Izrada baze Mars

Fotografija Ken Treloar na Unsplash

Zamislimo da djeluje kolonija Marsa od tisuću ljudi. Kako to može biti ekonomski održivo? Ne može izvoziti rude na Zemlju - troškovi isporuke su preveliki - i ne mogu izvoziti hranu ili bilo šta drugo što je teško. Ipak mora zaraditi novac sa Zemlje. To će to vjerojatno učiniti u obliku turizma i istraživanja - ništa drugo se ne čini praktičnim. Kao rezultat toga, grad bi trebao biti smješten na obodu kanjona ili drugog spektakularnog pogleda, te u blizini zanimljivih istraživačkih područja.

U konačnici, grad želi uvesti sa Zemlje najmanju moguću masu materijala. Konceptualno želi proizvesti vlastitu hranu, zrak i građevinski materijal te uvoziti računalne čipove (koji gotovo ništa ne teže i zahtijevaju ogromne tvornice za proizvodnju.) Žele robotizirati poljodjelstvo, rudarstvo i proizvodnju, jer ljudima je potrebna skupa hrana i smještaj, dok roboti trebaju samo energiju i održavanje. Tako će materijale izrađivati ​​samovozeći utovarivači, kamioni i topionice; proizvodnja će se izraditi pomoću trodimenzionalnih pisača, lasera i glodalica; montaža od strane robota; i popraviti roboti i povremeni ljudi. Uzgoj će se odvijati specijaliziranim robotima za korenje, sadnju i žetvu. Ljudi će uz pomoć moćnog AI planirati i organizirati te aktivnosti i provoditi istraživanje.

Ostatak ovog rada bavi se potrebnom površinom staklenika i njihovim dizajnom te dogradnim konstrukcijama za stanove i tvornice te potrebnim nuklearnim generatorom, ali ne bavi se topljenjem ili proizvodnjom.

Elon Musk namjerava 2024. godine ljude staviti na Mars i nekoliko godina kasnije pokrenuti koloniju, tako da je to vrijeme

odrediti osnovne parametre takvog poduzeća. Koja je veličina staklenika potrebna, koja masa gnojiva, koliko građevnog materijala po stakleniku, koja masa izolacije i zaštite od zračenja itd.? Ovaj je rad prvi obrazac pri takvim proračunima, ali drugi moraju ispuniti detalje.

Pretpostavlja se da su voda za navodnjavanje i gnojivo (fosfati itd.) Pronađeni na Marsu i da će zakopane građevine osigurati dovoljnu zaštitu od zračenja. Uključen je dizajn nuklearnog generatora od 2kW po glavi stanovnika iz ljubaznosti Frank Williamsa.

Do prvog približavanja ukupna misija je proporcionalna ljudskoj masi, tako da bi vrlo malo ljudi trebali činiti posadu. Odnosno, gimnastičari sa stotinjak kilograma pojesti će manje hrane, zahtijevat će manja vozila i četvrti i razmisliti jednako dobro kao i tristo funti za nogomet. Stoga će biti izabrani mali, fit, pametni ljudi. Dnevno im treba samo oko 1600 kalorija. (1) (Ovo se nije upotrijebilo u izračunima u nastavku, ali obećava rezanje veličine staklenika.)

Veličina kolonije

F.B. Salisbury je raspravljao o eksperimentima koje je izveo njegov laboratorij i jedan u Sovjetskom Savezu pomoću patuljaste pšenice. (2) Zaključio je da će "samo oko 15 m2 biljnog prostora biljke biti potrebno da osigura odgovarajuću prehranu jednom članu posade ako je taj član posade voljan jesti ništa osim pšenice! Uz dodatak drugih

usjeva plus sigurnosni faktor, 50 m² trebalo bi biti dovoljno. “Za 1000 kolonista nekih 50 000 m² ili 500 000 ft²

bili bi potrebni. To se čini malo, pa se primjenjuje dodatni faktor od četiri, čime se brojka doseže 2.000.000 ft². Procjenjuje se da će za stambene prostore, laboratorije i šetnice biti potrebno 1000 ft² po glavi stanovnika, ili 1,000,000 ft² za tisuću. Tako ukupna natkrivena površina iznosi 3 000 000 ft².

Usjevi proizvode dovoljno kisika da kolonisti mogu disati. Salisbury izvještava o Sovjetu

Bios 3 pokus (2 p152) da su bila tri člana posade i tri pretinca

63 m² i zasađeno povrćem, „… koje pruža dovoljno mogućnosti regeneracije zraka“.

Može biti da je marsovsko tlo manje plodno od zemljinog tla, tako da se ovi brojevi moraju povećati, ali ovaj će papir koristiti 3 000 000 ft² za preliminarno određivanje veličine. Ovo je kvadratni 1700 stopa sa strane, oko šest gradskih blokova širine 300 ft, razumna udaljenost kojom će kolonisti moći hodati. Kolona od milijun bit će kvadratna deset milja, tako da će kolonisti trebati bicikle.

Osnovni dizajn marsovskog staklenika

Slika 1. Cjelokupni dizajn

Mars je hladan, pa će se biljke smrznuti u plastičnom stakleniku na površini. Jedan od načina da se to spriječi je oblaganje kuća neprozirnom izolacijom i korištenje nuklearne energije za pokretanje svjetala, ali bolji način je sahranjivanje

kućom osim prozirne trake na vrhu, i koristite aluminijska ogledala da odražavaju koncentriranu sunčevu svjetlost duž pruge. Mylarni reflektori male mase mogu ravnomjerno raspršiti svjetlost biljkama.

Zrak mora držati plastične membrane i debljina se svodi na najmanju moguću mjeru, tako da je promjer cjevastih kuća što manji, recimo 16 stopa kako je prikazano u nastavku. To minimizira masu koja se mora donijeti sa Zemlje.

Strukturni dizajn

Važna je točka da je težina materijala u stakleničkoj membrani za pokrivanje istog područja proporcionalna polumjeru cijevi. Iako će pokrivati ​​isto područje, jedna cijev promjera 32 ft težit će dvostruko više od dvije cijevi promjera 16 ft. Tu težinu moraju astronauti podići na Marsu, a materijal se mora prevoziti na Mars ogromnim troškovima, pa je poželjno svesti ga na najmanju moguću mjeru. Stoga bi promjer cijevi trebao biti najmanji mogući, uz ograničenje da bude dovoljno velik da astronauti mogu proći (plus možda nekoliko stopa zbog psiholoških učinaka).

Evo dokaza da se volumen i masa materijala povećavaju s promjerom cijevi. Razmislite o dvije strukture koje pokrivaju isti raspon, a svaka se proteže jedna jedinica u papiru. Jedna ima jednu cijev, promjera D; drugi ima n cijevi, promjera D / n svaka.

Slika 2.

Područje oba sustava je isto. Područje pojedinačnog raspona je 1 (jedinica u papiru) x D / 2 = D / 2

Units2. Područje s više raspona je (po rasponu) 1 jedinica u papiru x D / 2n = D / 2 x 1 / n. Ali postoji n jedinica, tako da je ukupna površina D / 2 x 1 / n x n = D / 2 - identično isto područje kao i jedno raspon. Tako područje od

plastika potrebna za pokrivanje istog područja tla ista je, bez obzira na broj raspona. Ali

debljina je različita. Za cilindar S = Pr / t (gdje je S naprezanje, P je tlak, r je polumjer, t je debljina i dopušteno je radno naprezanje dotičnog materijala.) Tada trekred = Pr / Sallowable - to jest, t je proporcionalna r. Dakle, debljina, a time i volumen i masa membrane, proporcionalni su polumjeru. Stoga se radijus treba držati što je moguće manje. (Isto vrijedi i za kupole. Kupola od tisuću stopa voljena od ilustratora koštat će veliku težinu kazne ako su uopće izgrađeni.)

Cijev bi trebala biti puna cijev, a ne pola cijevi iznad. Problemi sidrenja i curenja bi bili ozbiljni za pola cijevi.

Pretpostavimo da je unutarnji tlak 8 PSI, približno jednak 15.000 ft na Zemlji (moguće s više od 21% kisika, normalna razina Zemlje, da nadoknadite "visoku nadmorsku visinu") Zidna membrana sastoji se od mjehura za držanje zraka, t = 0,003 inča (nagađanje zasnovano na tri miljarnog milara koji djeluje dovoljno snažno) plus mreža kevlarnih vlakana. NASA je upotrijebila sličan dizajn za dizajn napuhanog Mars Transhab, sa faktorom sigurnosti 4,0. Čini se da je ovo visoko, ali ljudi će spavati u Transhabu i u svemiru ima puno mikrometeorita; ovdje će se koristiti 3.0 jer ljudi obično neće spavati u stakleniku i tako mogu brže izaći u slučaju curenja. (Dizajn Transhaba ne može se izravno kopirati jer je namijenjen za uporabu u svemiru i ima težak antimikrometeoritni oklop.)

Kevlarna vlakna imaju krajnju vlačnu čvrstoću od 435.000 psi (3); dijeljenje sf daje dopušteni napon od 145Ksi. Trequired = Pr / Sallowable = 8psi x 96in / 145,000 = .0053in debljina ili ekvivalent u vlaknima tangencijalnog smjera. Međutim, aksijalno naprezanje u cilindru pod pritiskom iznosi točno polovinu tangencijalnog naprezanja, tako da će biti potrebna osna vlakna jednaka debljini od 0,0027, za ukupno .008. Dopuštajući učinke interakcije u kompozitnom materijalu, recimo ukupna debljina 0,009 inča. Osim toga, mjehur od .003 inča daje ukupno ogromnu debljinu od 0,012 inča. Kevlar teži 0,052 pci (pretpostavimo da mjehur teži isto; većina plastike čini.)

Odjeljak od jedne noge za 16 stopa prekriva 16 sf i teži: .012 u x 12 ”x 16ft x 12in / ft x x .05 pci = 4.4 lbs, ili 0.27 lb po prekrivenom ft2. Za staklenike i objekte potrebno je oko tri milijuna metara za 1000 ljudi, tako da cijela kolonija teži 800 000 funti. Ako tome dodamo i 176.000 funti za nuklearne generatore daje 976.000 funti. Dodavanje građevinskih strojeva, topionica, strojeva od stakloplastike itd. Može udvostručiti masu na dva milijuna funti. Za 225 dolara za funtu (dolje) isporučene na Mars, to košta 450 milijuna dolara. Za milijun ljudi trošak je 450 milijardi dolara. SpaceX pretpostavlja da će kolonisti platiti za svoje karte u jednom smjeru po 200 000 USD ili 200 milijuna USD za tisuću ljudi.

Procijenjeni trošak po kilogramu korisnog tereta isporučenog na površinu Marsa

SpaceX-ov inženjer i voditelj Paul Wooster kaže da se trude za manje od 500 USD po kilogramu ili 225 $ po funti (5)

Hoće li hidrostatski tlak srušiti cijev?

Suhi pijesak teži 100 kilograma po kubičnom stopalu, pa na dubini od 8 stopa na Zemlji njegov hidrostatski tlak iznosi 800 psf ili 5,5 psi. Marsova gravitacija samo je 3/8 veća od Zemljine, pa je na Marsu pritisak od 8 stopa na Marsu samo 2 psi. Cijev će biti pod tlakom do 8 psi, pa postoji sigurnosni faktor četiri protiv drobljenja.

Problem s sjenom

Na slici 3 prikazan je problem sjenčanja s ogledalima. Ako se staklenici dodiruju kao na slici 3A, ogledala će se zasjeniti jedno na drugo. Tako se ogledala moraju raširiti kao u 3B ili postaviti na nagib kao u 3C. Točan dizajn mora čekati na odabir mjesta za koloniju. Ako je razmak tri puta veći od promjera cijevi, tada se cijevi s dnevnim boravkom mogu staviti između cijevi staklenika i kolonija će biti iste veličine kao i prije. (Bez faktora četiri koji se primjenjuje na površinu staklenika. Opet treba odrediti točan dizajn.)

Slika 3.

Problem s sjenom

Slika 4. Termički dizajn

Toplinska analiza

Na slici 4 prikazan je tipičan odjeljak. Izolacija nije navedena, ali većina izolacija (airgel, pjenasta ploča itd. Iznosi R10 po inču, tako da bi za R50 bilo potrebno oko 5 inča izolacije, što se čini razumnim. (4) Polovica cijevi ispunjene pijeskom daje toplinsku masu (stabilizira

temperatura od dana do noći.) prosječna temperatura Marsa je -50 ° F, a staklenik radi 80 ° F, tako da

T je 130 F.

Razmotrite odjeljak jednom nogom u papir. Područje izolacije je 2x 8 ft x 1ft = 50 sf. Gubitak topline dnevno iznosi 50 x 130 ° T x 1/50 x 24 = 3100 btu. Unos je 16 sf x 317 btu / hour sf x 10 h dnevnog svjetla = 51,000 btu / dan. To je više od gubitka, pa se toplina mora odzračiti kroz radijatore (nije prikazano). (Razina ulaza određena je potrebnim fotosintezama za biljke za koje se pretpostavlja da daju maksimalan rast na normalnoj razini Zemlje za insolaciju.)

Masa izolacije se ne izračunava, jer će se gotovo sigurno proizvoditi na Marsu. Izolacija je lagana, ali voluminozna pa se ne može donijeti sa Zemlje. U njemu ne bi bilo mjesta u kapsulama za slijetanje. Za prve staklenike plast će se dovesti i pjenati na mjesto, a za koloniju će prvi kolonisti izrađivati ​​stakloplastike ili zračni komad iz marsovskog pijeska. Utvrđivanje najbolje metode zasigurno bi bilo zanimljivo.

Staklenici nude kisik i hranu za tisuću kolonista. Ako se dogodi tromjesečna olujna prašina i staklenici se smrznu, tada kolonisti umiru, što je neprihvatljivo. Staklenici moraju ostati topli tijekom najgoreg slučaja prašine od nekoliko mjeseci.

Kako će sustav ostati topao u pješčanoj oluji?

Marsovo tlo je -50 ° F. Tada je T na početku hlađenja = 80 - (-50 °) = 130 ° F. Na kraju je samo 32 - (-50)

= 82 ° F, a u prosjeku je 106 ° F. Prosječni gubitak po danu je 50 ft.² x 1/50 x106 ° F x 24 = 2500 btu dnevno.

Normalnog dana temperatura će varirati samo jedan stupanj iz dana u noć. Pijesak na polukružnom dnu kuće ima volumen 1 ft x ½ x x ⁸² = 100 ft3. Na 100 lb / ft3 teži 10.000 lb s toplinskom masom od 0,2 btu / lb = 2000 btu / F °. Dolazi do 130 btu / hr gubitka x 12 hr / 2000 btu / F ° = 0,8 F °.

Marsovske olujne oluje mogu trajati nekoliko tjedana, ali potrebno je pronaći najgori slučaj, koji može biti i mnogo duži.

Bit će nuklearna elektrana. Nuklearni generator potreban je jer solarne ćelije ne funkcioniraju bez svjetla, kao za vrijeme oluje. Može li se njegov izlaz koristiti za pokretanje grijača? Nuklearna elektrana za 1000 ljudi koja proizvodi 2kWe po glavi stanovnika proizvodi 2MWe, što je 6,820,000 btu na sat. (Toplinska snaga 8MW i

2MWe električni izlaz uz 25% učinkovitosti. Toplinski učinak generatora je 27 milijuna btu / h.) Postoji 187.000 ft staklenika, izgubivši u prosjeku 2.500 btu dnevno po ft, ili 104 btu na sat-ft. Tada 187.000 ft gubi 19.4 milijuna btu na sat, u usporedbi s 27 milijuna btu na sat od proizvođača. Generatori zaista mogu zagrijati staklenike.

Slijedi problem proizvodnje kisika. U olujnoj prašini biljke neće provoditi mnogo fotosinteze. Njihov se učinak mora nadoknaditi proizvodnjom kisika iz generatora. U dobra vremena treba čuvati i hranu i kisik.

Život kolonista je ugrožen ako je analiza olujne prašine pogrešna. S tim proračunima treba biti vrlo oprezan.

Nuklearni generator

Ljubaznošću Frank Williamsa

Proizvodnja i distribucija električne energije bit će kombinacija nuklearnih reaktora na bazi urana i minimalnog sustava baterija i super kondenzatora za uskladištenje i niveliranje energije. Primjena odgovarajućih nuklearnih reaktora bit će neovisna o uvjetima okoliša i tako osigurati stalnu snagu za čak i teške uvjete, npr. Olujne prašine koje mogu trajati nekoliko tjedana i slijedeće razdoblje iskopavanja iz rezultirajućih dina.

Predlažemo skalirani pristup, a ne jedan monolitni reaktor snage 2 megavata (MWe)

(prosječno 2 kWe po članu kolonije). Razlozi za to su mnogi.

Provedba vremena: reaktori se mogu pokrenuti nakon što se pokrene oprema za izgradnju mjesta.

o Prije ljudskog dolaska robotske misije mogu postaviti početnu opremu

o Reaktori se mogu pokrenuti s valovima ljudi dok kolonija raste

Eliminira način neuspjeha u jednoj točki

o Iako je malo vjerovatno da će puni neuspjeh velikog reaktora, uzimanje pojedinačnog, velikog reaktorskog sklopa za popravak imati značajne negativne utjecaje na koloniju

o Velike reaktore u osnovi je teže popraviti zbog glavnih problema, jednostavno zbog većih veličina i mase komponenti

Puštanje robota lakše je za manje reaktore prije dolaska čovjeka.

o Manji reaktori mogu se dizajnirati tako da se samo pokreću

Manje reaktore lakše je oblikovati i raditi kao primarno samo-moderirajuće sustave.

o Reaktorima koji se moderiraju postaju manje toplinski (a potom električki)

učinkoviti s povećanjem njihove veličine i snage

Nekoliko manjih reaktora može se pokretati kao skup radi pokrivanja varijacija u dnevnim, tjednim ili mjesečnim potrebama energije

o Potrebe za napajanjem variraju s vremenom.

o Reaktori moraju biti dizajnirani tako da imaju maksimalnu snagu ili značajnu energiju

potrebno je implementirati sustav skladištenja i isplate.

o Upotreba više reaktora koji se po potrebi mogu uključiti u mrežu i / ili aktivno moderirati minimalizirat će potrebu za bilo kojim električnim podešavanjem opterećenja i sustavom za skladištenje energije

Manji reaktori mogu se postaviti u blizini potreba za napajanjem

o Mali reaktori s umjerenom količinom zaštite mogu se postaviti mnogo bliže opremi i potrebama snage nego jedan veliki reaktor

Trenutno je predviđeno da je osnovni reaktor evolucija NASA-inog Kilopower reaktora prikazanog na slici 5. Evolucija će rezultirati reaktorom od 100 kWe od maksimuma trenutno predviđenog dizajna od 10 KWe. (NASA vjeruje da se trenutni dizajn Kilopower Reactor-a može razviti do 10 kWe.) Razvijeni dizajn zamijenit će jedinstvenu, cilindričnu visoko obogaćenu jezgru urana (HEU) s jednom središnjom jezgrom okruženom koncentričnim prstenovima HEU. Između središnje jezgre i sljedećeg prstena HEU bit će nekoliko elemenata: moderatori apsorbirača neutronskih bora, modelatori neutrola Berillium Oxida, metalne toplinske cijevi i razmaci koji imaju visoki koeficijent toplinske ekspanzije (CTE). Središnji cilindar bora u središnjem dijelu centralnog HEU cilindra (kao u reaktoru Kilopower) i elementi bora

Između središnje jezgre HEU i koncentričnog sloja HEU uklonit će se pri pokretanju reaktora i ponovno ga montirati pri zatvaranju reaktora. Visoki razmaci CTE između omogućuju samoumjeravanje reaktora omogućujući mu da radi na gotovo maksimumu bez stalnog praćenja ljudi.

NASA GRC za ljubaznost prema slikama, korištenje ne čini i potvrđuje NASA.

Slika 5. NASA-in svemirski nuklearni reaktor koji pokazuje pretvorbu energije sterlinga

sustavi.

Ranim postavljanjem prvih nekoliko reaktora koristit će se atmosferski sustavi odbijanja topline kako je to predviđeno NASA-inim konceptom za uporabu Kilopower reaktora kao što je prikazano na slici 6. Nakon što stanovnici ljudi stignu i mogu instalirati reaktore, oni će koristiti snažniji sustav hlađenja pomoću postavljanje toplinskih cijevi za odbijanje topline na površinu Marsovca, što će omogućiti dosljedno hlađenje tijekom svih okolišnih uvjeta.

