Когда дело доходит до людей, посещающих Марс и нуждающихся в том, чтобы где-то остановиться, у НАСА есть амбициозный план: использовать сырье, найденное на планете, для 3D-печати среды обитания на месте. Это было темой конкурса 3D-печати среды обитания, который агентство запустило несколько лет назад, в ходе которого команды дизайнеров предложили свое лучшее решение этой проблемы.
Итак, как именно мы превратим кучу марсианской пыли в удобный дом? Чтобы выяснить это, мы поговорили с двумя экспертами, которые участвовали в этом конкурсе, — архитектором Треем Лейном из команды — победителя Zopherus и инженером Мэтью Троемнером из команды Северо-Западного университета-о том, как спроектировать и построить среду обитания на другой планете.
Эта статья является частью Жизни на Марсе, серии из 10 частей, в которой исследуются передовые науки и технологии, которые позволят людям занять Марс.
Использование местных ресурсов
При планировании среды обитания для Марса самым большим ограничением является то, сколько материала вы можете привезти с Земли. Каждый лишний грамм массы, загруженный в ракету, имеет значительную стоимость с точки зрения топлива, поэтому просто невозможно взять с собой строительные материалы на стоимость здания. Вот почему первые места обитания должны быть построены с использованием сырья, доступного на Марсе.
Это, безусловно, другой подход к строительству, как сказал нам Трей Лейн, архитектор из команды Zopherus, победившей в конкурсе.
”С точки зрения архитектора, при 3D-печати открывается определенная свобода“.
В своих ранних исследованиях Лейн не нашел ничего особенного в масштабных проектах 3D-печати с использованием местных материалов, поэтому он обратился к неожиданному источнику вдохновения: насекомым. “Мы начали изучать ос, пауков и жуков”, - сказал он. ”В течение сотен миллионов лет они занимались, по сути, 3D-печатью для создания мест обитания". Насекомые выходят в окружающую среду, находят ресурсы, перерабатывают их в пригодный для использования материал и строят наиболее практичную среду обитания для удовлетворения своих потребностей — именно так, как хотел сделать Лейн. “Честно говоря, мы обнаружили, что насекомые являются лучшими моделями для построения 3D-печатной, автономной, локальной среды использования ресурсов, чем люди”.
Его команда представила себе среду обитания, включающую марсоходы, которые будут выходить в окружающую среду и собирать материалы, а затем возвращать их для дальнейшего строительства. “Во многом это похоже на осу, которая берет и пожирает немного местных ресурсов, превращает их в папье-маше и строит из этого свое гнездо”.
Применение такого подхода к строительству имеет свои преимущества, будь то на Марсе или на Земле. “Тот факт, что вы используете местные ресурсы, имеет огромное значение для космических миссий”, - сказал он. Вместо того чтобы полагаться на длинные цепочки поставок, вы можете быть гораздо более эффективными с точки зрения материалов и энергии. Кроме того, подход к 3D-печати более безопасен, чем традиционное строительство. “Строительство-отрасль, подверженная риску … Так что, если вы можете выполнять некоторые аспекты этого автономно, у вас также есть преимущество в плане безопасности”.
Кроме того, 3D-печать может быть быстрее и дешевле, и это обеспечивает определенную степень свободы дизайна. “С точки зрения архитектора, при 3D-печати открывается определенная свобода”, - сказал он. Вам не нужно полагаться на материалы массового производства, такие как два на четыре, которые, как правило, плоские и прямые, поэтому вы можете создавать более сложные формы. “Это освобождает вас от необходимости создавать дизайн, соответствующий индивидуальному решению”.
Как выполнить 3D-печать среды обитания
Когда вы думаете о 3D-печати, вы, вероятно, думаете о настольной машине для печати предметов шириной в несколько дюймов. Когда дело доходит до 3D-печати в масштабе инфраструктуры, вам требуется гораздо более мощное оборудование, но концептуально это схожий процесс — “в том, что вы используете аналогичное программное обеспечение, вы используете аналогичные методы перемещения”, - как объяснил Мэтью Тромнер, кандидат философии Северо-Западного университета и руководитель университетской команды Mars habitat.
Разница заключается в способе нанесения материала. Настольные 3D-принтеры используют метод плавленого осаждения, “по сути, похожий на расплавленную пластиковую струну”, - сказал Троемнер. И хотя это можно масштабировать, для печати на Марсе команда Троемнера хотела использовать другой тип материала, называемый marscrete, или Mars concrete. “Мы предварительно смешиваем материал, создаем своего рода пасту, а затем прессуем ее”, прежде чем позволить ей отверждаться или затвердевать,-объяснил он.
Марскрит получают путем смешивания марсианского реголита — пыльного грунтоподобного вещества,которое покрывает поверхность планеты, — с серой. Сернистый бетон используется на Земле в течение десятилетий и является прочным и устойчивым к износу, что делает его идеальным для строительства на Марсе. Как только он будет смешан, его можно разложить по формам, чтобы сформировать среду обитания.
“Для применения на Марсе или в космосе у вас должна быть какая-то рука, которая перемещает и откладывает материал”, - сказал он. На Земле рычажные механизмы менее популярны, чем портальные механизмы для крупномасштабной печати, поскольку они могут печатать только в ограниченном размере-по сути, в пределах досягаемости руки. Но чем сложнее печатающее оборудование, тем больше вещей может пойти не так. Есть ценность в том, чтобы все было как можно проще при строительстве на другой планете.
Команда Троемнера предложила использовать надувной сосуд под давлением — по сути, гигантский прочный баллон, — который будет заполнен воздухом, образующим куполообразную форму, а поверх него будет использоваться рычажный механизм для печати марбетона. Сосуд под давлением удерживает воздух внутри и излучение снаружи, а марбетон делает конструкцию прочной и долговечной.
Проблемы строительства на Марсе
Марс негостеприимен как для людей, так и для зданий. Для начала, на планете наблюдаются колебания температуры: температура вокруг экватора колеблется от 70 градусов по Фаренгейту (21 градус Цельсия) днем до минус 100 градусов по Фаренгейту (минус 73 Градуса Цельсия) ночью. Это создает большой стресс для строительных материалов.
“Мы хотели иметь структуры, которые могли бы расширяться и сжиматься независимо друг от друга”, - сказал Троемнер, чтобы обеспечить расширение и сжатие в течение очень холодных ночей и относительно теплых дней на Марсе. И конструкции должны быть достаточно прочными, чтобы противостоять накоплению пыли от частых пылевых бурь на планете. “Если у вас действительно есть куча песка на половине вашего сооружения, у вас есть несбалансированное состояние загрузки, что это будет делать?” - объяснил он. Пыльные бури также могут повлиять на строительство, что означает, что необходимо учитывать время простоя.
Вот почему команда Троемнера придумала идею куполов. “Купола являются хорошей формой для теплового расширения, а также для наращивания песчаных дюн”, - сказал он, и они очень хорошо распределяют нагрузки. Строителям на самом деле немного помогает также пониженная гравитация на Марсе: “Поэтому вам нужно меньше конструктивных элементов, вам нужно более легкое оборудование".
Одна большая проблема заключается в том, как защитить марсианских астронавтов от опасной радиации. “Марсианский реголит на самом деле не так уж хорошо защищает от радиации, которую вы испытали бы на поверхности”, - сказал Мэтью. Конструкция купола будет иметь от одного до трех футов материала между людьми внутри среды обитания и внешней средой, но этого будет недостаточно для защиты астронавтов внутри.
Добавление серы в реголит для изготовления бетона помогает, но команда также добавила в смесь полиэтиленовые волокна, которые усиливали бы защитный эффект. Для полного экранирования внутренняя надувная конструкция также должна иметь больше полиэтилена. Этот полиэтилен можно было бы извлечь из обшивки несъемного космического корабля, который доставит первую волну грузов на Марс.
Роль архитектуры
Однако проектирование среды обитания - это не только инженерные задачи. Речь также идет о создании пространства, в котором люди могут комфортно жить и работать в течение длительного периода времени, потенциально находясь в состоянии сильного стресса или испытывая глубокую изоляцию.
Среда обитания команды Зоферуса была разделена на три модуля: лабораторию для научных операций, коммунальное подразделение и подразделение экипажа для таких нужд, как санитария и спальные помещения, с возможностью добавления дополнительных подразделений в зависимости от потребностей миссии.
ПредыдущийСледующий
Они хотели, чтобы пространство отвечало как практическим потребностям, так и психологическим потребностям астронавтов, находящихся там, что нашло отражение в том, как они спроектировали общий блок. “Мы действительно сориентировали это пространство вокруг большого отверстия на верхнем уровне”, - сказал он. Большое окно позволяет астронавтам смотреть на поверхность Марса, оставаясь в безопасности и комфорте внутри. “Мы хотели максимально увеличить способность астронавтов видеть свое окружение и общаться с ним”.
