Het idee om Mars te verkennen en te koloniseren is nog nooit zo levendig geweest als nu. Binnen de komende twee decennia zijn er meerdere plannen om bemande missies naar de Rode Planeet te sturen, en zelfs enkele zeer ambitieuze plannen om daar een permanente nederzetting te bouwen. Ondanks het enthousiasme zijn er veel belangrijke uitdagingen die moeten worden aangepakt voordat dergelijke pogingen kunnen worden ondernomen.
Deze uitdagingen - waaronder de effecten van lage zwaartekracht op het menselijk lichaam, straling en de psychologische tol van het weg zijn van de aarde - worden des te duidelijker wanneer het om permanente bases gaat. Om dit aan te pakken, biedt civiel ingenieur Marco Peroni een voorstel voor een modulaire Mars-basis (en een ruimtevaartuig om deze af te leveren) die de kolonisatie van Mars mogelijk zou maken terwijl de bewoners zouden worden beschermd met kunstmatige stralingsafscherming.
Peroni presenteerde dit voorstel op het 2018 American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) SPACE en Astronautics Forum and Exposition, dat plaatsvond van 17 tot 19 september in Orlando, Florida. De presentatie was een van de vele die plaatsvond op woensdag 19 september, met als thema "Mars Mission Architectures".
Simpel gezegd, het idee om Mars (of waar dan ook in het zonnestelsel) te koloniseren, brengt veel uitdagingen met zich mee - zowel fysiek als psychologisch. In het geval van de Rode Planeet omvatten deze de dunne en onadembare atmosfeer, de zeer koude omgeving en het feit dat het geen magnetisch veld heeft. Dit laatste is vooral een uitdaging omdat toekomstige kolonisten beschermd moeten worden tegen een aanzienlijke hoeveelheid straling.
Kortom, de gemiddelde hoeveelheid straling waaraan een mens op aarde wordt blootgesteld, komt uit op ongeveer 3,6 milliSieverts (mSv) per jaar, wat te danken is aan de aardse dichte atmosfeer en het beschermende magnetische veld. Dit betekent natuurlijk dat astronauten en mensen die zich buiten de aarde wagen, worden blootgesteld aan drastisch grotere hoeveelheden zonne- en kosmische straling.
Om de gezondheid en veiligheid van astronauten te garanderen, heeft NASA in de loop van het leven van een astronaut een bovengrens van 500 mSv per jaar of 2000 tot 4000 mSv (afhankelijk van leeftijd en geslacht) vastgesteld. Peroni schat echter dat, afhankelijk van hoe lang ze binnenshuis doorbrengen, de gemiddelde hoeveelheid straling waaraan een kolonist op Mars zou worden blootgesteld ongeveer 740 mSv per jaar zou zijn. Zoals Peroni via e-mail aan Space Magazine uitlegde:
“De hoeveelheid materiaal voor een effectieve afscherming kan dan ver boven wat haalbaar is voor de meeste ruimtevaarttoepassingen. De aluminium wanden van het ISS zijn bijvoorbeeld ongeveer 7 mm dik en zijn effectief in LEO, maar het is onwaarschijnlijk dat dergelijke schilden voldoende zouden zijn in de interplanetaire ruimte, waar ze zelfs de geabsorbeerde dosis zouden kunnen verhogen, tenzij ze aanzienlijk verdikt zouden zijn. ”
Om deze dreiging het hoofd te bieden, hebben eerdere voorstellen aanbevolen om bases te bouwen met dikke lagen Marsaarde - in sommige gevallen afhankelijk van sinteren en 3D-printen om een harde keramische buitenmuur te maken - en noodopvang in geval van zonnestormen. Andere voorstellen hebben voorgesteld om bases te bouwen in stabiele lavabuizen om een natuurlijke afscherming te bieden. Maar zoals Peroni aangaf, presenteren deze hun eigen deel van de gevaren.
Deze omvatten de hoeveelheid materiaal die nodig is om effectieve schildwanden te creëren en de dreiging van claustrofobie. Zoals hij uitlegde:
“Uit een NASA-studie bleek dat een groot ruimtestation of leefgebied een afscherming van 4 t / m nodig had2 van martian regolith (aangezien de dichtheid tussen 1000 kg / m ligt3 aan de oppervlakte tot 2.000 kg / m3 op een diepte van enkele cm komt dit overeen met een dikte van 2 m, of minder als het materiaal wordt verdicht [door te worden gesinterd door lasers), om een effectieve dosis van 2,5 mSv / y te bereiken ...
“Een ondergrondse schuilplaats kan ook worden gebruikt als slaapvertrekken en voor al die activiteiten waarbij je niet naar buiten hoeft te kijken (zoals naar video's kijken of genieten van ander amusement), maar het altijd in ondergrondse structuren leven kan de psychologische gezondheid in gevaar brengen van de kolonisten (claustrofobie), waardoor ook hun vermogen om afstanden buiten de voorpost te beoordelen afneemt (moeilijkheden bij het uitvoeren van EVA-taken) en kan bijzonder slecht zijn in het geval dat een van de activiteiten van de buitenpost ruimtetoerisme is. Een ander probleem is de constructie van kassen, die het licht van de zon moeten toelaten om de biologische mechanismen van de planten van stroom te voorzien. "
Als alternatief suggereert Peroni een ontwerp voor een basis die zijn eigen afscherming zou bieden en tegelijkertijd de toegang tot het Marslandschap zou maximaliseren. Deze basis zou naar Mars worden vervoerd aan boord van een schip met een bolvormige kern (met een diameter van ongeveer 300 meter (984 ft)) waarrond de zeshoekige basismodules zouden worden opgesteld. Als alternatief raden Peroni en zijn collega's aan om een cilindrische kern te creëren om de modules te huisvesten.
Dit ruimteschip zou de modules en bewoners van de aarde (of cis-maanbaan) vervoeren en zou worden beschermd door hetzelfde type kunstmatig magnetisch schild dat wordt gebruikt om de kolonie te beschermen. Dit zou worden gegenereerd door een reeks elektrische kabels die de scheepsconstructie zouden omhullen. Tijdens de reis zou het ruimteschip ook rond zijn centrale as draaien met een snelheid van 1,5 omwentelingen per minuut om een zwaartekracht van ongeveer 0,8 g te genereren.
Dit zou ervoor zorgen dat de astronauten in een baan rond Mars aankwamen zonder te hebben geleden onder de degeneratieve effecten van blootstelling aan microzwaartekracht - waaronder verlies van spier- en botdichtheid, verminderd gezichtsvermogen, verminderd immuunsysteem en orgaanfunctie. Zoals Peroni het uitlegde:
“Aan de grens van de“ reizende sfeer ”zullen de voortstuwingssystemen zijn die nodig zijn voor zowel de reis als de hedendaagse rotatie van het ruimtevaartuig, om tijdens de rondvaart kunstmatige zwaartekracht te genereren. Deze ruimtevaartuigen zijn ontwikkeld om de dragende elementen van het schip beter te integreren met de structuur van de modules. De dragende structuur van de bol, die het lichaam van het vat vormt, wordt gevormd door een zeshoekige en vijfhoekige diagrid en daarom is het gemakkelijker om de modules, die vergelijkbare vormen hebben, te verbinden en samen te voegen. ”
Eenmaal in de baan van Mars zou de bol van het schip stoppen met draaien om elk element los te laten en naar het oppervlak van Mars te dalen, met behulp van een systeem van parachutes, stuwraketten en luchtweerstand om te vertragen en te landen. Elke module zou worden uitgerust met vier gemotoriseerde poten waarmee ze zich over het oppervlak kunnen verplaatsen en verbinding kunnen maken met de andere woonmodules zodra ze aankomen.
Geleidelijk aan zouden de modules zichzelf in een sferische configuratie rangschikken onder een torusvormig apparaat. Net zoals degene die het ruimteschip beschermt, zou dit apparaat zijn gemaakt van hoogspanningskabels die een elektromagnetisch veld genereren om de modules te beschermen tegen kosmische en zonnestraling. Een ruimtevaartuig (zoals de voorgestelde BFR van SpaceX) kan ook vertrekken vanuit de centrale kern van het schip en de toekomstige kolonisten naar de planeet brengen.
Om de effectiviteit van hun concept te bepalen, voerden Peroni en zijn collega's numerieke berekeningen en laboratoriumexperimenten uit met behulp van een schaalmodel (hieronder weergegeven). Hieruit bepaalden ze dat het apparaat in staat was om een extern magnetisch veld van 4/5 Tesla op te wekken, wat voldoende is om de bewoners te beschermen tegen schadelijke kosmische straling.
