ساخت زیستگاه برای فضانوردان به کمک منابع بومی مریخ و پرینت سه‌بعدی

وقتی از صحبت از سفر انسان‌ها به مریخ و نیاز به یافتن مکانی برای زیستن باشد، ناسا برنامه‌ای بسیار جاه‌طلبانه تدارک دیده است: استفاده از مواد خام موجود در سیاره سرخ برای چاپ سه‌بعدی یک زیستگاه در همان‌جا. این سوژه‌ی پروژه «چالش چاپ سه‌بعدی زیستگاه» بود که حدودا چند سال پیش از سوی این سازمان فضایی آمریکایی کلید خورد و از تیم‌هایی از طراحان دعوت به عمل آمد تا بهترین راهکار‌های خود را برای این مسئله ارائه کنند.

اما دقیقا چطور می‌توان مشتی خاک مریخی را تبدیل به خانه‌ای راحت برای فضانوردان کرد؟ وب‌سایت Digital Trends برای یافتن پاسخ این سوال به صحبت با دو متخصصی پرداخته که در این رقابت حضور داشته‌اند - تری لین آرشیتکت از تیم Zepherus که برنده مسابقه بود و متیو ترومنتر مهندس از تیم دانشگاه نورث‌وسترن. این دو به خوبی توضیح می‌دهند که چطور می‌توان به طراحی و ساخت یک زیستگاه روی سیاره‌ای دیگر پرداخت.

استفاده از منابع بومی

هنگام برنامه‌ریزی برای ساخت یک زیستگاه در مریخ، بزرگ‌ترین محدودیت به میزان موادی بازمی‌گردد که فضانوردان می‌توانند با خود از زمین به مریخ ببرند. هر گرم اضافه محموله‌ای که درون موشک بارگذاری می‌شود، بهای فراوانی از نظر مصرف سوخت به همراه می‌آورد و بنابراین منطقی نخواهد بود که مواد ساختمانی به سیاره سرخ برده شوند. برای همین است که نخستین ساکنین مریخ باید به استفاده از مواد خامی که به صورت بومی در مریخ یافت می‌شوند بپردازند.

تری لین، آرشیتکت تیم Zopherus که برنده چالش چاپ سه‌بعدی زیستگاه ناسا بود می‌گوید که باید رویکردی بسیار متفاوت نسبت به ساخت‌وساز عادی روی کره زمین در پیش گرفت.

در نخستین پژوهش‌هایش، لین نتوانست در حوزه پروژه‌های چاپ سه‌بعدی در ابعاد غول‌آسا و با استفاده از مواد بومی به نتیجه خاصی برسد، بنابراین او به سراغ منبع الهامی بسیار غیر منتظره رفت: حشرات. خودش توضیح می‌دهد که: «ما شروع به نگاه به زنبور‌های عسل و عنکبوت‌ها و سوسک‌ها کردیم. برای صد‌ها میلیون سال، آن‌ها اساسا برای ساخت زیستگاه‌های خود در حال چاپ سه‌بعدی بوده‌اند».

حشرات به اقصی نقاط محیط زیست سرک می‌کشند، منابع لازم را می‌یابند، آن‌ها را تبدیل به مواد قابل استفاده می‌کنند و کارآمدترین زیستگاه ممکن که با نیازهایشان سازگار است را می‌سازند - درست مانند کاری که لین و تیمش می‌خواستند انجام دهند. «صادقانه بگویم، ما متوجه شویم که حشرات به شکلی بهتر از انسان‌ها قادر به ساخت یک زیستگاه متکی بر منابع محلی و چاپ سه‌بعدی شده هستند».

تیم او زیستگاهی مجهز به مریخ‌نورد‌هایی را متصور شود که می‌توانند به جهان بیرون بروند، مواد لازم را جمع‌آوری کنند و آن‌ها را برای ادامه پروسه ساخت‌وساز بازگردانند. «به طرق فراوان، این رویکرد شبیه شبیه زنبور عسلی است که بیرون می‌رود، اندکی منابع محلی را می‌جود و آن‌ها را تبدیل به خمیر کاغذی می‌کند که لانه‌اش از آن ساخته شده.»