Это важно для выполнения таких задач, как, например, использование механической руки для перемещения предметов снаружи. Но есть и значительная психологическая выгода. “Если вы заперты примерно на тысяче квадратных футов пространства в течение года на планете, которая хочет убить вас везде, кроме того места, где вы живете, ощущение, что вы не в банке, действительно полезно”, - сказал он.
Проектирование, направленное на психологическую выгоду астронавтов, заключается не в том, чтобы сделать здание привлекательным ради него, а в том, чтобы найти наилучшее решение проблемы проектирования.
Команда также добавила гидропонный сад в это пространство как для того, чтобы растения могли получать свет, так и для того, чтобы астронавты, идущие внизу, наслаждались психологическим отдыхом, ощущая, что они идут по лесистому пространству. Для Лейна балансирование этого пересечения практических и психологических потребностей является ключевой задачей архитектора. “Архитекторы взаимодействуют между потребностями людей и физической средой",” сказал он. “Физическая среда, в которой кто-то находится, влияет на него психологически, а также оперативно”.
Он думал об этом не с точки зрения отдельных потребностей миссии и психологических потребностей. Вместо этого он видит их взаимосвязанными. “Эти психологические потребности на самом деле являются практическими потребностями, когда вы имеете дело с человеком”, - сказал он. “Потому что психология ваших астронавтов напрямую влияет на их выполнение миссии”.
Проектирование, направленное на психологическую выгоду астронавтов, заключается не в том, чтобы сделать здание привлекательным ради него, а в том, чтобы найти наилучшее решение проблемы проектирования. Он отметил элегантность и красоту во многих аспектах космической техники. “В дизайне действительно есть что-то прекрасное, что хорошо подходит для решения этой проблемы”, - сказал он, подобно присущей красоте многих органических форм. “Следование прагматическим ограничениям проблемы дизайна, а также учет здоровья, хорошего самочувствия и психологии жильцов приводит к тому, что дизайн, вероятно, будет более эстетичным”.
“Ты можешь зайти слишком далеко, делая что-то красивое”, - сказал он. ”Но заставить его работать хорошо для человека, который будет в нем жить, для меня-это очень практичное соображение".
Уход в подполье
Оба эксперта согласились с тем, что будущее дизайна среды обитания на Марсе имеет много возможностей, включая потенциальное перемещение под поверхность. Строительство подземной базы имеет много преимуществ, таких как защита людей от радиации и пылевых бурь. Но у нее тоже есть свои проблемы.
Когда дело доходит до подземного строительства, “Все еще так много неизвестного", - сказал Тромнер. Мы многого не знаем о составе недр Марса и о том, как строить в этой среде. “По крайней мере, для первого шага, если мы говорим о ближайшем будущем, что-то на поверхности имеет больше смысла, потому что там нет тех же уровней неизвестности, которые были бы при раскопках”.
Однако, как только мы побудем на Марсе некоторое время, это может измениться. “В долгосрочной перспективе, после того как вы создали первые несколько первоначальных сооружений, у вас было больше марсоходов на поверхности, возможно, у вас были астронавты на поверхности, а затем, возможно, в будущем появится подземная база”, - сказал он.
Лейн согласился. Он думал, что первая миссия на Марс может включать в себя людей, находящихся “на поверхности, которые в основном пришли с Земли", как миссии "Аполлона" на Луну. Но для большего количества людей, проживающих в течение более длительных периодов времени, вам нужна более постоянная инфраструктура. ” В этот момент вы начинаете уходить в подполье или печатать свои места обитания в 3D",-сказал он.
В конце концов, Лейн представил себе большое разнообразие мест обитания, спроектированных и построенных различными космическими агентствами или компаниями. “Мы увидим больше разнообразия в нашей среде обитания, которую мы создаем, потому что наши потребности будут более разнообразными, и нам нужно будет приспособиться к большему масштабу”, - сказал он. Из этого разнообразия мы узнаем больше о том, как лучше всего жить на другой планете, что поможет нам в будущем построить еще лучшую среду обитания.
И это то, что меня действительно волнует в ближайшие десятилетия, когда люди отправятся на Луну и Марс.