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工程师和建筑师已开始在设计月球栖息地

2019-08-08 点击:1058
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图: SOM/Slashcube Earth Rise: Anartist的渲染显示了Skidmore,Owings&美林对扩大月球竞争的愿景。

NASA和ESA的月球殖民计划需要先进的生命支持系统和宇宙射线屏蔽。

Skidmore,Owings&美林是一家以设计和工程闻名的建筑公司。迪拜的哈利法塔是世界上最高的建筑,这些标志性建筑是该公司的特色之一。但在纽约市办公室,建筑师正在为SOM的第一次外星人任务绘制更为引人注目的图纸。该公司正与欧洲航天局和麻省理工学院合作设计月球基地。

首席设计师Daniel Inocente展示了散落在月球景观中的白色膨胀吊舱的草图和效果,由机器人,太阳能电池板和宇航员包围的管状走道连接,所有这些都由天空中可识别的蓝色球体监控。

这些想法可能永远无法实现,但它们正在帮助ESA思考未来的可能性。月球提供了许多机会。行星科学家希望研究其成分,以了解早期太阳系和地球的起源。天文学家希望在偏远地区建造射电望远镜。医学研究人员希望了解身体对长期低重力的反应。探险者希望测试设备或生产用于航行小行星,火星和其他行星的推进剂。

自20世纪70年代阿波罗计划结束以来,关于将人送上月球的第一次讨论已经热身。 2016年,欧空局局长宣布了“月球村”,这是一个刻意模糊的愿景,鼓励私人和公共演员合作开展机器人和人类探月。去年,八名中国志愿者在一个名为“越公一号”的模拟栖息地完成了一年的停留,以测试生命支持系统。

虽然私人公司不打算很快将人送到月球表面,但SpaceX和BlueOrigin的火箭可以大大降低政府成本。就在几个月前,美国副总统迈克彭斯承诺在五年内将宇航员送回月球。

但那些定居月球的人需要专家先解决一些问题。这些包括:处理恶劣环境,使用当地材料建造结构,掌握生命支持,以及处理可能致命的复杂问题,我们还没有明确的解决方案 - 灰尘。

确定月球定居点的三个最重要的因素是,正如任何房地产经纪人将告诉你的,位置,位置或位置。 SOM认为最吸引人的选择是在月亮南极附近的沙克尔顿陨石坑边缘拥有一块美丽的土地。

有强有力的证据表明,陨石坑的永久阴影中含有来自古彗星的水冰,这些彗星有益于饮用,烹饪,沐浴,混凝土,以及作为火箭推进剂的氧气和氢气。

无论在何处建造,空间建筑师和工程师都面临着传统从业者从不担心的局限。当然,月球上几乎没有空气,所以任何栖息地都必须密封。当大多数太空岩石在地球大气层中燃烧时,月球表面经常被微流星体击中。所以建筑必须能够承受这一打击。

那里的引力大约是地球的六分之一。这可以考虑大跨度结构,但它还需要更多的锚点。弱引力使采矿变得困难:推下将会推动你的发展。在极端温度环境中,栖息地需要强大的加热和冷却系统,必须能够承受严重的膨胀和收缩。

然后有辐射。太阳不断释放高速质子和电子电流太阳风。虽然地球的磁场保护我们免受大多数风的影响,但月球没有磁场,所以它撞击地面。更危险的是太阳的日冕物质抛射。这些事件将高能质子和电子抛入太空。强大的辐射能量会产生多次筛选。筛选是测量月球表面辐射暴露的标准。如果一个人没有返回地球进行骨髓移植,就足以杀死他。如果这种危险不足以忍受,月球上的宇航员也会暴露在银河系的宇宙射线中,这可能会增加他们终生患癌症的风险。

插图: SOM/SlashcubeMobileHome:预制的habitatmodules由Skidmore设计,Owings& Merrillwouldbeencasedinsiderocketfairingsforlaunch。

在SOM的纽约办公室,Inocente在月球栖息地周围提出了一个三维印刷墙,以保护生命免受辐射。长期居民需要一个3米长的盾牌来保护他们免受银河系的雷击。从地球运输大量混凝土是没有意义的,因此宇航员将使用当地资源,换句话说,他们将利用那里的资源。

在SOM的概念中,这些墙将由月球土壤制成,由于缺乏有机材料,月球土壤更适合称为表土。一种方法是对墙壁进行3D打印,或者将它们全部打印在“站立”位置,或者将它们“锁定”在一起作为砖块。一些空间建筑师建议通过机器人控制的喷嘴逐层沉积风化层水泥。

但是,如果水泥混合物中的液体在墙壁或砖块中的混凝土凝固之前蒸发或冻结怎么办?欧洲研究人员与建筑公司Foster + Partners合作研究了防止这种情况发生的粘合剂和注射方法,并用浮动地球模拟物打印墙壁。然而,承包商仍然需要将液体粘合剂或特殊水泥粉末运送到月球。

SOM喜欢通过热胶喷嘴挤压熔化的表土。另一种方法是将加热的表土烧结到接近其熔点的位置,直至其熔化。在ESA的一个名为“RegoLight”的项目中,研究人员将太阳光聚焦在强光束上,并在风化层模拟物表面逐层烘烤砖块。然而,这个过程很慢而且测试砖很薄弱,因此许多研究人员认为,成功的策略是微波烧结,使用微波炉或微波束吸收灰尘。 SOM正在密切关注烧结研究。

隧道。

道路还可以帮助机器人更轻松地导航地形。 “你可以将月球表面视为可预测的工厂车间,就像亚马逊的仓库一样,”他说。

ESA的空间建筑师HannaLkk提供了更广泛的在建筑和纺织技术背景下使用风化层的方法。她与合作者一起成功地将模拟物熔化并将其挤出到纤维中,纤维通过金属框架自动缠绕到纤维外壳结构中。使用这种制造方法,可以将栖息地模块放置在具有编织网的火山口中,以支撑堆叠在其上的更多风化层。他们还用机器人制作了封面的微型版本。最后,许多月球殖民地将来可能会使用许多使用风化层的技术。

月球风化层形成的障碍背后的月球栖息地模块是什么? SOM的持续设计是工程师几十年来提出的建议的产物,通常用于圆顶或圆柱体,有时用于埋葬或半埋。

太空建筑师和工程师普遍认为,第一个月球栖息地将类似于国际空间站单位。罗格斯大学的机械和航空航天工程师Haym Benaroya是《在月球上建造栖息地:月球定居点的工程方法》的作者,他说:“第一代技术是无效的。”原始栖息地覆盖了表土中的压力容器,用于辐射防护,从某种意义上说,它是埋在地下的锡罐。

据波音公司ISS模块工作的舍伍德称,工程师已经知道如何制造,测试,发射和维修这样一个单元。他说:“我们从空间站学到的知识是巨大的。”

最后,我们可以转向充气模块,一旦我们更好地了解如何将它们与刚性结构相结合以及如何将它们包装以进行适当的部署,充气模块可以扩展到更大的体积。总部位于拉斯维加斯的Bigelow航空航天公司授权NASA的专利建造一个充气机,该充气机在2016年连接到国际空间站进行测试。虽然Bigelow目前仅用于存储,但它继续收集有关其对温度变化,辐射的响应的数据和空间碎片的影响。

在与ESA的合作中,SOM是罐头和气球之间的东西。由其设计师设计的模块是一个不规则的圆柱形状,高9.5米。它有三层楼和一个垂直核心,允许居民在它们之间攀爬。三个充气部分延伸模块的高度,增加所有楼层的居住空间。底层有三个门连接到相邻的单元。

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插图: SOM/SlashcubeTripleDecker: EverySkidmore,Owings& Merrillhabitatwould还有三个级别,并且有一个很好的模拟核心。

SOM尚未决定环境控制系统,生命支持,电力和船员住宿的技术。但早期与用户互动的常见架构实践应该使其成为一个舒适的居住地。负责太空生活概念合同的太空建筑师拉里图普斯说,工程师有时需要关注用户体验:例如,废物处理不应放在厨房旁边。

在设计burjkhalifa时,SOM从不必考虑一件事,即回收尿液。月球上的第一个生命支持系统可能是“开环”,如阿波罗任务:提供氧气,食物和水,以及在现场处理废物。根据一项计算,每个人每年需要5到15公吨的消耗品,主要是空气,食物和水。

然而,第一步更可能是像国际空间站这样的物理化学循环系统。空间站收集宇航员的汗液和尿液,废水和呼吸物中的冷凝物,然后将其过滤以使其可饮用。一组分子筛过滤空气中的二氧化碳,而电解分解水产生氧气。

美国宇航局的下一代生命支持计划正在研究新的方法,但是领先的技术专家莫莉安德森说:“我们通常不想发明新的化学品。”大多数NASA都希望提高现有系统的效率。该机构还希望使硬件更轻,更可靠,更容易修复。至于新玩具,研究小组正在测试压缩机的原型,为太空舱的氧气罐充电,使用热分解系统将固体废物分解成有用的元素,并使用便携式DNA测序仪监测表面和水上的微生物。

安德森说,至少在一个方面,月球比国际空间站更容易维持生命:重力允许你洗澡和冲洗厕所。

月球的下一阶段生命支持将是生物再生系统,其中生物体提供食物,过滤空气和水,并分解废物。 ESA的微生态生命支持系统更换计划进行了一项实验,其中三只老鼠和一些藻类共同生活了六个月。大鼠将氧气转化为二氧化碳,藻类则相反。

我们甚至可以用生物学建立。 ESA的L?kk种植了带有菌丝和植物材料的砖块,证明这种真菌可以承受模拟失重并承受月球上遇到的辐射。这种局部生长的材料可以将代表性土壤作为建筑材料。

最有可能的是,我们需要一种混合系统,其中一些食物从地球运出。即使科学家通过基因工程改造作物来生产所有必需的营养素,宇航员仍可能需要多种食物来维持肠道健康。人们不想每天都吃同样的东西。将植物或藻类转化为食物需要大量处理。安德森“我们不想专门派遣宇航员,而是成为农民。”

美国宇航局的舍伍德同意多样化的需求,特别是如果月球是为了吸引太空游客。他说:“想拥有一家酒店吗?那么你至少需要学习马丁尼调酒和煎蛋卷。”但我们对如何在低重力下烹饪知之甚少。

为了让人们能够在月球上生活,SOM还必须为机器人制定劳动力计划。舍伍德说:“侦察,表土移动,建筑,资源开采,简单维护,这些都不是人们最擅长的。” SOM希望机器人能够建造一个生活区,也许是一个食品生产区,并且在任何人进入表土墙的建筑之前。

但是有一个复杂的问题对人类和机器都是致命的:灰尘。数十亿年来,微流星体的撞击破坏了月球表面,在没有空气或水的情况下产生了尖锐,尘土飞扬的玻璃碎片,使月球边缘平滑。月球表面质量的10%至20%由直径小于20微米的颗粒组成,如细滑石。

这些颗粒是由太阳风产生的静电电荷,因此它们悬浮在空气中,太小而不可见,但可以粘在任何东西上。在阿波罗任务中,经过几个小时的太空行走,灰尘笼靴子,穿着太空服,磨损的镜片,破坏的机器,堵塞的空气过滤器,刺激宇航员的眼睛和鼻子。如果吸入,甚至可能导致癌症。

设计可持续的系统。 “

登月是非常困难的,留在月球上会更加困难。但如果工程师和建筑师能够克服这些困难,那么充满各种可能性的世界就在等着我们。

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