Idén att utforska och kolonisera Mars har aldrig varit mer levande än den är idag. Inom de kommande två decennierna finns det flera planer för att skicka besättningsuppdrag till Röda planeten, och till och med några mycket ambitiösa planer för att börja bygga en permanent bosättning där. Trots entusiasmen finns det många betydande utmaningar som måste hanteras innan sådana ansträngningar kan försökas.
Dessa utmaningar - som inkluderar effekterna av låg tyngdekraft på människokroppen, strålning och den psykologiska avgiften att vara borta från Jorden - blir desto mer uttalade när man hanterar permanenta baser. För att ta itu med detta erbjuder civilingenjör Marco Peroni ett förslag om en modulär Martianbas (och ett rymdskepp för att leverera den) som skulle möjliggöra kolonisering av Mars och samtidigt skydda dess invånare med artificiell strålskydd.
Peroni presenterade detta förslag på American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) RYMD och Astronautics Forum and Exposition, som ägde rum från 17 till 19 september i Orlando, Florida. Presentationen var en av flera som ägde rum på onsdagen den 19 september, med temat ”Mars Mission Architectures”.
Kort sagt, idén om att kolonisera Mars (eller var som helst i solsystemet) ger många utmaningar - både fysiska och psykologiska. I fallet med den röda planeten inkluderar dessa dess tunna och oförstörbara atmosfär, dess mycket kalla miljö och det faktum att det inte har något magnetfält. Det är denna sista artikel som är särskilt utmanande eftersom alla framtida kolonister måste skyddas från en betydande mängd strålning.
Kort sagt, den genomsnittliga strålningsmängden som en människa utsätts för på jorden fungerar till cirka 3,6 milliSieverts (mSv) per år, vilket är tack vare jordens täta atmosfär och skyddande magnetfält. Naturligtvis innebär detta att astronauter och människor som vågar sig bortom jorden utsätts för drastiskt högre mängder sol- och kosmisk strålning.
För att säkerställa astronautens hälsa och säkerhet har NASA fastställt en övre gräns på 500 mSv per år eller 2000 till 4000 mSv (beroende på ålder och kön) under en astronauts liv. Peroni uppskattar emellertid att beroende på hur lång tid de tillbringar inomhus, skulle den genomsnittliga strålningsmängden som en Martian bosättare skulle utsättas för vara cirka 740 mSv per år. Som Peroni förklarade till Space Magazine via e-post:
”Mängden material för en effektiv skärmning kan då ligga långt utöver vad som är praktiskt möjligt för de flesta flyg- och rymdapplikationer. ISS: s aluminiumväggar är till exempel cirka 7 mm tjocka och är effektiva i LEO, men det är osannolikt att sådana skärmar skulle vara tillräckliga i det interplanetära utrymmet, där de till och med kan öka den absorberade dosen såvida den inte väsentligen förtjockas. ”
För att hantera detta hot har tidigare förslag rekommenderat att bygga baser med tjocka lager av Martian mark - i vissa fall förlita sig på sintring och 3D-tryckning för att skapa en hård keramisk yttervägg - och akuta skyddsrum vid solstormar. Andra förslag har föreslagit att bygga baser i stabila lavarör för att ge naturlig skärmning. Men som Peroni antydde presenterar dessa sin egen andel av faror.
Dessa inkluderar mängden material som behövs för att skapa effektiva skärmväggar och hotet om klaustrofobi. Som han förklarade:
”En NASA-studie fann att en stor rymdstation eller livsmiljö krävde en skärmning av 4 ton / m2 av martian regolit (med tanke på att densiteten är mellan 1 000 kg / m3 vid ytan till 2 000 kg / m3 på ett djup av några cm motsvarar detta en tjocklek på 2 m, eller mindre om materialet komprimeras [genom att sintras av lasrar), för att uppnå en effektiv doshastighet på 2,5 mSv / y ...
”Ett underjordiskt skydd kan också användas som sovplatser och för alla aktiviteter där det inte finns behov av att titta utanför (som att titta på videor eller njuta av andra underhållningar), men att leva alltid i underjordiska strukturer kan riskera den psykologiska hälsan av kolonisterna (klaustrofobi) och minskar också deras förmåga att bedöma avstånd när de befinner sig utanför utposten (svårigheter att utföra EVA-uppgifter) och kan vara särskilt dåliga om en av utpostens aktiviteter är rymdturism. Ett annat problem är byggandet av växthus, som bör göra det möjligt för ljuset från solen att komma in för att driva växternas biologiska mekanismer. ”
Som ett alternativ föreslår Peroni en design för en bas som skulle ge sin egen avskärmning och samtidigt maximera åtkomsten till Martian-landskapet. Denna bas skulle transporteras till Mars ombord på ett fartyg med en sfärformad kärna (mäta ungefär 300 meter i diameter) runt vilken de sexkantiga basmodulerna skulle vara anordnade. Alternativt rekommenderar Peroni och hans kollegor att skapa en cylindrisk kärna för att hysa modulerna.
Detta rymdskepp skulle transportera modulerna och invånarna från Jorden (eller cis-lunar bana) och skulle skyddas av samma typ av konstgjord magnetisk sköld som används för att skydda kolonin. Detta skulle genereras av en serie elektriska kablar som skulle omsluta fartygets struktur. Under resan skulle rymdskeppet också rotera runt sin centralaxel med en hastighet av 1,5 varv per minut för att generera en tyngdkraft på cirka 0,8 g.