Ljubaznošću NASA GRC-a. Upotreba ove slike ne predstavlja NASA-ino odobrenje za ovaj rad.

Slika 6. NASA-in koncept za postrojenja tipa Kilopower Reactor na Marsu.

Očekuje se da će masa pojedinačnog reaktora i sustava za pretvorbu topline biti od 4.000 kg svaki.

To će omogućiti pokretanje ovih reaktora sa Zemlje u sklopu većih, kompresivnijih misija

a ne kao samostalne misije za jedan reaktor snage 2 MWe koji bi lako mogao imati masu

veći od 18.000 kg. To daje daljnju fleksibilnost misije kako se kolonija razvija.

Masa generatora

Oko dvadeset 100kWe generatora je potrebno za 2MWe za koloniju od 1.000 ljudi. Svaka masa iznosi 4.000 kg, ukupne mase 80.000 kg ili 176.000 funti.

Alternativa po pravila

Generator snage 100 kWe teži oko 4000 kg, a masa raste s kvadratnim korijenom snage. (6) Dakle, veći generatori daju isti izlaz za manju masu. Dva MWe generatora omogućila bi popravak ili dopunu jednog. Svaki bi težio 10,5 x 4000 kg = 13 000 kg, pa bi ukupan iznos

26.000 kg ili 57.000 funti, jedna trećina iznad 176.000 funti. Jasno je da je najbolji broj proizvođača nepristojan predmet jer ima potencijal značajno smanjiti troškove kolonije.

Rasprava

Većina mase koja se uvozi sa Zemlje čine nuklearni generatori i građevinski materijal za staklenike. U međuvremenu, većina kolonista su poljoprivrednici, istraživači ili istraživači. Zemljoradnike zamjenjuju roboti, a istraživači također mogu biti zamijenjeni robotima koji donose materijal za proučavanje istraživača. Zbog toga većina kolonista ostaje nezaposlena. Rješenje je omogućiti tim ljudima da rade na izgradnji infrastrukture za milion stanovnika koja se na kraju očekuje, i izradu materijala za staklenike od marsovskog materijala. Mjehurići su plastični, dobiveni iz nafte, pa ih moramo uvoziti sa Zemlje, ali Kevlarova vlakna mogu se zamijeniti vlaknima od stakloplastike izrađenih od marsovskog pijeska. Pijesak se također može koristiti za izradu izolacije od fiberglasa ili zraka. Uvoz strojeva za izradu ovih materijala bit će jeftiniji od samog uvoza materijala. Veliki dio mase sa Zemlje čine nuklearni generatori, pa su i poboljšanja tih problema vrlo važna. Možda se mnogi dijelovi mogu napraviti na Marsu.

Tako kolonisti prelaze iz poljodjelstva i istraživanja u izgradnju i proizvodnju, a što više njih stiže, zaposleni su na isti način. Konačno je kolonija dovršena i kolonisti neće imati što raditi, pa će možda raditi na oblikovanju terena. Teraformiranje Marsa je teško jer ne postoji poznati izvor dušika ili ugljičnog dioksida koji bi stabilizirao atmosferu, a čista kisikova atmosfera je opasna u slučaju požara, ali ako se nađe izvor nereaktivnih plinova tada kolonisti mogu postati teraformatori.

Predlaže se da bi dobar predmet za istraživanje bila izrada izolacijskog i konstrukcijskog materijala za staklenike i druge konstrukcije te teški dijelovi generatora. Detaljna termička analiza toplinskih učinaka staklenika u prašinskim olujama je također relevantna, kao i maksimalno trajanje oluja.

Marsova atmosfera je CO2. Mnoge biljke na Zemlji rastu brže pri većim gustoćama CO2. Ako biljke rastu brže, bilo bi potrebno manje staklenika, čime se štedi novac na uvozu sa Zemlje. Sunčeva svjetlost se također može koncentrirati na više od normalnog na Zemlji. Pretpostavlja se da je osigurana normalna zemljana insolacija, budući da su se Zemljine biljke zbog toga razvijale. No, bi li biljke rasle brže s više svjetlosti? Što ako im je osigurano više CO2 i sunčeve svjetlosti? Bilo bi zanimljivo saznati.