Para insinyur dan arsitek sudah merancang permukiman bulan

NASA dan rencana kolonisasi bulan Badan Antariksa Eropa membutuhkan sistem pendukung kehidupan canggih dan perlindungan sinar kosmik

Perusahaan arsitektur Skidmore, Owings & Merrill dikenal untuk merancang dan mengembangkan Menara Burj Khalifa , bangunan tertinggi di dunia. Struktur ikon seperti itu adalah salah satu spesialisasi perusahaan. Tetapi di kantor mereka di New York, para arsitek sedang mengerjakan proyek yang bahkan lebih menakjubkan - gambar bangunan luar angkasa, proyek pertama semacam itu untuk perusahaan ini. Perusahaan ini mengembangkan pangkalan bulan bersama dengan European Space Agency (ESA) dan MIT.

Daniel Inocente , seorang desainer terkemuka, menunjukkan gambar-gambar dan gambar-gambar kepompong putih yang dihasilkan komputer yang tersebar di seluruh lanskap bulan, dihubungkan oleh pipa transisi dan dikelilingi oleh robot, panel surya dan astronot, dan bola biru yang akrab mengamati semua ini dari langit.

Gagasan-gagasan ini mungkin masih belum terealisasi, tetapi mereka membantu ESA memikirkan kemungkinan opsi untuk masa depan. Bulan menawarkan banyak kemungkinan. Ahli planet ingin mempelajari komposisinya untuk mempelajari tentang tata surya awal dan asal usul Bumi. Para astronom ingin membuat teleskop radio di sisi yang jauh. Peneliti medis ingin tahu bagaimana tubuh manusia bereaksi terhadap gravitasi rendah untuk waktu yang lama. Pengintai ruang angkasa ingin menguji peralatan atau menghasilkan bahan bakar untuk penerbangan ke asteroid, Mars dan seterusnya.

Bicara tentang mengirim orang ke bulan - pertama kali muncul setelah misi Apollo pada 1970-an - baru-baru ini mendapatkan momentum. Pada tahun 2016, kepala ESA mengumumkan peluncuran program Moon Village , sebuah gagasan yang sengaja dibuat kabur yang menginspirasi peserta swasta dan publik untuk bekerja sama dalam penjelajahan robot dan manusia di bulan. Tahun lalu, delapan sukarelawan Tiongkok menyelesaikan percobaan mereka, menghabiskan satu tahun penuh di sebuah pangkalan yang mensimulasikan sebuah istana bulan yang disebut Lunar Palace 1 untuk menguji sistem pendukung kehidupan.

Dan meskipun perusahaan swasta tidak berencana untuk mengirim orang ke bulan dalam waktu dekat, roket dari SpaceX dan Blue Origin dapat secara signifikan mengurangi biaya proyek semacam itu bagi pemerintah. Beberapa bulan yang lalu, Wakil Presiden AS Mike Pence berjanji untuk mengembalikan para astronot ke bulan selama 5 tahun.

Namun, untuk memperlengkapi orang di bulan, para ahli perlu memecahkan beberapa, untuk membuatnya lebih halus, masalah . Ini termasuk bertahan dalam kondisi yang keras, membangun struktur dari bahan-bahan lokal, menyempurnakan sistem pendukung kehidupan, dan menyelesaikan masalah dengan satu komplikasi yang berpotensi fatal yang saat ini kami tidak memiliki solusi: dengan debu.

Tiga faktor paling penting untuk menentukan lokasi untuk penyelesaian bulan, seperti yang dikatakan makelar mana pun kepada Anda, adalah: lokasi, lokasi, dan lokasi. Di Skidmore, Owings & Merrill (SOM) mereka memutuskan bahwa tempat yang paling menarik adalah di tepi Kawah Shackleton dekat kutub selatan bulan.

Ada bukti meyakinkan bahwa area permukaan dalam bayangan konstan kawah mengandung es air yang sampai di sana dengan komet kuno - sangat cocok untuk minum, memasak, mencuci, membuat beton dan memisahkannya menjadi hidrogen dan oksigen untuk menghasilkan bahan bakar roket.

