Pomysł eksploracji i kolonizacji Marsa nigdy nie był tak żywy jak dziś. W ciągu najbliższych dwóch dekad istnieje wiele planów wysłania misji załogi na Czerwoną Planetę, a nawet niektóre bardzo ambitne plany rozpoczęcia budowy tam stałej osady. Pomimo entuzjazmu istnieje wiele znaczących wyzwań, którym należy się zająć, zanim będzie można podjąć takie próby.
Wyzwania te - obejmujące wpływ niskiej grawitacji na ludzkie ciało, promieniowanie i psychologiczne żniwo przebywania z dala od Ziemi - stają się tym bardziej wyraźne, gdy mamy do czynienia ze stałymi bazami. Aby temu zaradzić, inżynier lądowy Marco Peroni proponuje propozycję modułowej bazy marsjańskiej (i statku kosmicznego do jej dostarczenia), który pozwoliłby na kolonizację Marsa, jednocześnie chroniąc jego mieszkańców sztuczną osłoną przed promieniowaniem.
Peroni przedstawił tę propozycję na forum SPACE oraz Astronautics Forum and Exposition w American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) 2018, które odbyło się od 17 do 19 września w Orlando na Florydzie. Prezentacja była jedną z kilku, która odbyła się w środę 19 września, a jej tematem przewodnim były „Mars Mission Architectures”.
Krótko mówiąc, pomysł kolonizacji Marsa (lub dowolnego miejsca w Układzie Słonecznym) wiąże się z wieloma wyzwaniami - zarówno fizycznymi, jak i psychicznymi. W przypadku Czerwonej Planety są to między innymi jej cienka i nie oddychająca atmosfera, bardzo zimne środowisko oraz fakt, że nie ma on pola magnetycznego. Jest to ostatni przedmiot, który jest szczególnie trudny, ponieważ wszyscy przyszli koloniści będą musieli być chronieni przed znaczną ilością promieniowania.
Krótko mówiąc, średnia ilość promieniowania, na jakie człowiek jest narażony na Ziemi, wynosi około 3,6 milisewta (mSv) rocznie, co wynika z gęstej atmosfery ziemskiej i ochronnego pola magnetycznego. Oczywiście oznacza to, że astronauci i ludzie wyruszający poza Ziemię są narażeni na znacznie większe ilości promieniowania słonecznego i kosmicznego.
Aby zapewnić zdrowie i bezpieczeństwo astronautów, NASA ustanowiła górną granicę 500 mSv rocznie lub 2000 do 4000 mSv (w zależności od wieku i płci) w ciągu życia astronautów. Jednak Peroni szacuje, że w zależności od tego, jak długo spędzają w pomieszczeniach, średnia ilość promieniowania, na jaką narażony byłby osadnik marsjański, wynosiłaby około 740 mSv rocznie. Jak Peroni wyjaśnił Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej:
„Ilość materiału na skuteczną osłonę może wówczas znacznie przekraczać możliwości praktyczne w większości zastosowań w przemyśle lotniczym. Na przykład aluminiowe ściany ISS mają około 7 mm grubości i są skuteczne w LEO, ale jest mało prawdopodobne, aby takie osłony były wystarczające w przestrzeni międzyplanetarnej, gdzie mogłyby nawet zwiększyć pochłoniętą dawkę, chyba że znacznie pogrubiły. ”
Aby zaradzić temu zagrożeniu, poprzednie propozycje zalecały budowanie podstaw z grubymi warstwami marsjańskiej gleby - w niektórych przypadkach polegających na spiekaniu i drukowaniu 3D w celu ukształtowania twardej ceramicznej ściany zewnętrznej - oraz schronów ratunkowych na wypadek burz słonecznych. Inne propozycje sugerowały budowę podstaw w stabilnych rurkach lawowych w celu zapewnienia naturalnego ekranowania. Ale, jak wskazał Peroni, stanowią one własną część zagrożeń.
Obejmują one ilość materiału potrzebną do stworzenia skutecznych ścian tarczy i zagrożenie klaustrofobią. Jak wyjaśnił:
„Badanie NASA wykazało, że duża stacja kosmiczna lub siedlisko wymagało ekranowania 4 t / m2 regolitu marsjańskiego (biorąc pod uwagę, że jego gęstość wynosi między 1000 kg / m3 przy powierzchni do 2000 kg / m3 na głębokości kilku cm odpowiada to grubości 2 m lub mniej, jeśli materiał jest zagęszczany [przez spiekanie za pomocą laserów), aby osiągnąć efektywną dawkę 2,5 mSv / r…
„Schron podziemny może być również wykorzystywany jako miejsce do spania i do wszystkich tych czynności, w których nie ma potrzeby patrzenia na zewnątrz (takich jak oglądanie filmów lub innych rozrywek), ale życie zawsze w podziemnych konstrukcjach może zagrozić zdrowiu psychicznemu kolonistów (klaustrofobia), zmniejszając również ich zdolność do oceny odległości poza placówką (trudności w wykonywaniu zadań EVA) i mogą być szczególnie złe w przypadku, gdy jedną z działalności placówki jest turystyka kosmiczna. Innym problemem jest budowa szklarni, które powinny wpuszczać światło słoneczne do zasilania mechanizmów biologicznych roślin ”.
Jako alternatywę Peroni sugeruje zaprojektowanie podstawy, która zapewniłaby własne ekranowanie przy maksymalnym dostępie do marsjańskiego krajobrazu. Ta podstawa zostałaby przetransportowana na Marsa na pokładzie statku z rdzeniem w kształcie kuli (mierzącym około 300 metrów średnicy), wokół którego rozmieszczone byłyby sześciokątne moduły podstawy. Alternatywnie Peroni i jego koledzy zalecają utworzenie cylindrycznego rdzenia do przechowywania modułów.
Ten statek kosmiczny transportowałby moduły i mieszkańców z Ziemi (lub orbity cis-księżycowej) i byłby chroniony przez ten sam rodzaj sztucznej osłony magnetycznej, która służy do ochrony kolonii. Byłoby to generowane przez szereg kabli elektrycznych, które otaczałyby strukturę statku. Podczas podróży statek kosmiczny obracałby się również wokół swojej osi środkowej z prędkością 1,5 obrotu na minutę, aby wytworzyć siłę grawitacji około 0,8 g.
Zapewniłoby to, że astronauci przybyli na orbitę wokół Marsa bez cierpienia z powodu zwyrodnieniowych skutków ekspozycji na mikrograwitację - w tym utraty gęstości mięśni i kości, upośledzonego wzroku, obniżonego układu odpornościowego i funkcji narządów. Jak to wyjaśnił Peroni:
„Na granicy„ podróżującej kuli ”będą istnieć układy napędowe niezbędne zarówno do podróży, jak i do współczesnej rotacji statku kosmicznego, w celu wygenerowania sztucznej grawitacji podczas podróży w obie strony. Te statki kosmiczne zostały opracowane w celu lepszej integracji elementów nośnych statku ze strukturą modułów. Struktura nośna kuli, która stanowi korpus naczynia, jest utworzona przez sześciokątną i pięciokątną diagrid i dlatego łatwiej jest łączyć i agregować moduły o podobnych kształtach. ”
Gdy znajdzie się na orbicie marsjańskiej, kula statku przestanie się obracać, aby umożliwić każdemu elementowi oderwanie się i rozpoczęcie opadania na powierzchnię marsjańską za pomocą systemu spadochronów, pędników i oporu powietrza w celu spowolnienia i wylądowania. Każdy moduł byłby wyposażony w cztery zmotoryzowane nogi, które umożliwiałyby im poruszanie się po powierzchni i łączenie z innymi modułami mieszkalnymi po ich przybyciu.
Stopniowo moduły układałyby się w konfiguracji sferycznej pod aparatem w kształcie toroidu. Podobnie jak ten chroniący statek kosmiczny, aparat ten byłby wykonany z kabli elektrycznych wysokiego napięcia, które wytwarzają pole elektromagnetyczne w celu ochrony modułów przed promieniowaniem kosmicznym i słonecznym. Statek kosmiczny (taki jak proponowany przez SpaceX BFR) może również odlecieć z centralnego rdzenia statku, przewożąc przyszłych osadników na planetę.
Aby określić skuteczność ich koncepcji, Peroni i jego koledzy przeprowadzili obliczenia numeryczne i eksperymenty laboratoryjne z wykorzystaniem modelu skali (pokazanego poniżej). Na tej podstawie ustalili, że aparat był w stanie wygenerować zewnętrzne pole magnetyczne 4/5 Tesli, co wystarcza, aby chronić mieszkańców przed szkodliwymi promieniami kosmicznymi.