Detta skulle säkerställa att astronauterna anlände till bana runt Mars utan att ha drabbats av de degenerativa effekterna av exponering för mikrogravitet - som inkluderar förlust av muskel- och bentäthet, sämre syn, minskat immunsystem och organfunktion. Som Peroni förklarade det:
"Vid gränsen för den" resande sfären "kommer det att vara de framdrivningssystem som krävs för både resan och den samtida rotationen av rymdfarkosten för att generera konstgjord tyngdkraft under returen. Dessa rymdskepp har utvecklats för att bättre integrera fartygets bärande element med modulernas struktur. Kulans bärstruktur, som utgör karossens kropp, bildas av en sexkantig och femkantig diagrid och därför är det lättare att ansluta och aggregera modulerna, som har liknande former. "
En gång i den marsiska omloppsbana skulle fartygsfären sluta rotera för att låta varje element lossna och börja sjunka till den Martiska ytan, med ett system med fallskärmar, drivkrafter och luftmotstånd för att sakta ner och landa. Varje modul skulle vara utrustad med fyra motoriserade ben som skulle göra det möjligt för dem att röra sig på ytan och ansluta till de andra bostadsmodulerna när de anländer.
Gradvis skulle modulerna ordna sig i en sfärisk konfiguration under en toroidformad apparat. Ungefär som den som skyddar rymdskeppet, skulle denna apparat vara tillverkad av högspännings-elektriska kablar som genererar ett elektromagnetiskt fält för att skydda modulerna från kosmisk och solstrålning. Ett rymdskepp (som SpaceXs föreslagna BFR) kan också avvika från fartygets centrala kärna och färja framtida bosättare till planeten.
För att bestämma deras koncept effektivitet genomförde Peroni och hans kollegor numeriska beräkningar och laboratorieexperiment med en skalmodell (visas nedan). Från detta bestämde de att apparaten kunde generera ett yttre magnetfält på 4/5 Tesla, vilket är tillräckligt för att hålla invånarna säkra mot skadliga kosmiska strålar.
Samtidigt genererade apparaten ett nästan nollmagnetiskt fält inuti apparaten, vilket innebär att den inte skulle utsätta invånarna för någon elektromagnetisk strålning - och därför utgör ingen fara för dem. Varje modul, enligt Peronis förslag, skulle vara hexagonformad, mäta 20 m (65,6 fot) i diameter och skulle ha tillräckligt med vertikalt utrymme inuti för att utgöra ett bebodligt utrymme.
Var och en av modulerna skulle lyfta ungefär 5 m (16,5 ft) över marken (med hjälp av sina motoriserade ben) för att låta Martianvinden rinna av under sandstormar och förhindra ansamling av sand runt modulerna. Detta skulle säkerställa att utsikten från insidan av modulerna, en nyckelkomponent för Peronis design, skulle hindras.
I själva verket kräver Peronis förslag att basen ska vara öppen så mycket som möjligt för det omgivande landskapet genom fönster och himmelvalv, vilket skulle låta invånarna känna sig närmare anslutna till miljön och förhindra känslor av isolering och klaustrofobi. Varje modul skulle väga uppskattningsvis 40-50 ton (44-55 amerikanska ton) på jorden - vilket fungerar till 15-19 ton (16,5-21 amerikanska ton) i Martian gravitation.
En del av den ursprungliga vikten skulle inkludera det bränsle som behövs för nedstigningen, som skulle släppas under nedstigningen och innebära att livsmiljöerna var ännu lättare när de nådde Mars-ytan. Liksom med liknande konstruktioner skulle varje modul differentieras beroende på deras funktion, med vissa fungerar som sovplatser och andra fritidsanläggningar, grönområden, laboratorier, verkstäder, vattenåtervinning och sanitetsanläggningar etc.
Den sista handen kommer att bygga en "teknisk axel", en gångbar tunnel byggd ovanför marken där batterier, solceller och små kärnreaktorer skulle vara stationerade. Dessa skulle se till basens betydande elektriska behov, som inkluderar kraften som krävs för att upprätthålla magnetfältet. Andra element kan inkludera garage och lager för utforskningsfordon samt ett astronomiskt observatorium.
Detta förslag liknar på många sätt Solenoid Moon-bas-konceptet som Peroni presenterade åtminstone års AIAA Space and Astronautics Forum and Exposition. Vid detta tillfälle föreslog Peroni att bygga en månbasis som bestod av transparenta kupoler som skulle vara inneslutna i en toroidformad struktur bestående av högspänningskablar.
I båda fallen handlar de föreslagna livsmiljöerna om att säkerställa deras invånares behov - som inte bara omfattar deras fysiska säkerhet utan också deras psykologiska välbefinnande. Med tanke på framtiden hoppas Peroni att hans förslag kommer att främja mer diskussion och forskning om de speciella utmaningarna med att bygga off-world baser. Han hoppas också kunna se mer innovativa koncept utformade för att hantera dessa.
”Denna preliminära forskning kan uppmuntra [den] framtida utvecklingen av dessa teorier och en djupare studie av teman och ämnen som omfattas av detta bidrag, att, varför inte, i framtiden kommer [tillåta] människor att förverkliga drömmen om att leva på Mars länge perioder utan att vara inneslutna under tungmetallburar eller mörka stengrottor, ”sade han.
Det är uppenbart att alla bosättningar som är byggda på månen, Mars eller utöver i framtiden måste vara till stor del självförsörjande - att producera sina egna livsmedel, vatten och byggnadsmaterial på plats. Samtidigt kommer denna process och det dagliga livet att vara starkt beroende av teknik. Under de kommande generationerna är det troligt att Mars är de bevisande grunderna där våra metoder för att leva på en annan planet testas och kontrolleras.
Innan vi börjar skicka människor till Röda planeten måste vi se till att vi lägger fram våra bästa metoder. Och se till att kolla in den här videon om modulbasen som distribueras till Mars från rymden, med tillstånd av Marco Peroni Ingegneria:
