Om och när vi bestämmer oss för att åka till Mars (och stanna där), kommer nybyggarna från Mars att möta några allvarliga utmaningar. För det första är planeten extremt kall jämfört med jorden, i genomsnitt cirka -63 °C (-82 °F), vilket är jämförbart med en kall natt på Antarktis. Utöver det finns den otroligt tunna atmosfären som inte kan andas för människor och markvarelser. Lägg därtill strålningen så börjar du se varför det kommer att bli svårt att bosätta sig på Mars.
Men som ordspråket säger, nödvändigheten är uppfinningarnas moder. Och för att stimulera uppfinningsprocessen har NASA samarbetat med Bradley University of Peoria för att lansera 3D-printad Habitat Centennial Challenge konkurrens. Som en del av NASA:s Centennial Challenges , som sponsras av Direktoratet för rymdteknikuppdrag , den här tävlingen delade nyligen ut $100 000 i prispengar till fem lag för sina designkoncept.
NASA Centennial Challenges inleddes 2005 för att direkt engagera allmänheten och producera revolutionerande applikationer för utmaningar för rymdutforskning. Programmet erbjuder incitamentspriser för att stimulera innovation inom grundläggande och tillämpad forskning, teknikutveckling och prototypdemonstration. För att administrera tävlingen samarbetade Bradley University också med sponsorer Caterpillar , Bechtel och Brick & Mortar Ventures .
För tävlingen fick deltagarna i uppdrag att skapa digitala representationer av de fysiska och funktionella egenskaperna hos en Mars livsmiljö med hjälp av specialiserade mjukvaruverktyg. En panel av NASA, akademiker och branschexperter tilldelade laget poäng baserat på olika kriterier, som avgjorde hur mycket prispengar varje vinnande lag fick. Av 18 bidrag från hela världen valdes 5 lag ut.
I ordning efter hur mycket prispengar de tilldelades var de vinnande lagen:
- Team Zopherus från Rogers, Arkansas – $20 957,95
- AI. SpaceFactory of New York – $20 957,24
- Kahn-Yates från Jackson, Mississippi – $20 622,74
- SEARch+/Apis Cor i New York – 19 580,97 USD
- Northwestern University of Evanston, Illinois – $17 881,10
Designtävlingen betonar alla de utmaningar som att bygga en livsuppehållande livsmiljö på Mars skulle innebära, vilket inkluderar de stora avstånden och skillnaderna i atmosfär och landskap. Kort sagt, teamen behövde skapa livsmiljöer som skulle vara isolerade och lufttäta och som också kunde byggas med hjälp av lokala material (alias in-situ resursutnyttjande).
Tävlingen startade 2014 och har strukturerats i tre faser. För Fas 1 , designtävlingen (som avslutades 2015 med en prispåse på 50 000 $), var lagen tvungna att skicka in en återgivning av deras föreslagna livsmiljö. Fas 2 , Structural Member Competition, fokuserad på materialteknik och krävde team för att skapa strukturella komponenter. Denna fas avslutades 2017 med en prispåse på 1,1 miljoner dollar.
För Fas 3 , On-Site Habitat Competition – som är den aktuella fasen av tävlingen – tävlande fick i uppdrag att tillverka underskaliga versioner av sina livsmiljöer. Denna fas har fem konkurrensnivåer, som består av två virtuella nivåer och tre konstruktionsnivåer. För de förstnämnda fick teamen i uppdrag att använda programvaran Building Information Modeling (BIM) för att designa en livsmiljö som kombinerar alla strukturella krav och system som den måste innehålla.
För konstruktionsnivåerna kommer teamen att krävas för att självständigt tillverka 3D-utskrivna delar av livsmiljön, vilket kulminerar med en utskriven livsmiljö i en tredjedels skala för den sista nivån. I slutet av denna fas kommer lagen att tilldelas prispengar från en plånbok på $2 miljoner. Som Monsi Roman, programledaren för NASA:s Centennial Challenges, sa i en nyligen genomförd NASA pressmeddelande :
'Vi är glada över att se framgångarna för denna mångfaldiga grupp av lag som har närmat sig denna tävling i sina egna unika stilar. De designar inte bara strukturer, de designar livsmiljöer som gör det möjligt för våra rymdfarare att leva och arbeta på andra planeter. Vi är glada över att se deras design komma till liv när tävlingen går framåt.”
De vinnande bidragen inkluderade team Zorphues koncept för en modulär livsmiljö som inspirerades av biologiska strukturer här på jorden. Byggprocessen börjar med att en lander (som också är en mobil tryckfabrik) når ytan och skannar miljön för att hitta ett bra 'tryckområde'. Den går sedan över detta område och använder rovers för att samla in material och tätar sedan till marken för att ge en trycksatt utskriftsmiljö.
Huvudmodulen sätts sedan ihop med hjälp av prefabricerade komponenter (som luftslussar, fönster, atmosfärskontroll, toaletter, handfat etc.), och strukturen skrivs ut runt den. Skrivaren går sedan själv till en angränsande plats och skriver ut en annan modul med samma metod. Med tiden kopplas ett antal livsmiljöer till huvudmodulen som ger utrymmen för boende, rekreation, livsmedelsproduktion, vetenskapliga studier och andra aktiviteter.
För sitt koncept valde teamet på andra plats (Team AI. SpaceFactory) en vertikalt orienterad cylinder som den mest effektiva formen för deras Marsha-habitat. Enligt teamet är denna design inte bara den idealiska tryckmiljön, utan maximerar också mängden användbart utrymme, gör att strukturen kan delas upp vertikalt baserat på aktiviteter, är väl lämpad för 3-D-utskrift och tar upp mindre ytutrymme.
Teamet har också utformat sin livsmiljö för att hantera temperaturförändringar på Mars, som är betydande. Deras lösning var att designa hela strukturen som ett flänsförsett skal som rör sig på glidlager vid sin grund som svar på temperaturförändringar. Strukturen är också ett dubbelskal, med det yttre (tryck)skalet helt skilt från den inre livsmiljön. Detta optimerar luftflödet och tillåter ljus att filtrera in i hela livsmiljön.
Nästa upp är Khan-Yates habitat, som teamet utformade för att vara speciellt lämpade för att motstå dammstormar och hårda klimat på den röda planeten. Denna korallliknande kupol består av en lander som skulle lägga sig i ekvatorialområdet och sedan skriva ut ett fundament och ett fotlager med hjälp av lokala material. Tryckarmen skulle sedan övergå vertikalt för att börja skriva ut skalet och golven.
Det yttre skalet är översållat med fönster som möjliggör en väl upplyst miljö, det yttre skalet är skilt från kärnan och formen på strukturen är utformad för att säkerställa att dammstormar flyter runt strukturen. På fjärde plats kom SEArch+/Apis Cors Mars X-hus, en livsmiljö designad för att ge maximalt strålskydd samtidigt som det säkerställer naturligt ljus och anslutningar till Mars-landskapet.
Livsmiljön är konstruerad av mobila robotskrivare, som är utplacerade från en Hercules enstegs återanvändbar Lander . Designen är inspirerad av nordisk arkitektur och använder 'ljusskopor' och visningsöppningar på golvnivå för att säkerställa att solljus på de nordliga breddgraderna kommer in i interiören. De två yttre (och överlappande) skalen hyser bostadsområdena, som består av två uppblåsbara utrymmen med transparent CO2uppblåsta fönsterfickor.
Femteplatsen gick till teamet från Northwestern University för deras Martian 3Design-habitat, som består av en inre sfär med slutet skal och en yttre parabolisk kupol. Enligt teamet ger denna livsmiljö skydd från Mars-elementen genom tre designfunktioner. Den första är den inre formen på strukturen, som består av en cirkulär grund, ett uppblåsbart tryckkärl som fungerar som det huvudsakliga bostadsområdet och det yttre skalet.
Den andra egenskapen är entrésystemet, som sträcker sig från motsatta ändar av strukturen och fungerar som ingångar och utgångar och kan ge korsningar med framtida baljor. Den tredje egenskapen är tvärbalkarna som är kupolens strukturella ryggrad och är optimerade för tryckbelastning under Mars gravitation och atmosfäriska förhållanden, och ger kontinuerligt skydd mot strålning och elementen.
Den inre layouten är baserad på NASA Hawai'i Space Exploration Analog och simulering (HI-SEAS) livsmiljö, och är uppdelad mellan 'våta områden' och 'torra områden'. Dessa områden är placerade på motsatta sidor av livsmiljön för att optimera användningen av resurser genom att koncentrera dem på ena sidan (istället för att de ska löpa genom hela livsmiljön), och utrymmet delas också av en central, infällbar vägg som skiljer det inre i offentliga och privata områden.
Tillsammans förkroppsligar dessa koncept målen med 3D-Printed Habitat Centennial Challenge, som är att utnyttja medborgarnas uppfinnares talanger för att utveckla den teknologi som är nödvändig för att bygga hållbara skyddsrum som en dag gör det möjligt för människor att leva på månen, Mars och bortom . Som Lex Akers, dekanus för Caterpillar College of Engineering and Technology vid Bradley University, sa av tävlingen:
'Vi uppmuntrar ett brett spektrum av människor att komma med innovativ design för hur de föreställer sig en livsmiljö på Mars. De virtuella nivåerna tillåter lag från gymnasieskolor, universitet och företag som kanske inte har tillgång till stora 3D-skrivare att fortfarande vara en del av tävlingen eftersom de kan slå sig ihop med de som har tillgång till sådana maskiner för den sista nivån av tävlingen .”
NASA fortsätter i traditionen med Centennial-priserna och söker offentligt engagemang i denna tävling för att främja intresset för utforskning av rymden och ta itu med framtida utmaningar. Den försöker också utnyttja ny teknik för att lösa de många tekniska, tekniska och logistiska problem som rymdresor uppstår. En dag, om och när människor lever på månen, Mars och andra platser i solsystemet, kan de livsmiljöer de kallar hem mycket väl vara ett arbete av studenter, medborgare uppfinnare och rymdentusiaster.
För mer information om 3-D Pinrted Habitat Challenge, kolla in tävlingens webbsida .
Vidare läsning: NASA