در پیش گرفتن این رویکرد در روند ساخت‌وساز، مزایای متعددی با خود به همراه می‌آورد، چه روی مریخ و چه روی کره زمین. او می‌گوید: «این حقیقت که شما دارید از منابع بومی استفاده می‌کنید تفاوتی بنیادین در ماموریت‌های فضایی به وجود می‌آورد». به جای اتکا بر زنجیره‌های تامین طولانی، از نظر مصرف مواد و انرژی می‌توانید کار را به شکلی بسیار بهینه‌تر پیش ببرید. علاوه‌بر این، رویکرد چاپ سه‌بعدی امنیت بسیار بیشتری نسبت به ساخت‌وساز در شکل سنتی‌اش دارد. «صنعت ساخت‌وساز صنعتی بسیار خطرناک به حساب می‌آید... بنابراین اگر بتوانید بخش‌هایی از کار را بدون دخالت انسانی پیش ببرید، از مزایای امنیتی آن نیز برخوردار خواهید شد».

چاپ سه‌بعدی ضمنا می‌تواند به شکلی سریع‌تر و ارزان‌قیمت‌تر انجام شود و تا حدودی، آزادی عمل بیشتر را با خود به همراه می‌آورد. «از نقطه نگاه یک معمار، هنگامی که مشغول به چاپ سه‌بعدی باشید مقادیر قابل توجهی از آزادی عمل گیرتان می‌آید». دیگر لازم نیست بر موادی که به تولید انبوه رسیده‌اند متکی باشید، مثلا آجر‌هایی که ابعاد استاندارد و طراحی تخت و صاف دارند، بنابراین می‌توانید اشکالی بسیار پیچیده‌تر خلق کنید. «آزادی عمل این‌طور به دست می‌آید که می‌توانید به سراغ طرحی بروید که دقیقا برای چالش پیش رو شخصی‌سازی شده است.

چطور یک زیستگاه را چاپ سه‌بعدی کنیم؟

وقتی به چاپ سه‌بعدی فکر می‌کنید، به احتمال زیاد یک ماشین دسکتاپ در ذهن‌تان نقش می‌بندد که اشیایی چند سانتی‌متری چاپ می‌کند. وقتی نوبت به چاپ سه‌بعدی در ابعاد زیرساخت می‌رسد، نیاز به سخت‌افزاری بسیار بزرگ‌تر دارید که البته ذاتا پروسه‌ای یکسان را طی می‌کند. متیو ترومنر، کاندیدای دکترا در دانشگاه نورث‌وسترین و مدیر تیم طراحی زیستگاه مریخ این دانشگاه توضیح می‌دهد که: «شباهت از این جهت است که شما از نرم‌افزاری یکسان و تکنیک‌های حرکتی یکسان استفاده می‌کنید».

تفاوت در چگونگی قرار دادن مواد درون دستگاه ظاهر می‌شود. پرینتر‌های سه‌بعدی دسکتاپ از متد تعبیه‌ی ذوب شده استفاده می‌کنند «که اساسا مثل یک نخ از جنس پلاستیک ذوب شده است»؛ و گرچه می‌توان همین رویه را برای پرینت روی مریخ در مقیاس بزرگ‌تر در پیش گرفت، تیم ترومنر می‌خواست از یک نوع ماده دیگر به نام مارسکرت یا بتن مریخی استفاده کند. «ما مواد را از پیش با یکدیگر مخلوط می‌کنیم، نوعی خمیر می‌سازیم و سپس با اعمال فشار به آن شکل می‌دهیم.» بعد از این کافیست اجازه دهید که ماده شکلی سخت به خود بگیرد و کار تمام است.

مارسکرت با ترکیب رگولیث مریخ -ماده خاک‌مانندی که تمام سطح سیاره سرخ را پوشانده است- با سولفور به دست می‌آید. بتن سولفور برای چندین دهه روی کره زمین مورد استفاده قرار گرفته، ماده‌ای سرسخت است و در برابر سایش مقاومت می‌کند، بنابراین گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت و ساز در مریخ به حساب می‌آید. به محض ترکی این دو ماده، می‌توان آن‌ها را روی سیاره ریخت و زیستگاه را شکل داد.

ترومنر می‌گوید: «برای موارد استفاده در مریخ یا هر نقطه دیگری از فضا، باید نوعی بازو داشته باشید که حرکت می‌کند و مواد را درون ماشین چاپ سه‌بعدی قرار می‌دهد». روی زمین، مکانیزم‌های متکی بر بازوی مکانیکی محبوبیت کمتری نسبت به مکانیزم‌های استایل بشکه‌ای برای چاپ در ابعاد وسیه دارند، زیرا در حالت نخست می‌توان اشیایی با ابعاد محدود پرینت کرد - در واقع تا جایی که بازوی مکانیکی طول داشته باشد. اما هرچه سخت‌افزار پرینت سه‌بعدی پیچیده‌تر باشد، احتمال وقوع مشکلات نیز بیشتر می‌شود. وقتی می‌خواهید به ساخت و ساز در سیاره‌ای دیگر بپردازید، هرچه پروسه‌ها را ساده‌تر نگه دارید، بهتر است.

چالش‌های ساخت و ساز روی مریخ

مریخ نه برای انسان‌ها و نه ساختمان‌ها محیطی مناسب به حساب نمی‌آید. پیش از هر چیز، تغییرات دمایی در این سیاره بسیار زیاد است. دما در نزدیکی خط استوای مریخ می‌تواند در روز به ۲۱ درجه سلسیوس و در شب به معنی ۷۳ درجه سلسیوس برسد. این یعنی فشار و استرس زیادی به مواد ساختمانی وارد می‌شود.

ترومر می‌گوید برای فراهم آوردن امکان انبساط و انقباض در شب‌های بسیار سرد و روز‌های نسبتا گرم مریخ «می‌خواستیم ساختار‌هایی داشته باشیم که به صورت مستقل از یکدیگر منقبض و منبسط می‌شوند»؛ و این سازه‌ها باید آنقدر قدرتمند باشند که در برابر طوفان‌های خاکی مداوم سیاره سرخ دوام بیاورد. او توضیح می‌دهد: «اگر شما تلی از خاک روی نیمی از سازه خود داشته باشید، با وضعیت عدم تناسب وزن مواجه می‌شوید. در آن صورت باید چه کرد؟» طوفان‌های خاکی ضمنا پروسه ساخت‌وساز را متوقف می‌سازند و بنابراین باید به فکر چنین مواقعی نیز بود.

به همین خاطر است که تیم ترومر ایده ساخت گنبد‌ها را مطرح کرد. «گنبد‌ها شکلی عالی برای انقباض حرارتی دارند و همینطور باعث ریزش خاک می‌شوند». سازه‌های گنبدی شکل ضمنا وزن را به شکلی بسیار عالی پخش می‌کنند. از آن‌جایی که گرانش مریخ با زمین متفاوت است نیز، فضانوردانی که باید کار ساخت‌وساز را پیش ببرند با دشواری کمتری مواجه خواهند شد و می‌توانند با ابزار‌هایی سبک‌وزن‌تر و مواد کمتر کار را پیش ببرند.

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها اینست که چطور باید از فضانوردان در برابر تشعشعات خطرناک محافظت کرد. «رگولیث مریخ برای محافظت از تشعشعاتی که روی سطح سیاره تجربه می‌کنید آنقدر‌ها کارآمد نیست». این را متیو می‌گوید. سازه گنبدی شکل باید دیواری نزدیک به نیم متر میان افراد حاضر در زیستگاه و محیط بیرون داشته باشد، اما حتی این هم برای محافظت از فضانوردان حاضر در آن کافی نخواهد بود.

افزودن سولفور به رگولیت برای ساخت بتن مریخی می‌تواند به شرایط کمک کند، اما تیم ناسا قصد دارد از فیبر‌های پلی‌اتیلن هم بهره بگیرد که سپر بهتری در برابر تشعشعات خواهد بود. این پلی‌اتیلن‌ها را می‌توان با نخستین فضاپیما‌های بدون خدمه‌ای که به مریخ فرستاده می‌شوند حمل کرد.

نقش معماری

طراحی زیستگاه چالشی نیست که صرفا ذهن مهندسین را به خود مشغول کند. موضوع راجع به ساخت فضایی است که مردم در آن قادر به زندگی و کار کردن راحت، آن هم برای برهه‌های بسیار طولانی باشند. در همین حین، فضانوردان احتمالا به خاطر قرارگیری در محیطی شدیدا ایزوله، انبوهی استرس را نیز تجربه کنند.

زیستگاه تیم Zopherus به سه ماژول تقسیم شده بود: یک آزمایشگاه برای عملیات‌های علمی، یک فضای عمومی و یک فضای مخصوص خدمه که نیاز‌هایی مانند رسیدگی به بهداشت فردی و خواب را برطرف می‌کند. این زیستگاه ضمنا به گونه‌ای طراحی شده بود که بسته به نیاز‌های ماموریت، می‌شد ماژول‌های بیشتری به آن افزود.

این تیم می‌خواست فضای نهایی هم به نیاز‌های عملی و هم نیاز‌های روان‌شناختی فضانوردان رسیدگی کند. متیو می‌گوید: «ما این زیستگاه را بر مبنای یک فضای ورودی بزرگ در طبقه بالایی طراحی کردیم. یک پنجره بزرگ به فضانوردان اجازه می‌داد همینطور که زندگی راحت و امنی در داخل داشتند، نگاهی به سطح مریخ بیندازند. ما می‌خواستیم فضانوردان بیشترین امکان ممکن را برای مشاهده محیط پیرامون خود و ارتباط گرفتن با آن داشته باشند».

چنین ذهنیتی برای به انجام رساندن وظایف ضروری خواهد بود. اما مزایای فراوانی نیز از نقطه نگاه روان‌شناختی وجود دارد. «اگر قرار باشد برای یک سال، در فضایی چند صد متر مربعی روی سیاره‌ای که می‌خواهد شما را در هرجایی به جز اینجا به قتل برساند زندگی کنید، قطعا بهتر خواهد بود که احساس نکنید در یک قوطی دربسته گیر افتاده‌اید.»

تیم طراحان یک باغچه کشت‌آبی هم به فضا اضافه کردند تا هم گیاهان قادر به دریافت نور باشند و هم فضانوردان بتوانند میان آن‌ها قدم زده و از مزایای روان‌شناختی دسترسی داشتن به فضایی آرامش‌بخش بهره‌مند شوند. لین اعتقاد دارد که رسیدگی به نیاز‌های عملی و روان‌شناختی، لازمه‌ای مهم در کار یک معمار است. «معمار میان نیاز‌های انسان و محیط فیزیکی پل می‌زند. محیط فیزیکی‌ای که شخص در آن حضور دارد می‌تواند هم به شکل روان‌شناختی و عم عملیاتی بر او تاثیر بگذارد».

او نیاز‌های ماموریت و نیاز‌های روان‌شناختی را دو مقوله جداگانه در نظر نمی‌گیرد و در عوض آن‌ها را کاملا متکی بر یکدیگر می‌داند. «وقتی شما با یک انسان سر و کار دارید، نیاز‌های روان‌شناختی در واقع نیاز‌های عملی هستند. زیرا وضعیت روانی فضانوردان تاثیری مستقیم بر عملکرد آن‌ها در ماموریت می‌گذارد».

منبع: دیجیاتو

46