Джеффри Монтес стоит высоко на лестнице посреди грязной арены, щурясь на глаз, похожий на самую большую в мире вазу. Его хаки и черная футболка замечательно опрятны для тех, кто использует красную слизь, чтобы построить модель в масштабе одной трети того, что может когда-нибудь стать домом на Марсе. Чистота происходит, когда вы передаете грязную работу роботу.
Монтес и его коллеги из архитектурной фирмы AI SpaceFactory находятся в пещерном выставочном зале около Пеории, штат Иллинойс, чтобы показать НАСА, как астронавты могут использовать 3D-печать и марсианские материалы для строительства домов на Красной планете. Потратив большую часть 30 часов, наблюдая за тем, как их изготовленный на заказ принтер истекает из шоколадного дома «Марша», у них остается всего несколько минут до того, как агентство вызовет время в своем 3D-печатном конкурсе Хабитат. Единственное соревнование компании за приз в размере 500 000 долларов - команда из Университета штата Пенсильвания - за несколько минут до этого завершила свое серое бетонное двойное иглу.
Подумайте о жилье на Марсе, и это та форма, которая может прийти в голову. Но Монтес, архитектор, который потратил 17 месяцев на разработку Marsha (для среды обитания на Марсе) и оборудования для его печати, видит нечто, похожее на банку. Или урна. Или яйцо. «У него даже есть это гермафродитное качество, где снаружи это своего рода фаллическое, а внутри это…», - он делает паузу. «Каким бы ни было противоположное фаллическому». (Йоник.) Внутри Монтес представляет несколько этажей, где жители Красной планеты будут жить, работать и играть, и окно в крыше, под которым они будут смотреть на звездное небо или греться на солнце, преломленном сквозь тонкая марсианская атмосфера. Но это означает, что нужно закрепить круглое окно на 15-футовой конструкции, которая все еще мягкая. Смесь схватывается быстро, но не достаточно быстро, чтобы соответствовать надвигающемуся сроку НАСА. Когда сопло принтера поднимается выше,
Робот финиширует с запасными тремя минутами, а затем устанавливает поликарбонатный световой люк на место. Оставшиеся секунды и десятки людей, включая съемочную группу из НАСА, смотрят, как Монтес дает приказ выпустить его. Все затаили дыхание, надеясь, что Марша не провалится.
Людям, оседающим на Марсе , в некоторой степени придется жить за пределами земли. Ближайшая соседняя планета находится на расстоянии 35 миллионов миль. Транспортировка там будет стоить примерно 5000 долларов за фунт и займет не менее шести месяцев с использованием современных технологий. Лучше, когда это возможно, использовать природные ресурсы своего нового дома - подход, называемый использованием ресурсов на месте. «Это полностью меняет логистику миссии», - говорит Адвенит Макая, инженер по материалам, который разрабатывает такие процессы, как 3D-печать, в Европейском космическом агентстве. «Вам не нужно брать с собой все».
Люди на Красной планете могут получать энергию от солнца, добывать воду из погребенного льда и собирать кислород из атмосферы. При поддержке НАСА архитекторы, инженеры и ученые изучают, как жители могут использовать переработанные отходы и сыпучую скалу и пыль планеты, называемую реголит, для изготовления инструментов, возведения домов, прокладки площадок и дорог и многого другого.
Роверс и зонды достаточно подробно рассказали о марсианской геологии, чтобы мы могли понять, как это может работать. Поверхность содержит изобилие железа, магния, алюминия и других полезных металлов, найденных здесь дома. Ученые также считают, что кора состоит в основном из вулканического базальта, очень похожего на высушенные лавовые поля на Гавайях.
Здесь, на Земле, исследователи часто используют измельченный базальт в качестве аналога марсианского реголита. Они могут нагревать и сжимать песчаный материал, процесс, называемый спеканием, для создания тротуарной плитки. В 2015 году НАСА и аэрокосмическое агентство Тихоокеанского международного космического центра по исследованию систем сделали именно это, а робот-вездеход по имени Хелелани использовал асфальтоукладчик для создания стартовой площадки диаметром 66 футов. Уплотненный реголит может даже держаться вместе без тепла, согласно команде Юй Цяо из Университета Калифорнии в Сан-Диего. Их исследование 2017 года показывает, что оксид железа, придающий Марсу ржавый оттенок, может служить связующим веществом.
Тем не менее, если вы создаете что-то более сложное, чем блоки, реголит может быть проблемой. Ему не хватает пластичности, из-за которой глиной легко манипулировать. Работая независимо, команда Макаи в Европейском космическом агентстве и исследователи из Северо-западного университета печатали инструменты и мелкие предметы, включая шестерни и блоки. Но их метод требует смешивания реголита с растворителями и липким связующим веществом - все это должно быть перенесено с Земли или сделано на Марсе.