Jednocześnie aparat wytworzył prawie zerowe pole magnetyczne wewnątrz aparatu, co oznacza, że nie naraziłby mieszkańców na promieniowanie elektromagnetyczne - a zatem nie stanowi dla nich żadnego zagrożenia. Każdy moduł, zgodnie z propozycją Peroniego, miałby kształt sześciokąta, miałby średnicę 20 m i miałby wystarczająco dużo miejsca w pionie, aby stworzyć przestrzeń do zamieszkania.
Każdy z modułów unosiłby się na wysokości około 5 m (16,5 stopy) nad ziemią (używając zmotoryzowanych nóg), aby umożliwić marsjańskiemu wiatrowi ucieczkę podczas burz piaskowych i zapobiec gromadzeniu się piasku wokół modułów. Zapewniłoby to, że widok z modułów, kluczowy element projektu Peroni, byłby niezakłócony.
W rzeczywistości propozycja Peroni wymaga, aby baza była jak najbardziej otwarta na otaczający krajobraz przez okna i sklepienia nieba, co pozwoliłoby mieszkańcom czuć się ściślej związanymi z otoczeniem i zapobiegać poczuciu izolacji i klaustrofobii. Każdy moduł ważyłby około 40-50 ton metrycznych (44-55 ton amerykańskich) na Ziemi - co daje 15-19 ton (16,5-21 ton amerykańskich) w grawitacji marsjańskiej.
Część początkowej masy obejmowałaby paliwo potrzebne do zejścia, które zostanie zrzucone podczas zejścia i oznaczałoby, że siedliska były jeszcze jaśniejsze, gdy dotarły na powierzchnię Marsa. Podobnie jak w przypadku podobnych konstrukcji, każdy moduł byłby zróżnicowany zgodnie z ich funkcją, przy czym niektóre służyłyby jako sypialnie i inne obiekty rekreacyjne, tereny zielone, laboratoria, warsztaty, recykling wody i urządzenia sanitarne itp.
Ostatnim akcentem będzie budowa „osi technologicznej”, tunelu, który można chodzić po ziemi, na którym stacjonowałyby baterie, panele fotowoltaiczne i małe reaktory jądrowe. Uwzględniłyby one znaczne potrzeby elektryczne bazy, w tym moc niezbędną do utrzymania pola magnetycznego. Inne elementy mogą obejmować garaże i magazyny pojazdów eksploracyjnych, a także obserwatorium astronomiczne.
Ta propozycja jest pod wieloma względami podobna do koncepcji solenoidowej podstawy Księżyca, którą Peroni przedstawił na co najmniej tegorocznym Forum i Wystawie Kosmicznej i Astronautycznej AIAA. Przy tej okazji Peroni zaproponował zbudowanie podstawy księżycowej, która składałaby się z przezroczystych kopuł, które byłyby zamknięte w strukturze toroidalnej składającej się z kabli wysokiego napięcia.
W obu przypadkach proponowane siedliska mają na celu zaspokojenie potrzeb ich mieszkańców - które obejmują nie tylko ich bezpieczeństwo fizyczne, ale także dobre samopoczucie psychiczne. Patrząc w przyszłość, Peroni ma nadzieję, że jego propozycje pobudzą więcej dyskusji i badań nad szczególnymi wyzwaniami związanymi z budowaniem baz poza światem. Ma również nadzieję, że ujrzy bardziej innowacyjne koncepcje mające na celu rozwiązanie tych problemów.
„Te wstępne badania mogą zachęcić [do] dalszego rozwoju tych teorii i głębsze studium tematów i tematów omawianych w tym artykule, które, dlaczego nie, w przyszłości [pozwolą] ludziom zrealizować marzenie o długim życiu na Marsie okresy bez zamykania się w ciężkich metalowych klatkach lub jaskiniach z ciemnego kamienia ”- powiedział.
Oczywiste jest, że wszelkie osady zbudowane na Księżycu, Marsie lub w przyszłości będą musiały być w dużej mierze samowystarczalne - wytwarzając własne jedzenie, wodę i materiały budowlane na miejscu. Jednocześnie proces ten i codzienne życie będą silnie uzależnione od technologii. W nadchodzących pokoleniach Mars będzie prawdopodobnie poligonem doświadczalnym, w którym nasze metody życia na innej planecie zostaną przetestowane i sprawdzone.
Zanim zaczniemy wysyłać ludzi na Czerwoną Planetę, musimy upewnić się, że zastosowaliśmy nasze najlepsze metody. I koniecznie obejrzyj wideo przedstawiające bazę modułów rozmieszczonych na Marsie z kosmosu, dzięki uprzejmości Marco Peroni Ingegneria:
