนื่องจากสามารถพิมพ์ได้ในขนาดจำกัดเท่านั้น โดยหลักแล้วก็คือระยะเอื้อมของแขน แต่ยิ่งฮาร์ดแวร์การพิมพ์มีความซับซ้อนมากเท่าไร ก็ยิ่งมีข้อผิดพลาดมากขึ้นเท่านั้น การทำให้สิ่งต่าง ๆ เรียบง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้นั้นมีประโยชน์เมื่อสร้างบนดาวเคราะห์ดวงอื่น

ทีมของ Troemner เสนอให้ใช้ภาชนะรับแรงดันแบบเป่าลม ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วก็คือบอลลูนยักษ์ที่แข็งแรง จะเต็มไปด้วยอากาศเพื่อสร้างรูปทรงโดมโดยมีกลไกแขนที่ใช้พิมพ์ marscrete ด้านบน ภาชนะรับความดันช่วยให้อากาศเข้าและแผ่รังสีออกได้ และมาร์สครีตทำให้โครงสร้างแข็งแรงและทนทาน

ความท้าทายในการสร้างบนดาวอังคาร

ดาวอังคารไม่เอื้ออำนวยต่อทั้งมนุษย์และอาคาร สำหรับการเริ่มต้น มีการแกว่งของอุณหภูมิบนโลก โดยอุณหภูมิรอบเส้นศูนย์สูตรมีตั้งแต่สูง จาก 70 องศาฟาเรนไฮต์ (21 องศาเซลเซียส) ในระหว่างวันถึงลบ 100 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 73 องศาเซลเซียส) ที่ กลางคืน. นั่นทำให้เครียดมากกับวัสดุก่อสร้าง

“เราต้องการมีโครงสร้างที่สามารถขยายและหดตัวได้อย่างอิสระจากกันและกัน” Troemner กล่าว เพื่อให้มีการขยายตัวและหดตัวในคืนที่หนาวจัดและวันที่ค่อนข้างอบอุ่นของดาวอังคาร และโครงสร้างต้องแข็งแรงพอที่จะทนต่อการสะสมของฝุ่นจากดาวเคราะห์ที่เกิดขึ้นบ่อยครั้ง พายุฝุ่น. “ถ้าคุณมีกองทรายอยู่ครึ่งหนึ่งของโครงสร้างของคุณ คุณมีสภาพการบรรทุกที่ไม่สมดุล จะทำอย่างไร” เขาอธิบายแล้ว. พายุฝุ่นยังส่งผลต่อการก่อสร้าง ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องเผื่อเวลาหยุดทำงาน

นั่นเป็นเหตุผลที่ทีมของ Troemner คิดไอเดียเกี่ยวกับโดมขึ้นมา “โดมเป็นรูปทรงที่ดีสำหรับการขยายตัวทางความร้อนและการสะสมตัวของเนินทราย” เขากล่าว และพวกมันกระจายน้ำหนักได้เป็นอย่างดี ผู้สร้างก็ได้รับความช่วยเหลือเล็กน้อยจากแรงโน้มถ่วงที่ลดลงบนดาวอังคารเช่นกัน "ดังนั้นคุณจึงต้องการองค์ประกอบโครงสร้างน้อยลง คุณต้องมีอุปกรณ์ที่เบาลง"

ปัญหาใหญ่อย่างหนึ่งคือจะปกป้องนักบินอวกาศบนดาวอังคารจากรังสีอันตรายได้อย่างไร “เรโกลิธบนดาวอังคารไม่ได้ยอดเยี่ยมในการป้องกันรังสีที่คุณสัมผัสบนพื้นผิว” แมทธิวกล่าว การออกแบบโดมจะมีวัสดุระหว่างหนึ่งถึงสามฟุตระหว่างผู้คนในที่อยู่อาศัยและสภาพแวดล้อมภายนอก แต่นั่น คงไม่เพียงพอ เพื่อปกป้องนักบินอวกาศที่อยู่ภายใน

การเพิ่มกำมะถันใน regolith เพื่อสร้าง marscrete ช่วยได้ แต่ทีมงานยังได้เพิ่มเส้นใยโพลีเอทิลีนลงในส่วนผสมซึ่งจะเพิ่มเอฟเฟกต์การป้องกัน โครงสร้างที่พองตัวภายในจะมีโพลิเอธิลีนมากขึ้นเพื่อการป้องกันที่สมบูรณ์ โพลิเอธิลีนนี้สามารถกินเนื้อคนได้จากการบุของยานอวกาศไร้คนขับซึ่งจะนำเสบียงระลอกแรกไปยังดาวอังคาร

บทบาทของสถาปัตยกรรม

การออกแบบที่อยู่อาศัยไม่ได้เกี่ยวกับความท้าทายทางวิศวกรรมเท่านั้น นอกจากนี้ยังเกี่ยวกับการสร้างพื้นที่ที่ผู้คนสามารถใช้ชีวิตและทำงานได้อย่างสะดวกสบายเป็นระยะเวลานาน โดยอาจอยู่ภายใต้ความเครียดหรือประสบกับความโดดเดี่ยวอย่างสุดซึ้ง

ถิ่นที่อยู่ของทีม Zopherus แบ่งออกเป็นสามส่วน: ห้องทดลองสำหรับปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ หน่วยชุมชน และลูกเรือ ยูนิตสำหรับความต้องการ เช่น สุขอนามัยและห้องนอน โดยมีความเป็นไปได้ที่สามารถเพิ่มยูนิตได้มากขึ้นตามภารกิจ ความต้องการ

พวกเขาต้องการพื้นที่เพื่อรองรับทั้งความต้องการในทางปฏิบัติและความต้องการด้านจิตใจของนักบินอวกาศที่อยู่ที่นั่น ซึ่งสะท้อนให้เห็นในการออกแบบหน่วยชุมชน “เราเน้นที่ว่างนั้นรอบ ๆ ช่องเปิดขนาดใหญ่ที่ชั้นบน” เขากล่าว หน้าต่างบานใหญ่ช่วยให้นักบินอวกาศสามารถมองออกไปยังพื้นผิวดาวอังคารได้ในขณะที่อยู่ภายในอย่างปลอดภัยและสะดวกสบาย “เราต้องการเพิ่มความสามารถของนักบินอวกาศให้สูงสุดในการมองเห็นสภาพแวดล้อมและเชื่อมต่อกับมัน”

นั่นเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำงานให้สำเร็จ เช่น การใช้แขนกลเพื่อเคลื่อนย้ายสิ่งต่างๆ ออกไปด้านนอก แต่ก็มีประโยชน์ทางจิตใจที่สำคัญเช่นกัน “ถ้าคุณถูกขังอยู่ในอวกาศประมาณหนึ่งพันตารางฟุตเป็นเวลาหนึ่งปีบนดาวดวงหนึ่งที่ต้องการจะฆ่าคุณ ทุกที่ยกเว้นที่ที่คุณอาศัยอยู่ การรู้สึกว่าคุณไม่ได้อยู่ในกระป๋องนั้นมีประโยชน์จริงๆ” เขากล่าว

ทีมงานยังได้เพิ่มสวนไฮโดรโปนิกส์ในพื้นที่นี้ทั้งเพื่อให้พืชได้รับแสงและอื่นๆ นักบินอวกาศที่เดินอยู่ด้านล่างจะเพลิดเพลินไปกับการหยุดพักทางจิตใจเหมือนกำลังเดินผ่าน พื้นที่ป่า สำหรับ Lane การสร้างสมดุลระหว่างความต้องการทางปฏิบัติและทางจิตวิทยานี้คืองานหลักของสถาปนิก “สถาปนิกเชื่อมโยงระหว่างความต้องการของมนุษย์กับสภาพแวดล้อมทางกายภาพ” เขากล่าว “สภาพแวดล้อมทางกายภาพที่มีคนอยู่นั้นส่งผลต่อจิตใจและการปฏิบัติงานด้วย”

วิธีที่เขาคิดเกี่ยวกับมันไม่ได้อยู่ในเงื่อนไขของความต้องการด้านภารกิจและความต้องการด้านจิตใจที่แยกจากกัน แต่เขามองว่าสิ่งเหล่านั้นเชื่อมโยงกัน “ความต้องการทางจิตใจเหล่านี้เป็นความต้องการที่ใช้งานได้จริงเมื่อคุณต้องติดต่อกับมนุษย์” เขากล่าว “เพราะจิตวิทยาของนักบินอวกาศของคุณส่งผลโดยตรงต่อการปฏิบัติภารกิจของพวกเขา”

การออกแบบเพื่อประโยชน์ของนักบินอวกาศในทางจิตวิทยาไม่ได้เกี่ยวกับการทำให้อาคารน่าดึงดูดเพราะเห็นแก่มัน แต่เกี่ยวกับการหาทางออกที่ดีที่สุดสำหรับปัญหาการออกแบบ พระองค์ทรงชี้ให้เห็นถึงความสง่างามและงดงามในหลายแง่มุมของวิศวกรรมอวกาศ “มีบางอย่างที่สวยงามเกี่ยวกับการออกแบบที่เข้ากับปัญหาได้ดี” เขากล่าว คล้ายกับความงามโดยธรรมชาติในรูปทรงออร์แกนิกหลายๆ แบบ “ตามข้อจำกัดในทางปฏิบัติของปัญหาการออกแบบ และคำนึงถึงสุขภาพของผู้อยู่อาศัยและ สุขภาพและจิตวิทยาส่งผลให้เกิดการออกแบบที่น่าพึงพอใจมากขึ้น”