Дэвид Карл, специалист по материалам и докторант в Техническом университете Берлина, считает, что есть более простой путь. Он работает в исследовательской лаборатории, которая создает передовую керамику для электроники, биомедицинских имплантатов и других приложений. Его опыт в искусстве делает его склонным говорить такие вещи, как «Цемент выглядит невероятно под микроскопом». Несколько лет назад он и его научный руководитель Александр Гурло (который также возглавляет лабораторию) размышляли о том, как астронавты могут использовать реголит без необходимость добавить что-либо, вытащенное через пространство. Им пришло в голову, что все, кто пытался разгадать эту загадку, упустили из виду древнее решение: смешать материал с водой, что люди всего мира делали для изготовления керамики из керамики в течение не менее 30 000 лет.
Они обратились к относительно простому методу гончарного производства, называемому литьем слипом. Это требует, чтобы вылили густую смесь глины и воды, названную скольжением, в гипсовую форму и позволили этому установить. Затем вы выбрасываете лишний материал и убираете объект для обжига в печи. Вместо того, чтобы использовать глину, Карл и Гурло попробовали ее с имитированным реголитом, названным JSC-Mars-1A, который НАСА разработала в 1998 году, и круглой формой с Королевского фарфорового завода в Берлине. «Вы не представляете, как трудно было убедить инженеров, с которыми я здесь работаю, сделать несколько глупых ваз как большой проект», - говорит Карл.
Созданные ими гладкие приземистые вазы напоминают терракоту и не выглядят неуместными, наполненными цветами. Карл видит, как зелень прорастает с таких же сосудов в гидропонных садах в другом мире. Он также считает, что доработка этого процесса может позволить астронавтам забрасывать грязь Красной планеты в более сложные формы с помощью 3D-принтера.
Вазы Карла дают представление о том, как жители Марса могут создавать повседневные предметы, но НАСА хочет, чтобы архитекторы и инженеры подумали, где могут жить эти пионеры. Четыре года назад агентство пригласило их принять участие в конкурсе 3D-Printed Habitat Challenge.
Участники прошли три этапа нарастания конкуренции. Первый, завершенный в 2015 году, призвал команды для создания архитектурных визуализаций их среды обитания. Два года спустя абитуриенты должны были разработать инструменты, необходимые для 3D-печати жилищ, и создать балки, купола и другие элементы конструкции, необходимые для их возведения. Команды приходили и уходили по ходу соревнования, пока только двое не вошли в финальное и самое сложное событие этого года
Согласно правилам, насчитывающим 76 страниц, каждая группа должна была напечатать модель в масштабе одной трети среды обитания из четырех человек с как минимум тремя отверстиями в течение 30 часов. Судьи присуждают баллы за использование таких материалов, как имитированный реголит, и, поскольку в конкурсе особое внимание уделяется автоматизированной конструкции, вычитаются баллы за вмешательство, скажем, в суету программного обеспечения принтера или очистку засоренного сопла.
НАСА нравится идея создания роботов, потому что места обитания могут быть готовы до прибытия людей. Архитектор Шади Назарян нашла свой путь к марсианскому дизайну дома, изучая, как 3D-принтеры могут построить более устойчивое жилье здесь, на Земле. Она возглавляет лабораторию в Университете штата Пенсильвания, которая изучает создание плавных переходов между разнородными материалами, такими как стекло и бетон, - метод, который устраняет соединения, которые требуют уплотнения или эпоксидной смолы. Такой трюк был бы полезен на Красной планете, где сооружения должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать интенсивное повышение давления и защищать жителей от холодных температур и солнечного излучения. Поэтому она и ее коллеги, архитектор Хосе Дуарте и инженер-электрик Свен Билен, участвовали в конкурсе НАСА два года назад.
Монтес, главный космический архитектор конкурента Penn State, AI SpaceFactory, призвал фирму войти после того, как он присоединился к ней в 2017 году. Дэвид Малотт, чье резюме включает три самых высоких здания в мире, основал нью-йоркскую компанию частично в ответ на что он считает отходами в строительной отрасли. Дизайн для космоса подчеркивает местные материалы и устойчивость, и требует предвосхищения психологических потребностей астронавтов. Малот хочет показать, как такие принципы могут работать на Земле.
Вы видите эти проблемы, отраженные в Марше. Монтес предпочитал башню, потому что она максимально использовала пространство. Форма также легко разделяется на полы, а наращивание, а не извлечение, пригодно для 3D-печати. Он считает, что окно в крыше, изогнутые стены и внутренняя оболочка, похожая на швейцарский сыр, добавят разнообразия и особенностей повседневной жизни в отдаленном мире.
Для создания модели внешней оболочки Marsha потребовались первые месяцы, чтобы разработать 3D-принтер и выпуклость, которую он выплевывает. Команда Монтеса создала огромную машину с готовой форсункой, называемой экструдером, с модифицированными захватами и различными датчиками. Они установили все это оборудование на манипулятор, похожий на тот, который вы видели на сварочных кузовах или покраске автомобилей на конвейере. «Чернила», которые укладывает слой за слоем, следуя инструкциям компьютера, представляют собой смесь перерабатываемого пластика, выращенного бактериями и мелкими базальтовыми волокнами, которые теоретически можно почерпнуть из марсианской породы. «Просто вытащить материал на улицу, это был счастливый день», - говорит Малотт.
В первый день майских соревнований 2019 года строительство Хабитат началось не сразу . Команды работали в огромном выставочном зале, принадлежащем производителю тяжелой техники Caterpillar, который обычно использует пространство для демонстрации землеройных машин и других больших машин. Арена ненадолго утратила силу, что привело к сбоям в программах принтеров команд, а шаткие выдавливания требовали периодического устранения неполадок. Судьи осторожно предупредили Монси Романа из НАСА, который наблюдал за каждым из этапов, предшествовавших финальному событию, чтобы подготовиться к разочарованию. Но в течение дня обе команды обрели свою динамику, и завораживающий шум печатников привлек сотрудников компании и студентов, которые наблюдали за ходом полевых работ, чтобы наблюдать, как строятся все новые и новые формы.
Команда Penn State использовала промышленную роботизированную руку, оснащенную экструдером, но затопила свой план по созданию чего-то, что она называет MarsCrete, потому что материал, разработанный для холодной среды Марса, слишком быстро схватывается при комнатной температуре. Команда перешла на бетон, изготовленный из обычного цемента, но смесь застрянет в аппарате, если машина остановится или остановится слишком долго. «Печать с помощью бетона очень, очень сложно», - говорит геолог-планет Дженнифер Эдмунсон, которая была среди судей. Тем не менее, команда завершила свою самую высокую структуру на 11 минут раньше. Приветствия разразились, когда машина запечатала среду обитания, которую некоторые из толпы называли «Молочной королевой», потому что ее двойные 13-футовые пики напоминали огромные вихри мягкого мороженого.
Текстура Марши выглядела как старый свитер, каждый кусочек, шов и свободная нить указывают на паузу или отклонение в процессе наслоения. Монтес сделал все возможное, чтобы минимизировать уродства, управляя роботом медленнее, но со временем потерял эту роскошь. Оставив секунды и опустив верхнюю часть, Монтес отдал приказ освободить окно в крыше. Стены на мгновение удерживались, затем ободок просел внутрь, и окно с глухим стуком упало на пол. Монтес спустился по лестнице под нерешительные аплодисменты. «Если вы хотите драму, есть драма», - сказал он съемочной группе НАСА.
Некоторые задавались вопросом, обречен ли кувырок шансом AI SpaceFactory на победу, хотя команда заработала высокие баллы в нескольких категориях и реже вмешивалась в ее автоматическую печать, чем команда из штата Пенсильвания. После того, как среды обитания вылечились в течение ночи, судьи потратили несколько часов, беспощадно избивая их, чтобы убедиться, что они герметичны, проверить их ударопрочность и оценить их прочность. Молочная Королева оказалась удивительно сильной во время симулированного удара метеорита, выдерживая множество все более тяжелых шариков, пока последний, 26-фунтовый, не снял небольшой кусок крыши. Более впечатляюще то, что конструкция противостояла сокрушительному вертикальному нападению 96-тонного экскаватора - по крайней мере, на пару минут, прежде чем рухнуть из-за ударной трещины боулера, наносящего удар.
Строго говоря, Марша была неполной, потому что ей не хватало крыши. Это явно не было воздухонепроницаемо: среда обитания испускала большие струи разноцветного дыма, когда один из участников соревнований бросил в него пробную вспышку. Судьи также не видели смысла сбрасывать на него фальшивые метеориты. Модель, однако, сдала только несколько маленьких кусков экскаватору, который поместил свое ведро на обод Марши и толкнул вниз с достаточным усилием, чтобы поднять переднюю часть грохота грохочущей машины над землей.
Потратив несколько часов на просмотр заметок и подсчет очков, судьи назвали AI SpaceFactory победителем. Монтес, ухмыляясь товарищам по команде, когда они держали негабаритный чек на 500 000 долларов, казался почти таким же довольным, как Роман НАСА, считавший сборку большим успехом. Несмотря на свои шрамы, места обитания предоставили, пожалуй, самое реальное свидетельство того, на что могут быть похожи дома в другом мире. «Они не идеальны, - сказала она, - но они прекрасны».