Tanken på att utforska och kolonisera Mars har aldrig varit mer levande än den är idag. Under de kommande två decennierna det finns flera planer på att skicka besättningsuppdrag till den röda planeten, och även några mycket ambitiösa planer på att börja bygga en permanent bosättning där. Trots entusiasmen, det finns många betydande utmaningar som måste lösas innan några sådana ansträngningar kan göras.

Dessa utmaningar – som inkluderar effekterna av låg gravitation på människokroppen, strålning, och den psykologiska belastningen av att vara borta från jorden – blir desto mer uttalad när man har att göra med permanenta baser. För att ta itu med detta, civilingenjör Marco Peroni erbjuder ett förslag på en modulär bas för mars (och en rymdfarkost för att leverera den) som skulle möjliggöra koloniseringen av Mars samtidigt som dess invånare skyddas med artificiell strålningsskärmning.

Peroni presenterade detta förslag vid 2018 American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) SPACE and Astronautics Forum and Exposition, som ägde rum från till 17-19 september i Orlando, Florida. Presentationen var en av flera som ägde rum i onsdags, 19 september, vars tema "Mars Mission Architectures."

För att uttrycka sig enkelt, idén att kolonisera Mars (eller var som helst i solsystemet) innebär många utmaningar – både fysiska och psykologiska. När det gäller den röda planeten, dessa inkluderar dess tunna och andningsbara atmosfär, dess mycket kalla miljö, och det faktum att det inte har något magnetfält. Det är detta sista objekt som är särskilt utmanande, eftersom alla framtida kolonister kommer att behöva skyddas från en betydande mängd strålning.

Kortfattat, den genomsnittliga mängden strålning som en människa utsätts för på jorden är cirka 3,6 millisievert (mSv) per år, vilket är tack vare jordens täta atmosfär och skyddande magnetfält. Naturligtvis, detta innebär att astronauter och människor som vågar sig bortom jorden utsätts för drastiskt högre mängder sol- och kosmisk strålning.

För att säkerställa astronauternas hälsa och säkerhet, NASA har fastställt en övre gräns på 500 mSV per år eller 2000 till 4000 mSV (beroende på ålder och kön) under en astronauts liv. Dock, Peroni uppskattar att beroende på hur länge de spenderar inomhus, den genomsnittliga mängden strålning en marsbosättare skulle utsättas för skulle vara cirka 740 mSv per år. Som Peroni förklarade för Universe Today via e -post:

"Mängden material för en effektiv avskärmning kan då vara långt utöver vad som är praktiskt möjligt för de flesta flyg- och rymdtillämpningar. Aluminiumväggarna på ISS, till exempel, är cirka 7 mm tjocka och är effektiva i LEO, men det är osannolikt att sådana sköldar skulle räcka i interplanetära rymden, där de till och med kan öka den absorberade dosen om de inte är kraftigt förtjockade."

För att hantera detta hot, tidigare förslag har rekommenderat att bygga baser med tjocka lager av marsjord - i vissa fall, förlitar sig på sintring och 3-D-utskrift för att skapa en hård keramisk yttervägg – och nödskydd i händelse av solstormar. Andra förslag har föreslagit att bygga baser i stabila lavarör för att ge naturlig avskärmning. Men som Peroni antydde, dessa utgör sin egen andel av farorna.

Dessa inkluderar mängden material som behövs för att skapa effektiva sköldväggar, och hotet om klaustrofobi. Som han förklarade:

"En NASA-studie fann att en stor rymdstation eller livsmiljö krävde en avskärmning på 4 t/m2 av Mars regolit (med tanke på att dess densitet är mellan 1, 000 kg/m3 vid ytan till 2, 000 kg/m3 på ett djup av några cm, detta motsvarar en tjocklek på 2 m, eller mindre om materialet är komprimerat [genom att] sintras med laser), för att uppnå en effektiv doshastighet på 2,5 mSv/år ...

"Ett underjordiskt skydd kan också användas som sovplatser och för alla aktiviteter där det inte finns något behov av att titta utanför (som att titta på videor eller njuta av andra underhållningar), men att alltid leva i underjordiska strukturer kan äventyra kolonisternas psykiska hälsa (klaustrofobi), minskar också deras förmåga att bedöma avstånd när de befinner sig utanför utposten (svårigheter att utföra EVA-uppgifter) och kan vara särskilt dålig om en av utpostens aktiviteter är rymdturism. Ett annat problem är byggandet av växthus, som borde låta ljuset från solen komma in för att driva växternas biologiska mekanismer."

Som ett alternativ, Peroni föreslår en design för en bas som skulle ge sin egen avskärmning samtidigt som man maximerar tillgången till Mars-landskapet. Denna bas skulle transporteras till Mars ombord på ett fartyg med en sfärformad kärna (som mäter cirka 300 meter (984 fot) i diameter) runt vilken de sexkantiga basmodulerna skulle anordnas. Växelvis, Peroni och hans kollegor rekommenderar att man skapar en cylindrisk kärna för att hysa modulerna.

Detta rymdskepp skulle transportera modulerna och invånarna från jorden (eller cis-månbanan), och skulle skyddas av samma typ av konstgjord magnetisk sköld som används för att skydda kolonin. Detta skulle genereras av en serie av elektriska kablar som skulle omsluta fartygets struktur. Under resan, rymdskeppet skulle också rotera runt sin centrala axel med en hastighet av 1,5 varv per minut för att generera en tyngdkraft på cirka 0,8 g.

Detta skulle säkerställa att astronauterna anlände i omloppsbana runt Mars utan att ha lidit av de degenerativa effekterna av exponering för mikrogravitation – som inkluderar muskel- och bentäthetsförlust, nedsatt syn, nedsatt immunförsvar och organfunktion. Som Peroni förklarade det:

"På gränsen till den "resande sfären" kommer det att finnas de framdrivningssystem som är nödvändiga för både resan och den samtida rotationen av rymdfartyget, för att generera artificiell gravitation under resan. Dessa rymdfarkoster har utvecklats för att bättre integrera fartygets lastbärande delar med modulernas struktur. Kulans bärande struktur, som utgör fartygets kropp, bildas av ett hexagonalt och femkantigt rutnät och därför är det lättare att koppla ihop och aggregera modulerna, som har liknande former."

Väl i Mars omloppsbana, skeppssfären skulle sluta rotera för att tillåta varje element att lossna och börja sjunka till Mars yta, använder ett system av fallskärmar, thrusters och luftmotstånd för att sakta ner och landa. Varje modul skulle vara utrustad med fyra motoriserade ben som skulle tillåta dem att röra sig på ytan och ansluta till de andra bostadsmodulerna när de väl anländer.

Gradvis, modulerna skulle arrangera sig själva i en sfärisk konfiguration under en toroidformad apparat. Ungefär som den som skyddar rymdskeppet, denna apparat skulle vara gjord av elektriska högspänningskablar som genererar ett elektromagnetiskt fält för att skydda modulerna från kosmisk strålning och solstrålning. En rymdfarkost (som SpaceX:s föreslagna BFR) kan också avvika från fartygets centrala kärna, färja de framtida nybyggarna till planeten.

För att bestämma effektiviteten av deras koncept, Peroni och hans kollegor genomförde numeriska beräkningar och laboratorieexperiment med hjälp av en skalmodell (visas nedan). Från detta, de fastställde att apparaten kunde generera ett externt magnetfält på 4/5 Tesla, vilket är tillräckligt för att skydda invånarna från skadliga kosmiska strålar.

På samma gång, apparaten genererade ett nästan noll magnetfält inuti apparaten, vilket innebär att det inte skulle utsätta invånarna för någon elektromagnetisk strålning – och därför inte utgör någon fara för dem. Varje modul, enligt Peronis förslag, skulle vara hexagonformad, mäta 20 m (65,6 fot) i diameter, och skulle ha tillräckligt med vertikalt rum inuti för att utgöra ett beboeligt utrymme.

Var och en av modulerna skulle höjas cirka 5 m (16,5 fot) över marken (med sina motoriserade ben) för att tillåta marsvinden att rinna av under sandstormar och förhindra ansamling av sand runt modulerna. Detta skulle säkerställa att utsikten inifrån modulerna, en nyckelkomponent i Peronis design, skulle vara obehindrat.

Faktiskt, Peronis förslag kräver att basen ska vara öppen så mycket som möjligt för det omgivande landskapet genom fönster och himmelvalv, vilket skulle låta invånarna känna sig närmare anslutna till miljön och förhindra känslor av isolering och klaustrofobi. Varje modul skulle väga uppskattningsvis 40-50 ton (44-55 amerikanska ton) på jorden-vilket ger 15-19 ton (16,5-21 amerikanska ton) i Mars gravitation.

En del av den initiala vikten skulle inkludera det bränsle som behövs för nedstigningen, som skulle fällas under nedstigningen och innebära att livsmiljöerna var ännu lättare när de väl nådde Mars yta. Som med liknande design, varje modul skulle vara differentierad efter sin funktion, med vissa som sovplatser och andra rekreationsanläggningar, gröna ytor, laboratorier, workshops, vattenåtervinning och sanitetsanläggningar, etc.

Den sista handen är byggandet av en "teknisk axel, "en gångbar tunnel byggd ovanför marken där batterier, solcellspaneler och små kärnreaktorer skulle stationeras. Dessa skulle tillgodose basens betydande elbehov, som inkluderar den effekt som krävs för att upprätthålla magnetfältet. Andra element kan inkludera garage och lager för prospekteringsfordon, samt ett astronomiskt observatorium.

Detta förslag liknar på många sätt det Solenoid Moon-base-koncept som Peroni presenterade minst års AIAA Space and Astronautics Forum and Exposition. Vid detta tillfälle, Peroni föreslog att bygga en månbas som bestod av transparenta kupoler som skulle vara inneslutna i en toroidformad struktur bestående av högspänningskablar.

I båda fallen, de föreslagna livsmiljöerna handlar om att säkerställa invånarnas behov – vilket inte bara inkluderar deras fysiska säkerhet, men också deras psykiska välbefinnande. Ser till framtiden, Peroni hoppas att hans förslag kommer att främja mer diskussion och forskning om de särskilda utmaningarna med att bygga baser utanför världen. Han hoppas också att se mer innovativa koncept utformade för att hantera dessa.

"Denna preliminära forskning kan uppmuntra [den] framtida utvecklingen av dessa teorier och en djupare studie av teman och ämnen som tas upp i detta bidrag, den där, varför inte, i framtiden kommer [tillåta] människor att förverkliga drömmen om att leva på Mars under långa perioder utan att vara inneslutna under tungmetallburar eller mörka klippgrottor, " han sa.

Det är tydligt att alla bosättningar byggda på månen, Mars, eller längre fram i framtiden måste vara i stort sett självförsörjande – producera sin egen mat, vatten, och byggmaterial på plats. På samma gång, denna process och det dagliga livet kommer att vara starkt beroende av teknik. I de kommande generationerna, Mars kommer sannolikt att vara provgrunden där våra metoder för att leva på en annan planet testas och granskas.

Innan vi börjar skicka människor till den röda planeten, vi måste se till att vi lägger fram våra bästa metoder.