“คุณไปไกลเกินไปในการทำสิ่งที่สวยงาม” เขากล่าว “แต่การทำให้มันใช้งานได้ดีสำหรับคนที่กำลังจะไปอาศัยอยู่ สำหรับผมแล้ว ถือเป็นการพิจารณาที่นำไปใช้ได้จริง”

ลงใต้ดิน

ผู้เชี่ยวชาญทั้งสองเห็นพ้องต้องกันว่าอนาคตของการออกแบบที่อยู่อาศัยบนดาวอังคารมีความเป็นไปได้มากมาย รวมถึงอาจมีการเคลื่อนที่ใต้พื้นผิวด้วย การสร้างฐานใต้ดินมีข้อดีหลายอย่าง เช่น ทำให้ผู้คนปลอดภัยจากรังสีและพายุฝุ่น แต่ก็มีความท้าทายเช่นกัน

เมื่อพูดถึงการก่อสร้างใต้ดิน “ยังมีสิ่งที่ไม่รู้อีกมากมาย” Troemner กล่าว มีหลายอย่างที่เราไม่รู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของพื้นผิวดาวอังคารและวิธีการสร้างในสภาพแวดล้อมนั้น “อย่างน้อยสำหรับก้าวแรก หากเรากำลังพูดถึงอนาคตอันใกล้ บางสิ่งที่อยู่บนพื้นผิวจะดูสมเหตุสมผลกว่า เพราะไม่มีสิ่งแปลกปลอมในระดับเดียวกับที่จะเกิดขึ้นเมื่อขุดลงไป”

เมื่อเราอยู่บนดาวอังคารระยะหนึ่งแล้ว สิ่งนั้นอาจเปลี่ยนไป “ในระยะยาว หลังจากที่คุณสร้างโครงสร้างเริ่มต้นสองสามชิ้นแรกแล้ว คุณจะมียานสำรวจมากขึ้นบนพื้นผิว อาจจะเป็น คุณมีนักบินอวกาศอยู่บนผิวน้ำ ดังนั้นฐานทัพใต้ดินอาจเป็นหนทางไปสู่อนาคต” เขากล่าว

เลนเห็นด้วย เขาคิดว่าภารกิจแรกสู่ดาวอังคารอาจเกี่ยวข้องกับผู้คนที่อยู่ใน “สิ่งของบนพื้นผิวซึ่งส่วนใหญ่มาจากโลก” เช่น ภารกิจอพอลโลไปยังดวงจันทร์ แต่สำหรับผู้คนจำนวนมากที่เข้าพักเป็นเวลานาน คุณต้องมีโครงสร้างพื้นฐานที่ถาวรมากขึ้น “เมื่อถึงจุดนั้น คุณก็เริ่มลงใต้ดินหรือพิมพ์ 3 มิติที่อยู่อาศัยของคุณ” เขากล่าว

ในที่สุด Lane ก็จินตนาการถึงที่อยู่อาศัยที่หลากหลายซึ่งออกแบบและสร้างโดยหน่วยงานอวกาศหรือบริษัทต่างๆ “เราจะได้เห็นแหล่งที่อยู่อาศัยของเราที่เรากำลังสร้างขึ้นมีความหลากหลายมากขึ้น เพราะความต้องการของเราจะหลากหลายมากขึ้น และเราจะต้องรองรับขนาดที่มากขึ้น” เขากล่าว จากความหลากหลายนั้น เราจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมว่าวิธีที่ดีที่สุดในการมีชีวิตอยู่บนดาวดวงอื่นคืออะไร ซึ่งจะช่วยให้เราสร้างที่อยู่อาศัยที่ดียิ่งขึ้นในอนาคต “ซึ่งเป็นสิ่งที่ผมตื่นเต้นมากในทศวรรษหน้าของมนุษย์ที่ออกไปผจญภัยบนดวงจันทร์และดาวอังคาร”

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตบนดาวอังคารซีรีส์ 10 ตอนที่สำรวจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำสมัยที่จะช่วยให้มนุษย์สามารถยึดครองดาวอังคารได้

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• Cosmic comms: มนุษย์กลุ่มแรกบนดาวอังคารจะสื่อสารกับโลกอย่างไร
• โหราศาสตร์: วิธีมีสติบนดาวอังคาร
• บรรยากาศเทียม: เราจะสร้างฐานที่มีอากาศถ่ายเทบนดาวอังคารได้อย่างไร
• Astroagriculture: เราจะปลูกพืชบนดาวอังคารได้อย่างไร
• ฝุ่นบนดาวอังคารเป็นปัญหาใหญ่สำหรับนักบินอวกาศ นี่คือวิธีที่ NASA ต่อสู้กับมัน