Ideen om at udforske og kolonisere Mars har aldrig været mere levende end den er i dag. I løbet af de næste to årtier er der flere planer om at sende besætningsopgaver til den røde planet og endda nogle meget ambitiøse planer om at begynde at opbygge en permanent bosættelse der. På trods af entusiasmen er der mange betydelige udfordringer, der skal løses, inden sådanne bestræbelser kan forsøges.
Disse udfordringer - som inkluderer virkningerne af lav tyngdekraft på den menneskelige krop, stråling og den psykologiske vejafgift fra at være væk fra Jorden - bliver desto mere udtalt, når man håndterer permanente baser. For at imødegå dette tilbyder civilingeniør Marco Peroni et forslag til en modulær Mars-base (og et rumfartøj til at levere det), der ville muliggøre kolonisering af Mars og samtidig beskytte indbyggerne med kunstig strålingsafskærmning.
Peroni præsenterede dette forslag på American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) SPACE og Astronautics Forum and Exposition, der fandt sted fra 17. til 19. september i Orlando, Florida. Præsentationen var en af flere, der fandt sted onsdag den 19. september, med det tema ”Mars Mission Architectures”.
Kort sagt, ideen om at kolonisere Mars (eller hvor som helst i solsystemet) giver mange udfordringer - både fysiske og psykologiske. I tilfældet med den røde planet inkluderer disse dens tynde og uforudsigelige atmosfære, dets meget kolde miljø og det faktum, at det ikke har noget magnetisk felt. Det er dette sidste punkt, som er specielt udfordrende, da eventuelle fremtidige kolonister skal beskyttes mod en betydelig mængde stråling.
Kort sagt, den gennemsnitlige stråling, som et menneske udsættes for på Jorden, fungerer på ca. 3,6 milliSieverts (mSv) om året, hvilket er takket være Jordens tætte atmosfære og beskyttende magnetfelt. Naturligvis betyder det, at astronauter og mennesker, der viger ud over Jorden, udsættes for drastisk højere mængder sol- og kosmisk stråling.
For at sikre astronauts sundhed og sikkerhed har NASA fastlagt en øvre grænse på 500 mSv om året eller 2000 til 4000 mSv (afhængig af alder og køn) i løbet af en astronauts liv. Peroni estimerer imidlertid, at afhængig af hvor lang tid de bruger indendørs, vil den gennemsnitlige stråling, en martisk bosætter ville blive udsat for, være omkring 740 mSv pr. År. Som Peroni forklarede til Space Magazine via e-mail:
”Mængden af materiale til en effektiv afskærmning kan da være langt ud over, hvad der er praktisk muligt for de fleste rumfartsapplikationer. For eksempel er aluminiumsvæggene på ISS ca. 7 mm tykke og er effektive i LEO, men det er usandsynligt, at sådanne afskærmninger ville være tilstrækkelige i det interplanetære rum, hvor de endda kan øge den absorberede dosis, medmindre den er væsentligt fortykket.
For at tackle denne trussel har tidligere forslag anbefalet at bygge baser med tykke lag af Marsjord - i nogle tilfælde afhængige af sintring og 3D-udskrivning for at skabe en hård keramisk ydre væg - og nødcentre i tilfælde af solstorm. Andre forslag har foreslået at bygge baser i stabile lavarør for at give naturlig afskærmning. Men som Peroni antydede, disse præsenterer deres egen andel af farerne.
Disse inkluderer mængden af materiale, der er nødvendigt for at skabe effektive skjoldvægge og truslen om klaustrofobi. Som han forklarede:
”En NASA-undersøgelse fandt, at en stor rumstation eller habitat krævede en afskærmning på 4 t / m2 af martian regolit (i betragtning af at dens densitet er mellem 1.000 kg / m3 ved overfladen til 2.000 kg / m3 på en dybde på et par cm svarer dette til en tykkelse på 2 m eller mindre, hvis materialet komprimeres [ved at blive sintret af lasere), for at opnå en effektiv dosis på 2,5 mSv / å ...
”Et underjordisk husly kan også bruges som sovepladser og til alle de aktiviteter, hvor der ikke er behov for at kigge udenfor (som at se på videoer eller nyde andre underholdninger), men at leve altid i underjordiske strukturer kan risikere den psykologiske sundhed af kolonisterne (klaustrofobi), hvilket også mindsker deres evne til at vurdere afstande uden for forposten (vanskeligheder med at udføre EVA-opgaver) og kan være særlig dårlig, hvis en af udpostens aktiviteter er rumsturisme. Et andet problem er opførelsen af drivhuse, der skal give lyset fra solen mulighed for at komme ind for at drive anlæggets biologiske mekanismer. ”
Som et alternativ foreslår Peroni et design til en base, der ville give sin egen afskærmning, mens den maksimerer adgangen til Martian-landskabet. Denne base vil blive transporteret til Mars ombord på et fartøj med en kugleformet kerne (måling ca. 300 meter i diameter), omkring hvilken de sekskantede basismoduler ville være arrangeret. Alternativt anbefaler Peroni og hans kolleger at oprette en cylindrisk kerne til at huse modulerne.
Dette rumskib ville transportere moduler og indbyggere fra Jorden (eller cis-lunar bane) og ville være beskyttet af den samme type kunstig magnetisk skjold, der bruges til at beskytte kolonien. Dette ville blive genereret af en række elektriske kabler, der vil omslutte skibets struktur. Under rejsen roterede rumskibet også omkring sin centrale akse med en hastighed på 1,5 omdrejninger pr. Minut for at generere en tyngdekraft på ca. 0,8 g.
Dette ville sikre, at astronauterne ankom i kredsløb omkring Mars uden at have lidt af de degenerative virkninger af eksponering for mikrogravitet - som inkluderer tab af muskler og knogletæthed, kompromitteret syn, nedsat immunsystem og organfunktion. Som Peroni forklarede det:
”På grænsen til den” bevægende sfære ”vil der være de fremdrivningssystemer, der er nødvendige for både sejladsen og den moderne rotation af rumfartøjet for at generere kunstig tyngdekraft under rundrejsen. Disse rumfartøjer er udviklet til bedre at integrere skibets bærende elementer med strukturen af modulerne. Kuglens bærestruktur, der udgør karets krop, er dannet af en sekskantet og femkantet diagrid, og det er derfor lettere at forbinde og aggrege modulerne, der har lignende former. ”
Når skibskuglen først var i bane i Mars, stoppede den med at rotere for at lade hvert element løsne sig og begynde at falde ned til Marsoverfladen ved hjælp af et system med faldskærme, thrustere og luftmodstand for at bremse og lande. Hvert modul vil være udstyret med fire motoriserede ben, der giver dem mulighed for at bevæge sig rundt på overfladen og forbinde med de andre beboelsesmoduler, når de ankommer.
Efterhånden vil modulerne arrangere sig i en sfærisk konfiguration under et toroidformet apparat. Ligesom det, der beskytter rumskibet, ville dette apparat være lavet af højspændingselektriske kabler, der genererer et elektromagnetisk felt til at beskytte modulerne mod kosmisk og solstråling. Et rumfartøj (såsom SpaceXs foreslåede BFR) kunne også afvige fra fartøjets centrale kerne og færge de fremtidige bosættere til planeten.
For at bestemme effektiviteten af deres koncept gennemførte Peroni og hans kolleger numeriske beregninger og laboratorieeksperimenter ved hjælp af en skalamodel (vist nedenfor). Fra dette bestemte de, at apparatet var i stand til at generere et eksternt magnetfelt på 4/5 Tesla, hvilket er tilstrækkeligt til at holde indbyggerne trygge mod skadelige kosmiske stråler.
Samtidig frembragte apparatet et næsten nul magnetisk felt inde i apparatet, hvilket betyder, at det ikke ville udsætte indbyggerne for nogen elektromagnetisk stråling - og derfor udgør ingen fare for dem. Hvert modul, ifølge Peronis forslag, ville være hexagonformet, måle 20 m i diameter og ville have nok lodret plads indeni til at udgøre et beboeligt rum.
Hver af modulerne løftes ca. 5 m over jorden (ved hjælp af deres motoriserede ben) for at lade Marsvinden løbe af under sandstorme og forhindre ophobning af sand omkring modulerne. Dette ville sikre, at udsigten inde fra modulerne, en nøglekomponent til Peronis design, ville være uhindret.
Faktisk opfordrer Peronis forslag til, at basen skal være åben så meget som muligt for det omgivende landskab gennem vinduer og himmelhvelve, hvilket ville lade indbyggerne føle sig tættere forbundet med miljøet og forhindre følelser af isolering og klaustrofobi. Hvert modul vægtede anslagsvis 40-50 metriske ton (44-55 amerikanske ton) på Jorden - hvilket udgør 15-19 ton (16,5-21 amerikanske ton) i Mars-tyngdekraften.
Nogle af den indledende vægt ville omfatte det nødvendige brændstof til nedstigningen, som ville blive kaste under nedstigningen og betyde, at levestederne var endnu lettere, når de nåede Mars's overflade. Som med lignende design, vil hvert modul blive differentieret efter deres funktion, hvor nogle tjener som sovepladser og andre rekreationsfaciliteter, grønne rum, laboratorier, værksteder, vandgenbrug og sanitetsfaciliteter osv.
Den sidste berøring vil være bygningen af en "teknologisk akse", en gangbar tunnel bygget over jorden, hvor batterier, fotovoltaiske paneler og små atomreaktorer ville være stationeret. Disse ville sørge for basens betydelige elektriske behov, der inkluderer den nødvendige strøm til at vedligeholde magnetfeltet. Andre elementer kan omfatte garager og oplag til efterforskningskøretøjer samt et astronomisk observatorium.
Dette forslag ligner på mange måder Solenoid Moon-base-konceptet, som Peroni præsenterede mindst års AIAA Space and Astronautics Forum and Exposition. Ved denne lejlighed foreslog Peroni at bygge en månebase, der bestod af gennemsigtige kupler, der ville være indesluttet i en toroidformet struktur bestående af højspændingsledninger.
I begge tilfælde handler de foreslåede levesteder alt om at sikre deres beboers behov - som ikke kun inkluderer deres fysiske sikkerhed, men også deres psykologiske velvære. Peroni ser fremover og håber, at hans forslag vil skabe større diskussion og forskning i de særlige udfordringer ved at bygge off-world bases. Han håber også at se mere innovative koncepter designet til at tackle disse.
”Denne foreløbige undersøgelse kan muligvis tilskynde [den] fremtidige udvikling af disse teorier og en dybere undersøgelse af temaer og emner, der er omfattet af dette bidrag, at hvorfor ikke, i fremtiden vil [give] mennesker mulighed for at realisere drømmen om at leve på Mars længe perioder uden at være lukket under tunge metalbur eller mørke klippehuler, ”sagde han.
Det er tydeligt, at enhver bosættelse, der er bygget på Månen, Mars eller derudover i fremtiden, skal være stort set selvforsynende - producerer deres egen mad, vand og byggematerialer in situ. På samme tid vil denne proces og den daglige livs handling være stærkt afhængig af teknologi. I de kommende generationer er Mars sandsynligvis det beviser, hvor vores metoder til at leve på en anden planet testes og undersøges.
Inden vi begynder at sende mennesker til den røde planet, er vi nødt til at sikre, at vi lægger vores bedste metoder frem. Og sørg for at tjekke denne video af modulbasen, der udsendes til Mars fra rummet, takket være Marco Peroni Ingegneria:
