Planer om en modulopbygget marsbase, der ville give sin egen strålingsafskærmning

Ideen om at udforske og kolonisere Mars har aldrig været mere levende, end den er i dag. Inden for de næste to årtier, der er flere planer om at sende bemandede missioner til den røde planet, og endda nogle meget ambitiøse planer om at begynde at bygge en permanent bosættelse der. På trods af entusiasmen, der er mange væsentlige udfordringer, der skal løses, før sådanne bestræbelser kan prøves.

Disse udfordringer – som omfatter virkningerne af lav tyngdekraft på den menneskelige krop, stråling, og den psykologiske belastning ved at være væk fra Jorden – bliver så meget desto mere udtalt, når man har at gøre med permanente baser. For at løse dette, civilingeniør Marco Peroni tilbyder et forslag til en modulopbygget Marsbase (og et rumfartøj til at levere det), som ville give mulighed for kolonisering af Mars og samtidig beskytte dens indbyggere med kunstig strålingsafskærmning.

Peroni præsenterede dette forslag på 2018 American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) SPACE and Astronautics Forum and Exposition, som fandt sted fra den 17. til den 19. september i Orlando, Florida. Præsentationen var en af ​​flere, der fandt sted onsdag d. 19. september, temaet "Mars Mission Architectures."

For at sige det enkelt, ideen om at kolonisere Mars (eller hvor som helst i solsystemet) giver mange udfordringer – både fysiske og psykologiske. I tilfældet med den røde planet, disse inkluderer dens tynde og uåndbare atmosfære, dets meget kolde omgivelser, og det faktum, at det ikke har noget magnetfelt. Det er dette sidste emne, som er særligt udfordrende, da eventuelle fremtidige kolonister skal beskyttes mod en betydelig mængde stråling.

Kort sagt, den gennemsnitlige mængde stråling, som et menneske udsættes for på Jorden, er omkring 3,6 milliSieverts (mSv) om året, hvilket er takket være Jordens tætte atmosfære og beskyttende magnetfelt. Naturligt, det betyder, at astronauter og mennesker, der begiver sig ud over Jorden, udsættes for drastisk højere mængder af sol- og kosmisk stråling.

For at sikre astronauternes sundhed og sikkerhed, NASA har fastsat en øvre grænse på 500 mSV om året eller 2000 til 4000 mSV (afhængigt af alder og køn) i løbet af en astronauts liv. Imidlertid, Peroni vurderer, at afhængigt af hvor lang tid de tilbringer indendørs, den gennemsnitlige mængde stråling, som en Marsbosætter ville blive udsat for, ville være omkring 740 mSv om året. Som Peroni forklarede til Universe Today 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. Aluminiumsvæggene i ISS, for eksempel, er omkring 7 mm tykke og er effektive i LEO, men det er usandsynligt, at sådanne skjolde ville være nok i det interplanetariske rum, hvor de endda kan øge den absorberede dosis, medmindre de er væsentligt fortykkede."

For at imødegå denne trussel, tidligere forslag har anbefalet at bygge baser med tykke lag af marsjord – i nogle tilfælde, afhængig af sintring og 3-D-print til at skabe en hård keramisk ydervæg – og nødly i tilfælde af solstorme. Andre forslag har foreslået at bygge baser i stabile lavarør for at give naturlig afskærmning. Men som Peroni antydede, disse udgør deres egen andel af farerne.

Disse omfatter mængden af ​​materiale, der er nødvendigt for at skabe effektive skjoldvægge, og truslen om klaustrofobi. Som han forklarede:

"En NASA-undersøgelse fandt ud af, at en stor rumstation eller habitat krævede en afskærmning på 4 t/m2 Mars regolit (i betragtning af, at dens tæthed er mellem 1, 000 kg/m3 ved overfladen til 2, 000 kg/m3 i en dybde på nogle få cm, dette svarer til en tykkelse på 2 m, eller mindre, hvis materialet er komprimeret [ved at blive] sintret af lasere), for at opnå en effektiv dosishastighed på 2,5 mSv/år...