Tetapi di mana pun mereka memutuskan untuk mendirikan bangunan, arsitek ruang angkasa dan insinyur menghadapi kendala yang tidak menjadi perhatian spesialis biasa di bidang ini. Di bulan, tentu saja, hampir tidak ada udara, sehingga rumah apa pun harus ditutup dan kedap udara. Dan jika sebagian besar batu kosmik terbakar di atmosfer Bumi, permukaan bulan terus-menerus dibombardir dengan mikrometeorit. Dalam hal ini, struktur harus dirancang untuk serangan semacam itu.

Gravitasi sekitar 6 kali lebih lemah dari Bumi. Ini memungkinkan Anda membangun struktur memanjang, tetapi juga membutuhkan lebih banyak titik dukungan. Karena gravitasi yang lemah, sulit untuk menggali: Anda menekan dan menekan Anda ke atas. Temperaturnya ekstrem di sana, jadi di hunian perlu dilengkapi sistem pemanas dan pendingin yang kuat, dan bahan-bahan yang dikandungnya harus tahan terhadap kompresi dan ekspansi yang signifikan.

Ada juga masalah radiasi. Matahari terus-menerus memancarkan aliran proton dan elektron berkecepatan tinggi - angin matahari. Dan jika medan magnet Bumi melindungi kita dari sebagian besar darinya, Bulan tidak memiliki medan magnet, sehingga semua partikel bertabrakan dengan permukaan. Yang lebih berbahaya adalah pengusiran massa koronal Matahari. Selama peristiwa ini, kelompok proton dan elektron berenergi tinggi pecah ke luar angkasa. Ledakan yang kuat dapat berjumlah beberapa sievert (sievert - unit radiasi) di permukaan bulan, yang cukup bagi seseorang untuk mati jika dia tidak dapat kembali ke Bumi untuk transplantasi sumsum tulang. Dan, seolah-olah bahaya ini tidak cukup, astronot di bulan akan terus-menerus dibombardir dengan sinar kosmik, yang kemungkinan akan meningkatkan risiko kanker.


Modul hunian pra-rakitan yang dirancang oleh SOM akan disertakan dalam fairing roket

Di kantor SOM Inocent, New York, ia berbicara tentang tawaran perusahaannya untuk mencetak dinding di sekitar kepompong rumah bulan pada printer 3D, dan dengan demikian melindungi diri mereka dari radiasi mematikan. Penduduk yang berada di pangkalan untuk waktu yang lama akan membutuhkan dinding setebal tiga meter untuk melindungi diri dari sinar kosmik galaksi. Tidak ada gunanya mengirimkan ton semen dari Bumi, sehingga para astronot akan menggunakan sumber daya lokal - yaitu, mengambil keuntungan dari apa yang sudah ada di sana.

Dalam konsep SOM, dinding akan dibangun dari tanah bulan, yang disebut regolith , karena tidak ada bahan organik. Salah satu caranya adalah mencetak 3D dari dinding, baik secara langsung dalam satu bagian di tempat, atau pada batu bata yang akan saling menempel selama konstruksi. Beberapa arsitek ruang mengusulkan untuk menempatkan semen regolith di lapisan menggunakan nozzle robot.

Tetapi bagaimana jika cairan dalam campuran semen menguap atau membeku sebelum semen di dinding atau batu bata mengeras? Peneliti Eropa, bersama-sama dengan biro arsitektur Foster + Partners, mempelajari kemungkinan mengikat cairan dan menyuntikkan mereka untuk mencegah efek ini, dan mencetak bagian dinding menggunakan simulator regolith. Namun, maka kontraktor masih perlu mengirim bahan pengikat cairan atau bubuk semen khusus ke bulan.

SOM lebih suka mengekstrusi regolith cair melalui nosel dengan cara perekat hot-melt . Pendekatan lain adalah sintering , atau memanaskan regolith di atas titik leleh, sehingga kemudian melebur dan membeku. Dalam satu proyek ESA yang disebut RegoLight, para peneliti memusatkan sinar matahari menjadi sinar yang kuat dan mengendarainya melintasi permukaan simulator regolith, menyatukan batu bata lapis demi lapis. Prosesnya lambat, dan batu bata uji lemah, sehingga banyak peneliti percaya bahwa microwave sintering, menggunakan oven microwave atau balok untuk mengikat debu, akan menjadi strategi yang unggul. Sejauh ini, SOM sedang menjajaki opsi sintering.



Untuk tempat tinggal yang relatif rendah, regolith dapat dengan mudah dituangkan ke struktur logam (dan meninggalkan ruang untuk pemeliharaan). Pilihan lain yang lebih teoretis adalah menempatkan modul hunian di dalam tabung lava bulan - terowongan kosong besar tempat batu lelehan pernah mengalir.

Regolith akan digunakan tidak hanya untuk melindungi bangunan, tetapi juga pembangunan lokasi peluncuran dan jalan. Brent Sherwood , ketua Komite Teknis Arsitektur Ruang Angkasa dari American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), mengusulkan untuk memanggang ubin regolitik dalam oven microwave. Sebuah pendaratan pesawat ruang angkasa pada platform, atau kendaraan yang bergerak di jalan beraspal dengan ubin tersebut, akan meningkatkan sedikit debu. Jalan juga akan membuat robot lebih mudah bergerak di permukaan. "Intinya, saya ingin mengubah permukaan bulan menjadi lantai pabrik yang bisa diprediksi, seperti di gudang Amazon," katanya.

Hannah Luck , seorang arsitek ruang ESA dengan pengalaman dalam arsitektur dan desain tekstil, menawarkan penggunaan regolith yang lebih tidak konvensional. Dia dan rekan-rekannya berhasil melelehkan simulator regolith dan menariknya ke dalam benang, dengan robot yang dapat memutar pertanian logam, mendapatkan kepompong berserat. Rumah yang diperoleh dengan metode pembuatan ini dapat ditempatkan di kawah, di mana jaring direntangkan untuk menahan regolit yang ditumpuk di atasnya. Mereka juga menggunakan robot untuk menghasilkan versi mini dari pelapis semacam itu. Akibatnya, banyak teknik untuk menggunakan regolith kemungkinan akan diadopsi di koloni bulan di masa depan.

Dan seperti apa modul hunian bulan di belakang dinding-dinding regolith bulan ini? Proyek-proyek kerja SOM saat ini tumbuh dari saran-saran yang telah dibuat para insinyur selama beberapa dekade, biasanya untuk kubah atau silinder, kadang-kadang sepenuhnya atau setengah terbenam di tanah.

Arsitek dan insinyur ruang angkasa umumnya percaya bahwa hunian pertama di bulan akan menyerupai modul stasiun ruang angkasa internasional (ISS). "Teknologi generasi pertama sedikit kurang seksi" dibandingkan dengan gambar sci-fi, kata Jaime Benaroya , seorang insinyur pada mekanika dan teknik kedirgantaraan di Rutgers University, penulis The Moon Housing Construction: Pendekatan Teknik untuk Lunar Settlements . Tempat tinggal pertama akan menjadi kandang tertutup di bawah tekanan, ditutupi dengan regolith untuk melindungi terhadap radiasi - pada kenyataannya, terkubur dalam kaleng.

Menurut Sherwood, yang sedang mengerjakan pembuatan modul untuk ISS dengan Boeing, para insinyur sudah tahu cara membuat, menguji, menjalankan, dan memperbaiki modul semacam itu. "Kami mendapat banyak sekali pengetahuan melalui stasiun ruang angkasa," katanya.

Sebagai hasilnya, kita dapat beralih ke modul tiup yang dapat berkembang ke volume besar, setelah kita memahami bagaimana mengintegrasikannya dengan struktur yang kaku dan mengemasnya sehingga dapat ditata dengan benar. Bigelow Aerospace dari Las Vegas menjual lisensi NASA untuk paten untuk pembangunan modul tiup , yang merapat dengan ISS pada 2016 untuk pengujian. Dan meskipun sekarang hanya digunakan sebagai gudang , Bigelow terus mengumpulkan data tentang bagaimana ia bereaksi terhadap perubahan suhu, radiasi dan tabrakan dengan puing-puing ruang.

Dalam pekerjaannya dengan ESA, SOM memilih persilangan antara kaleng dan balon. Modul yang sedang dikembangkan kira-kira berbentuk silinder dan tingginya 9,5 meter. Ini memiliki tiga lantai, dan inti vertikal, memungkinkan penghuni untuk bergerak di antara mereka. Tiga bagian tiup bertepatan dengan modul dan menambahkan pada setiap lantai ruang hidup. Di tingkat bawah ada tiga pintu yang menghubungkannya dengan modul tetangga.





SOM belum memilih teknologi untuk sistem iklim, mata pencaharian, makanan dan area rekreasi untuk staf. Namun, praktik arsitektur umum melibatkan pengguna dalam tahap awal pengembangan harus memastikan bahwa rumah nyaman untuk perumahan. Larry Tups, seorang arsitek ruang angkasa NASA yang mengawasi kontrak perumahan luar angkasa, mengatakan para insinyur kadang-kadang perlu diingatkan tentang pengalaman pengguna produk mereka: misalnya, limbah tidak boleh mendekati galai.

Itulah yang tidak perlu dikhawatirkan SOM ketika mengembangkan Burj Khalifa, ini tentang pemrosesan urin. Sistem pendukung kehidupan bulan pertama bisa "terbuka", seperti yang digunakan selama misi Apollo: oksigen, makanan dan air memasuki sistem, dan limbah dibuang di lokasi. Menurut perkiraan , setiap orang membutuhkan 5 hingga 15 ton bahan habis pakai - terutama udara, makanan, dan air - per tahun.

Namun, dengan kemungkinan yang lebih besar, sistem fisikokimia pengolahan limbah, seperti yang digunakan di ISS, akan dilaksanakan pada tahap pertama. Stasiun luar angkasa mengumpulkan air seni, air limbah, dan kondensat dari keringat astronot dan pernapasan, menyaring semuanya dan mengubahnya menjadi air minum. Beberapa saringan tingkat molekuler (menggunakan kristal silika dan alumina) dikeluarkan dari udara oleh CO ₂ dan air dielektrolisis untuk menghasilkan oksigen.

Proyek "Next Generation Life Support System" NASA sedang mengerjakan pendekatan baru, tetapi "sering kali kami tidak mencoba untuk menemukan bahan kimia baru," kata Molly Anderson , kepala petugas teknologi. Pada dasarnya, NASA berusaha meningkatkan efisiensi sistem yang ada. Badan tersebut juga perlu memfasilitasi peralatan, membuatnya lebih andal dan dapat dipelihara. Sedangkan untuk mainan baru, tim sedang menguji prototipe kompresor untuk mengisi ulang tabung oksigen dari pakaian antariksa, sistem pirolisis yang menggunakan panas untuk menguraikan limbah padat menjadi elemen yang berguna, dan sekuensing DNA portabel untuk melacak keberadaan mikroba di permukaan dan di air.

Anderson mengatakan lebih mudah untuk mengatur sistem pendukung kehidupan di Bulan daripada di ISS, setidaknya karena gravitasi memungkinkan Anda untuk membuat pancuran dan toilet normal dengan keturunan.

Langkah selanjutnya dalam pengembangan sistem pendukung kehidupan bulan adalah menciptakan sistem bioregeneratif di mana organisme di dalam perumahan akan menyediakan makanan, udara bersih dan air kepada staf, dan membusuk sampah. Sebagai bagian dari program Sistem Pendukung Kehidupan Mikroekologi Alternatif ( MELiSSA ) ESA , sebuah eksperimen dilakukan di mana tiga tikus dan ganggang hidup bersama selama enam bulan berturut-turut. Tikus mengubah oksigen menjadi CO ₂ , dan ganggang - dan sebaliknya.

Biologi bahkan dapat membantu kita dalam konstruksi. Keberuntungan tumbuh batu bata dari miselium dan bahan tanaman, dan menunjukkan bahwa pengalaman jamur simulasi baik bobot dan radiasi yang ditemui di bulan. Bahan bangunan yang ditanam secara lokal berpotensi menggantikan regolith.

Kita cenderung melihat sistem hibrida di mana bagian makanan akan dibawa dari Bumi. Bahkan jika para ilmuwan dapat secara genetik memodifikasi semua tanaman untuk memberikan semua nutrisi yang diperlukan, para astronot mungkin masih membutuhkan berbagai makanan untuk mempertahankan sistem pencernaan yang sehat. Orang tidak akan mau makan hal yang sama setiap hari, tetapi butuh banyak upaya untuk mengubah tanaman atau ganggang menjadi makanan. "Kami tidak ingin mengirim astronot ke sana sebagai petani," kata Anderson.

AIAA Sherwood setuju dengan kebutuhan akan keanekaragaman - terutama jika turis antariksa bepergian ke bulan. "Anda tidak akan membuka hotel sampai Anda dapat mencampur martini atau membuat telur dadar di dalamnya," katanya. Tetapi kita tahu sedikit tentang memasak dalam kondisi gravitasi rendah.

Agar orang dapat hidup di bulan, SOM merencanakan kehadiran tenaga kerja robot. "Survei geodesi, pergerakan regolith, konstruksi, ekstraksi sumber daya, dan pemeliharaan rutin bukan yang terbaik yang bisa ditangani orang," kata Sherwood. SOM mengharapkan robot untuk membangun perumahan, dan mungkin modul pembuatan produk, dan membangun dinding regolith sebelum penghuni pertama tiba.

Namun, satu kesulitan dapat berakibat fatal bagi manusia dan mesin: debu. Selama milyaran tahun, pengeboman mikrometeor menghancurkan lapisan permukaan bulan, menciptakan debu yang terdiri dari pecahan yang tajam dan halus, di tempat di mana tidak ada udara atau air yang dapat menghaluskan tepinya. Sekitar 10-20% dari massa lapisan atas regolith of the Moon terdiri dari partikel yang berukuran kurang dari 20 mikron, yang sebanding dengan bedak halus.

Partikel-partikel ini secara elektrostatik diisi oleh angin matahari, sehingga mereka membentuk campuran yang ditimbang dan menempel pada semuanya, dan mereka terlalu kecil untuk diperhatikan. Selama misi Apollo, hanya dalam beberapa jam berjalan di bulan, debu menyumbat pelindung sepatu bot, menghapus pakaian antariksa, menggaruk lensa, menghancurkan mobil, menyumbat filter udara dan membuat mata dan hidung astronot kesal. Jika terhirup, itu bahkan dapat menyebabkan kanker.

SOM mengusulkan pengorganisasian kamar untuk menghilangkan debu di pintu masuk ke tempat tinggal, tetapi bahkan jika mereka berhasil membuat ruangan internal benar-benar bersih, ini tidak akan mencegah degradasi peralatan eksternal. "Kami tahu apa yang terdiri dari regolith, dan mengapa itu adalah apa itu," kata Sherwood, "tetapi tidak ada yang tahu sedikit pun bagaimana merancang sistem yang dapat diandalkan dalam kondisi seperti itu."

Mencapai bulan itu sulit, dan tinggal di sana bahkan lebih sulit. Tetapi jika insinyur dan arsitek dapat mengatasi semua hambatan, kita akan memiliki seluruh dunia peluang baru.