Tegelijkertijd genereerde het apparaat een bijna nul magnetisch veld in het apparaat, wat betekent dat het de bewoners niet zou blootstellen aan enige elektromagnetische straling - en daarom geen gevaar voor hen vormt. Elke module zou, volgens Peroni's voorstel, zeshoekig zijn, een diameter van 20 m (65,6 ft) hebben en voldoende verticale ruimte binnenin hebben om een bewoonbare ruimte te vormen.
Elk van de modules zou ongeveer 5 m (16,5 ft) boven de grond uitkomen (met behulp van hun gemotoriseerde poten) om de Martiaanse wind weg te laten lopen tijdens zandstormen en om ophoping van zand rond de modules te voorkomen. Dit zou ervoor zorgen dat het zicht van binnenuit de modules, een belangrijk onderdeel van Peroni's ontwerp, onbelemmerd zou zijn.
Peroni's voorstel roept zelfs op om de basis zoveel mogelijk open te stellen voor het omringende landschap door ramen en luchtgewelven, waardoor de bewoners zich meer verbonden zouden voelen met de omgeving en gevoelens van isolatie en claustrofobie zouden voorkomen. Elke module weegt naar schatting 40-50 ton (44-55 US ton) op aarde - wat neerkomt op 15-19 ton (16,5-21 US ton) in de zwaartekracht van Mars.
Een deel van het oorspronkelijke gewicht zou de brandstof zijn die nodig is voor de afdaling, die tijdens de afdaling zou worden afgevoerd en dat betekent dat de habitats nog lichter waren zodra ze het oppervlak van Mars bereikten. Net als bij vergelijkbare ontwerpen, zou elke module worden gedifferentieerd naar functie, waarbij sommige dienen als slaapvertrekken en andere als recreatievoorzieningen, groene ruimtes, laboratoria, werkplaatsen, waterrecycling en sanitaire voorzieningen, enz.
De laatste hand wordt gelegd aan de bouw van een "technologische as", een beloopbare tunnel die boven de grond is gebouwd waar batterijen, fotovoltaïsche panelen en kleine kernreactoren zouden worden gestationeerd. Deze zorgen voor de aanzienlijke elektrische behoeften van de basis, waaronder het vermogen dat nodig is om het magnetische veld in stand te houden. Andere elementen zijn onder meer garages en magazijnen voor verkenningsvoertuigen, evenals een astronomisch observatorium.
Dit voorstel is in veel opzichten vergelijkbaar met het Solenoid Moon-basisconcept dat Peroni ten minste een jaar lang het AIAA Space and Astronautics Forum and Exposition presenteerde. Peroni stelde bij deze gelegenheid voor om een maanbasis te bouwen die bestond uit transparante koepels die zouden worden omsloten door een torusvormige structuur bestaande uit hoogspanningskabels.
In beide gevallen gaat het bij de voorgestelde habitats allemaal om het zorgen voor de behoeften van hun inwoners, waaronder niet alleen hun fysieke veiligheid, maar ook hun psychisch welzijn. Met het oog op de toekomst hoopt Peroni dat zijn voorstellen meer discussie en onderzoek naar de specifieke uitdagingen van het bouwen van buitenaardse bases zullen bevorderen. Hij hoopt ook meer innovatieve concepten te zien die zijn ontworpen om deze aan te pakken.
“Dit vooronderzoek kan [de] toekomstige ontwikkeling van deze theorieën en een diepere studie over thema's en onderwerpen die in deze bijdrage worden behandeld, aanmoedigen, zodat, waarom niet, mensen in de toekomst de droom [lang] op Mars kunnen leven periodes zonder opgesloten te zijn onder zware metalen kooien of donkere rotsgrotten, ”zei hij.
Het is duidelijk dat alle nederzettingen die in de toekomst op de maan, Mars of daarbuiten zijn gebouwd, grotendeels zelfvoorzienend moeten zijn - en in-situ hun eigen voedsel, water en bouwmaterialen moeten produceren. Tegelijkertijd zullen dit proces en de dagelijkse praktijk sterk afhankelijk zijn van technologie. In de komende generaties is Mars waarschijnlijk het testterrein waar onze methoden om op een andere planeet te leven, worden getest en gecontroleerd.
Voordat we mensen naar de Rode Planeet sturen, moeten we ervoor zorgen dat we onze beste methoden naar voren brengen. En zorg ervoor dat je deze video bekijkt van de modulebasis die vanuit de ruimte op Mars wordt ingezet, met dank aan Marco Peroni Ingegneria:
