Як перші поселенці Марса створять середовище існування з ґрунту

Що стосується людей, які відвідують Марс і їм потрібно десь зупинитися, NASA має амбітний план: використовувати сировину, знайдену на планеті, для 3D-друку середовища існування на місці. Це було предметом конкурсу 3D-Printed Habitat Challenge, який агентство запустило кілька років тому, і запросило команди дизайнерів, щоб запропонувати найкраще рішення проблеми.

Отже, як же ми перетворимо купу марсіанського пилу на затишний дім? Щоб з’ясувати це, ми поговорили з двома експертами, які брали участь у цьому конкурсі — архітектором Треєм Лейном із переможної команди Zopherus та інженера Метью Троемнера з команди Північно-західного університету — про те, як спроектувати та побудувати середовище існування на іншому планета.

Ця стаття є частиною Життя на Марсі, серія з 10 частин, яка досліджує передові науки та технології, які дозволять людям заселити Марс.

Використання місцевих ресурсів

При плануванні а місце існування для Марса, найбільше обмеження полягає в тому, скільки матеріалу ви можете привезти з Землі. Кожен зайвий грам маси, завантажений на ракету, має значну вартість палива, тому просто неможливо взяти з собою будівельних матеріалів на суму, рівну будівлі. Ось чому перші місця проживання потрібно буде побудувати з використанням сировини, доступної на Марсі.

Це, безумовно, інший спосіб підходу до будівництва, як сказав нам Трей Лейн, архітектор із команди Zopherus, яка перемогла в конкурсі.

У своїх ранніх дослідженнях Лейн не знайшов багато чого в широкомасштабних проектах 3D-друку з використанням місцевих матеріалів, тому він звернувся до несподіваного джерела натхнення: комах. «Ми почали шукати ос, павуків і жуків», — сказав він. «Протягом сотень мільйонів років вони, по суті, робили 3D-друк, щоб створити середовище проживання». Комахи виходять у навколишнє середовище, знаходять ресурсів, переробити їх у придатний для використання матеріал і створити найбільш практичне середовище існування для задоволення їхніх потреб — саме так, як хотів зробити Лейн. «Чесно кажучи, ми виявили, що комахи є кращими моделями того, як побудувати надруковане на 3D-принтері автономне середовище існування, яке використовує місцеві ресурси, ніж люди».

Його команда передбачила середовище існування, яке включало б марсоходи, які виходили б у навколишнє середовище та збирали матеріали, а потім повертали їх для подальшого будівництва. «У багатьох відношеннях це схоже на оса, яка йде і жує трохи місцевих ресурсів, перетворює їх на пап’є-маше і будує з них своє гніздо».

Застосування такого підходу до будівництва має переваги як на Марсі, так і на Землі. «Той факт, що ви використовуєте місцеві ресурси, має величезне значення для космічних місій», — сказав він. Замість того, щоб покладатися на довгі ланцюжки поставок, ви можете бути набагато ефективнішими з точки зору матеріалів та енергії. Крім того, підхід 3D-друку безпечніший за традиційне будівництво. «Будівництво — це галузь, схильна до ризику... Отже, якщо ви можете виконувати певні аспекти цього автономно, ви також отримуєте вигоду щодо безпеки».

3D-друк також може бути швидшим і дешевшим, і це забезпечує певну свободу дизайну. «З точки зору архітектора, під час 3D-друку відкривається певна свобода», — сказав він. Вам не потрібно покладатися на матеріали масового виробництва, такі як два на чотири, які мають тенденцію бути плоскими та прямими, тож ви можете створювати більш складні форми. «Це звільняє вас від створення дизайну, який буде відповідати індивідуальному рішення».

Як надрукувати середовище існування на 3D

Коли ви думаєте про 3D-друк, ви, швидше за все, думаєте про настільний пристрій для друку елементів шириною в кілька дюймів. Коли справа доходить до 3D-друку масштабу інфраструктури, вам потрібне набагато більше обладнання, але воно концептуально схоже процес — «якщо ви використовуєте схоже програмне забезпечення, ви використовуєте схожі техніки руху», як сказав Метью Тромнер, доктор філософії. кандидат у Північно-Західному університеті та керівник команди університету з вивчення середовища існування Марса, пояснив.

Різниця полягає в способі нанесення матеріалу. У настільних 3D-принтерах використовується метод плавленого осадження, «який, по суті, схожий на розплавлену пластикову нитку», — сказав Тромнер. І хоча це можливо збільшити, для друку на Марсі команда Тромнера хотіла використовувати інший тип матеріалу під назвою marscrete або марсіанський бетон. «Ми попередньо змішуємо матеріал, створюємо свого роду пасту, а потім екструдуємо її», перш ніж дати їй затвердіти або затвердіти, — пояснив він.

Marscrete виготовляється шляхом змішування марсіанського реголіту — пилової ґрунтоподібної речовини, яка покриває поверхню планети — з сіркою. Сіркобетон використовується на Землі десятиліттями, він міцний і стійкий до зносу, що робить його ідеальним для будівництва на Марсі. Після того, як він змішаний, його можна скласти у форми, щоб сформувати середовище існування.

«Для застосування на Марсі або в космосі у вас буде якась рука, яка рухається та відкладає матеріал», — сказав він. На Землі механізми типу «рука» менш популярні, ніж механізми типу «портал» для великомасштабного друку, оскільки вони можуть друкувати лише в обмеженому розмірі — по суті, в межах досяжності руки. Але чим складніше обладнання для друку, тим більше речей може піти не так. Під час будівництва на іншій планеті важливо робити речі максимально простими.

Команда Трьомнера запропонувала використовувати надувну посудину під тиском — по суті, гігантську міцну повітряну кулю, — яка буде наповнений повітрям, щоб утворити куполоподібну форму, з важільним механізмом, який використовується для друку марскриту поверх цього. Посудина під тиском пропускає повітря всередину та випромінювання, а марскрит робить конструкцію міцною та довговічною.

Проблеми будівництва на Марсі

Марс негостинний як для людей, так і для будівель. Для початку, на планеті спостерігаються коливання температури, коли температура навколо екватора коливається від найвищої від 70 градусів за Фаренгейтом (21 градус за Цельсієм) протягом дня до мінус 100 градусів за Фаренгейтом (мінус 73 за Цельсієм) у ніч. Це створює велике навантаження на будівельні матеріали.

«Ми хотіли мати структури, які могли б розширюватися і стискатися незалежно одна від одної», — сказав Тромнер, щоб дозволити розширення і звуження протягом дуже холодних ночей і відносно теплих днів на Марсі. І конструкції мають бути достатньо міцними, щоб витримати накопичення пилу з планети пилові бурі. «Якщо у вас є купа піску на половині вашої конструкції, ви маєте незбалансоване завантаження, що це дасть?» — пояснив він. Пилові бурі також можуть вплинути на будівництво, тобто необхідно врахувати час простою.

Ось чому команда Трьомнера придумала ідею куполів. «Купола мають гарну форму для теплового розширення, а також для накопичення піщаних дюн», — сказав він, і вони дуже добре розподіляють навантаження. Будівельникам насправді трохи допомагає знижена гравітація на Марсі, «тому вам потрібно менше структурних елементів, вам потрібна легша частина обладнання».

Одне велике питання полягає в тому, як захистити марсіанських астронавтів від небезпечної радіації. «Марсіанський реголіт насправді не настільки чудовий для захисту від радіації, яку ви відчуваєте на поверхні», — сказав Метью. Конструкція купола мала б від одного до трьох футів матеріалу між людьми всередині середовища існування та зовнішнім середовищем, але це було б недостатньо щоб захистити астронавтів всередині.

Додавання сірки до реголіту для виготовлення марскриту допомагає, але команда також додала до суміші поліетиленові волокна, які додадуть ефекту екранування. Для повного екранування внутрішня надута конструкція також має мати більше поліетилену. Цей поліетилен можна буде вилучити з обшивки космічного корабля без екіпажу, який доставить першу хвилю поставок на Марс.

Роль архітектури

Однак проектування середовища існування — це не лише інженерні завдання. Це також створення простору, в якому люди можуть комфортно жити та працювати протягом тривалого періоду часу, потенційно перебуваючи під сильним стресом або відчуваючи глибоку ізоляцію.

Середовище проживання команди Зоферуса було поділено на три модулі: лабораторія для наукових операцій, комунальний блок і екіпаж підрозділ для таких потреб, як санітарія та спальні приміщення, з можливістю додавання інших підрозділів залежно від місії потреби.

Вони хотіли, щоб простір відповідав як практичним потребам, так і психологічним потребам астронавтів, які там перебувають, що знайшло відображення в тому, як вони спроектували комунальний блок. «Ми справді орієнтували цей простір навколо великого отвору на верхньому рівні», — сказав він. Велике вікно дозволяє астронавтам дивитися на поверхню Марса, залишаючись у безпеці та комфортно всередині. «Ми хотіли максимізувати здатність астронавтів бачити навколишнє середовище та спілкуватися з ним».

Це важливо для виконання таких завдань, як, наприклад, використання механічної руки для переміщення речей на вулиці. Але є також значна психологічна користь. «Якщо вас закривають приблизно в тисячу квадратних футів простору протягом року на планеті, яка хоче вас убити скрізь, крім того, де ти живеш, відчуття, ніби ти не в бідоні, справді корисно», – сказав він.

Команда також додала в цей простір гідропонний сад, щоб рослини могли отримувати світло та для цього астронавти, які йшли внизу, насолоджувалися психологічною перервою від відчуття, ніби вони йшли крізь a лісистий простір. Для Лейна збалансування цього перетину практичних і психологічних потреб є ключовою роботою архітектора. «Архітектори взаємодіють між потребами людей і фізичним середовищем», — сказав він. «Фізичне середовище, в якому хтось перебуває, впливає на нього психологічно, а також оперативно».

Він думав про це не з точки зору окремих потреб місії та психологічних потреб. Натомість він вважає їх взаємопов’язаними. «Ці психологічні потреби насправді є практичними потребами, коли ви маєте справу з людиною», — сказав він. «Тому що психологія ваших астронавтів безпосередньо впливає на їх виконання місії».

Проектування для психологічної користі астронавтів полягає не в тому, щоб зробити будівлю привабливою заради неї, а в тому, щоб знайти найкраще рішення проблеми дизайну. Він вказав на елегантність і красу багатьох аспектів космічної техніки. «У дизайні дійсно є щось прекрасне, що добре відповідає проблемі», — сказав він, подібно до внутрішньої краси багатьох органічних форм. «Дотримуючись прагматичних обмежень проблеми проектування та беручи до уваги здоров’я мешканців та оздоровлення та психологія призводить до чогось, що, ймовірно, буде більш естетично привабливим дизайном».

«Ви можете зайти занадто далеко, створюючи щось гарне», — сказав він. «Але зробити так, щоб він добре працював для людини, яка збирається його населяти, для мене є дуже практичним міркуванням».

Піти під землю

Обидва експерти погодилися, що майбутнє дизайну середовища проживання на Марсі має багато можливостей, включаючи потенційне переміщення під поверхнею. Будівництво підземної бази має багато переваг, наприклад захист людей від радіації та пилових бур. Але тут також є свої виклики.

Коли мова заходить про підземне будівництво, «тут ще так багато невідомих», — сказав Тромнер. Ми багато чого не знаємо про склад надр Марса та про те, як будувати в цьому середовищі. «Принаймні для першого кроку, якщо ми говоримо про найближче майбутнє, щось на поверхні має більше сенсу, оскільки немає тих самих рівнів невідомості, які були б під час копання».

Щойно ми деякий час побудемо на Марсі, це може змінитися. «У довгостроковій перспективі після того, як ви створили перші кілька початкових структур, у вас на поверхні з’явилося більше марсоходів, можливо, у вас були астронавти на поверхні, то, можливо, підземна база — це шлях у майбутньому», — сказав він.

Лейн погодився. Він думав, що перша місія на Марс може передбачати перебування людей у ​​«речах на поверхні, які в основному прийшли із Землі», як місії «Аполлон» на Місяць. Але для більшої кількості людей, які залишаються на довші періоди часу, вам потрібна більш постійна інфраструктура. «У цей момент ви починаєте йти під землю або друкувати на 3D-принтері свої середовища проживання», — сказав він.

Зрештою, Лейн передбачив широкий спектр середовищ існування, розроблених і побудованих різними космічними агентствами або компаніями. «Ми побачимо більше різноманітності в наших середовищах існування, які ми створюємо, тому що наші потреби будуть більш різноманітними, і нам потрібно буде пристосуватися до більшого масштабу», – сказав він. З цієї різноманітності ми дізнаємося більше про найкращий спосіб жити на іншій планеті, що допоможе нам створити ще кращі середовища проживання в майбутньому. «Це те, що мене дуже хвилює, у найближчі десятиліття, коли люди вирушать на Місяць і Марс».

Ця стаття є частиною Життя на Марсі, серія з 10 частин, яка досліджує передові науки та технології, які дозволять людям заселити Марс.

Рекомендації редакції

• Космічні повідомлення: як перші люди на Марсі спілкуватимуться із Землею
• Астропсихологія: як залишатися здоровим на Марсі
• Штучні атмосфери: як ми побудуємо базу з придатним для дихання повітрям на Марсі
• Астроагрокультура: як ми будемо вирощувати зернові культури на Марсі
• Марсіанський пил є великою проблемою для астронавтів. Ось як NASA бореться з цим