"Et underjordisk shelter kan også bruges som sovepladser og til alle de aktiviteter, hvor der ikke er behov for at kigge udenfor (såsom at se videoer eller nyde anden underholdning), men at leve altid i underjordiske strukturer kan bringe kolonisternes psykologiske helbred i fare (klaustrofobi), reducerer også deres evne til at vurdere afstande, når de er uden for forposten (vanskeligheder med at udføre EVA-opgaver) og kan være særligt dårlige, hvis en af ​​forpostens aktiviteter er rumturisme. Et andet problem er opførelsen af ​​drivhuse, som skulle tillade lyset fra solen at komme ind for at drive planternes biologiske mekanismer."

Som et alternativ, Peroni foreslår et design til en base, der ville give sin egen afskærmning og samtidig maksimere adgangen til Mars-landskabet. Denne base ville blive transporteret til Mars ombord på et fartøj med en kugleformet kerne (måler omkring 300 meter (984 ft) i diameter), omkring hvilken de sekskantede basismoduler ville blive arrangeret. Skiftevis, Peroni og hans kolleger anbefaler at skabe en cylindrisk kerne til at huse modulerne.

Dette rumskib ville transportere modulerne og indbyggerne fra Jorden (eller cis-månekredsløb), og ville være beskyttet af den samme type kunstigt magnetisk skjold, der bruges til at beskytte kolonien. Dette ville blive genereret af en række serier af elektriske kabler, der ville omslutte skibets struktur. Under rejsen, rumskibet ville også rotere omkring sin centrale akse med en hastighed på 1,5 omdrejninger i minuttet for at generere en tyngdekraft på omkring 0,8 g.

Dette ville sikre, at astronauterne ankom i kredsløb omkring Mars uden at have lidt under de degenerative virkninger af eksponering for mikrogravitation - som omfatter tab af muskel- og knogletæthed, nedsat syn, nedsat immunforsvar og organfunktion. Som Peroni forklarede det:

"På grænsen af ​​'rejsesfæren' vil der være de fremdriftssystemer, der er nødvendige for både rejsen og den nutidige rotation af rumfartøjet, for at generere kunstig tyngdekraft under rundturen. Disse rumfartøjer er blevet udviklet til bedre at integrere skibets bærende elementer med strukturen af ​​modulerne. Kuglens bærende struktur, som udgør karrets krop, er dannet af et sekskantet og femkantet diagram, og derfor er det lettere at forbinde og aggregere modulerne, som har lignende former."

En gang i kredsløb om Mars, skibssfæren ville stoppe med at rotere for at tillade hvert element at løsne sig og begynde at falde ned til Mars-overfladen, ved hjælp af et system af faldskærme, thrustere og luftmodstand til at bremse og lande. Hvert modul ville være udstyret med fire motoriserede ben, der ville give dem mulighed for at bevæge sig rundt på overfladen og forbindes med de andre beboelsesmoduler, når de ankommer.

Lidt efter lidt, modulerne ville arrangere sig selv i en sfærisk konfiguration under et toroidformet apparat. Meget ligesom den, der beskytter rumskibet, dette apparat ville være lavet af højspændingskabler, der genererer et elektromagnetisk felt for at skærme modulerne mod kosmisk stråling og solstråling. Et rumfartøj (såsom SpaceX's foreslåede BFR) kunne også afvige fra fartøjets centrale kerne, fragt de fremtidige bosættere til planeten.

For at bestemme effektiviteten af ​​deres koncept, Peroni og hans kolleger udførte numeriske beregninger og laboratorieforsøg ved hjælp af en skalamodel (vist nedenfor). Fra dette, de fastslog, at apparatet var i stand til at generere et eksternt magnetfelt på 4/5 Tesla, hvilket er nok til at beskytte indbyggerne mod skadelige kosmiske stråler.

På samme tid, apparatet genererede et næsten nul magnetfelt inde i apparatet, hvilket betyder, at det ikke ville udsætte indbyggerne for nogen som helst elektromagnetisk stråling - og derfor udgør den ingen fare for dem. Hvert modul, ifølge Peronis forslag, ville være sekskantet, måler 20 m (65,6 fod) i diameter, og ville have nok lodret plads indeni til at udgøre et beboeligt rum.

Hvert af modulerne ville hæve sig omkring 5 m (16,5 fod) over jorden (ved at bruge deres motoriserede ben) for at tillade Marsvinden at løbe af under sandstorme og forhindre ophobning af sand omkring modulerne. Dette ville sikre, at udsigten inde fra modulerne, en nøglekomponent i Peronis design, ville være uhindret.

Faktisk, Peronis forslag opfordrer til, at basen skal være åben så meget som muligt for det omgivende landskab gennem vinduer og himmelhvælvinger, som ville lade indbyggerne føle sig tættere knyttet til miljøet og forhindre følelser af isolation og klaustrofobi. Hvert modul ville veje anslået 40-50 tons (44-55 amerikanske tons) på Jorden - hvilket svarer til 15-19 tons (16,5-21 amerikanske tons) i Mars tyngdekraft.

Noget af den oprindelige vægt vil omfatte det brændstof, der er nødvendigt til nedstigningen, som ville blive kastet under nedstigningen og betyde, at levestederne var endnu lettere, når de nåede Mars' overflade. Som med lignende designs, hvert modul vil blive differentieret efter deres funktion, hvor nogle fungerer som sovepladser og andre rekreative faciliteter, grønne områder, laboratorier, værksteder, vandgenbrug og sanitetsfaciliteter, etc.

Den sidste touch vil være opbygningen af ​​en "teknologisk akse, "en gangbar tunnel bygget over jorden, hvor batterier, solcellepaneler og små atomreaktorer ville blive stationeret. Disse ville sørge for basens betydelige elektriske behov, som omfatter den nødvendige kraft til at opretholde magnetfeltet. Andre elementer kunne omfatte garager og varehuse til efterforskningskøretøjer, samt et astronomisk observatorium.

Dette forslag ligner på mange måder det Solenoid Moon-baserede koncept, som Peroni præsenterede mindst års AIAA Space and Astronautics Forum and Exposition. Ved denne lejlighed, Peroni foreslog at bygge en månebase, der bestod af gennemsigtige kupler, der ville blive lukket inde i en toroidformet struktur bestående af højspændingskabler.

I begge tilfælde de foreslåede levesteder handler om at sikre deres indbyggeres behov – som ikke kun omfatter deres fysiske sikkerhed, men også deres psykiske velbefindende. Ser på fremtiden, Peroni håber, at hans forslag vil fremme mere diskussion og forskning i de særlige udfordringer ved at bygge off-world baser. Han håber også at se flere innovative koncepter designet til at løse disse.

"Denne foreløbige forskning kan opmuntre [den] fremtidige udvikling af disse teorier og en dybere undersøgelse af temaer og emner dækket i dette bidrag, at, hvorfor ikke, i fremtiden vil [tillade] mennesker at realisere drømmen om at leve på Mars i lange perioder uden at være indelukket under tungmetalbure eller mørke klippehuler, " han sagde.

Det er klart, at enhver bosættelse bygget på Månen, Mars, eller mere i fremtiden skal være stort set selvforsynende – producere deres egen mad, vand, og byggematerialer in-situ. På samme tid, denne proces og det daglige liv vil være stærkt afhængig af teknologi. I de kommende generationer, Mars vil sandsynligvis være bevisgrunden, hvor vores metoder til at leve på en anden planet bliver testet og undersøgt.

Før vi begynder at sende mennesker til den røde planet, vi skal sikre os, at vi sætter vores bedste metoder frem.