THE NEXT GIANT LEAP FOR MANKIND: MENSELIJKE KOLONIES OP MARS

UNIVERSITEIT VAN AMSTERDAM

THE NEXT GIANT

LEAP FOR MANKIND

MENSELIJKE KOLONIES OP MARS

In dit onderzoek wordt gekeken naar de mogelijkheid om het menselijk leven te verplaatsen naar Mars . Op dit moment zijn de fysische en chemische eigenschappen van Aarde en Mars nog te verschillend om een dergelijke stap te zetten. Middels het bouwen van koepels waarbinnen de temperatuur en druk gereguleerd kunnen worden, en die bescherming bieden tegen straling uit de ruimte, moet het echter mogelijk zijn de fysische verschillen te overbruggen. De chemische samenstelling van de Aardse atmosfeer kan worden nagebootst in de koepels op Mars, door N2 toe te voegen aan de atmosfeer, O2 te genereren door elektrolyse van

water en overvloedig aanwezig CO2 op te laten lossen in water. Een van

de weinige verschillen tussen Aarde en Mars die onmogelijk te overbruggen is, is het verschil in valversnelling. Doordat deze op Mars slechts éénderde is van de waarde op Aarde, treden er verscheidene lichamelijke effecten op zoals een verlaagde immuunrespons en lagere groeisnelheid. Deze effecten zijn echter niet zodanig dat Mars voor de mens onleefbaar blijft. Wanneer de koepel en aanpassing van de atmosfeer volledig zijn gerealiseerd, zal vestiging van de mens op Mars de volgende grote stap voor de mensheid zijn.

Namen: Anouk Geenen (10143858), Eva Hilbrands (10052844), Vikki de Jong (10174672)

Begeleiders: Steije Hofhuis, Steph Menken Aantal woorden: 6568

Vak: Thema 3 deel 2, domein Evolutie Datum: 11 februari 2014

INHOUDSOPGAVE

Inleiding 3

Deelvraag 1: 7

“In welke fysische eigenschappen verschilt Mars van de Aarde, en hoe kunnen deze verschillen worden overbrugd?

Deelvraag 2: 11

“Hoe kan de atmosfeer van de Aarde gereproduceerd worden op Mars?”

Deelvraag 3: 15

“Wat zijn de gevolgen van de Martiaanse gravitatie voor het menselijk lichaam?” Conclusie 19 Discussie 20 Literatuurlijst 22 Appendix A 25 Appendix B 28 Appendix C 30 Appendix D 32

INLEIDING

‘ Mars was empty before we came. That’s not to say that nothing had ever happened. The planet accreted, melted, roiled and cooled, leaving a

surface scarred by enormous geological features: craters, canyons, volcanoes. But all of that happened in mineral unconsciousness, and unobserved. There were no witnesses – except for us, looking from the planet next door, and that only in the last moment of its long history. We

are all the consciousness that Mars ever had.’ ~ Kim Stanley Robinson, in ‘ Red Mars’

Zou jij een enkeltje naar Mars willen om daar een menselijke kolonie te starten? Maar liefst 202.586 mensen beantwoordden deze vraag met ‘Ja, graag!’ en hebben zich aangemeld voor de Mars One missie. Van deze mensen vertrekken uiteindelijk 4 mensen in 2023 naar Mars om daar een nieuw leven te beginnen (Mars One, 2013).

Al sinds jaar en dag gaan mensen op pad om nieuwe werelden te ontdekken. De ontdekking van Amerika door Columbus is een mooi voorbeeld van een van deze vele ontdekkingsreizen. De mens blijkt van nature te willen ontdekken en zijn mogelijkheden te willen verruimen; kolonisatie is hier onderdeel van (Perlovsky, 2010). Buiten de economische gronden van deze ontdekkingsreizen, spelen nieuwsgierigheid en het verlangen te willen leren een prominente rol in de zoektocht naar nieuwe werelden (Perlovsky, 2010). Na vele eeuwen ontdekkingsreizen op Aarde wordt het tijd om onze horizon te verbreden. De eerste maanlanding was het grootste collectieve avontuur van de mensheid; hoewel slechts een paar mensen daadwerkelijk naar de Maan gingen, ging eigenlijk de hele mensheid mee (Vloermans, 2014). Na meerdere succesvolle maanlandingen lijkt een landing op Mars een logische volgende stap. Op de Maan bleef de exploratie bij slechts een landing, veel meer was er niet te zoeken. Dit zal op Mars niet het geval zijn. De wereldbevolking groeit alsmaar en de Aarde lijkt te klein te worden om alle mensen van een woonplaats en voedsel te voorzien (Bell

& Odom ,2013). Bovendien kan middels een Marsmissie meer kennis op worden gedaan over de geologische evolutie van Mars, wat ook meer belangrijke informatie en kennis oplevert over de Aarde (NASA, 2014b). Een dergelijk reusachtig project brengt natuurlijk enorme kosten met zich mee. Het is echter belangrijk om te realiseren dat het hier gaat om een investering in de toekomst van de mensheid en het wetenschappelijk onderzoek (Mars Society, 2014). Hoewel de planeten Aarde en Mars beide een andere ontwikkeling hebben doorgemaakt en zeer verschillende planeten zijn, kennen ze ook een aantal belangrijke overeenkomsten. Zo is de duur van een dag bijna gelijk aan die op Aarde, duurt een jaar ongeveer 2 keer zo lang en doordat de as van Mars ongeveer net zoveel graden gekanteld is als die van de Aarde, kent Mars ook vier seizoenen zoals Aarde (Appendix A). Een aantal recente ontdekkingen hebben de plannen voor menselijke exploratie van Mars nieuw leven hebben ingeblazen (Levine et al., 2010). Mars lijkt dé plek om een menselijke kolonie te stichten.

Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van leven op Mars, door onder andere de NASA. Onderzoek van NASA heeft uitgewezen dat Mars in het verleden vloeibaar water bevatte (NASA, 2012). De in 2012 gearriveerde ‘’Curiosity’’ heeft onlangs bevestigd dat Mars lang geleden een goede plek geweest was voor mogelijk leven. Recent heeft de NASA ‘’MAVEN’’ gelanceerd, welke metingen zal verrichten naar de huidige atmosfeer op Mars om hiermee meer duidelijkheid over de geschiedenis van de planeet te verkrijgen (NASA , 2014b).

Het menselijk leven verplaatsen naar Mars lijkt de volgende, grote stap te zijn die de mensheid gaat maken. Maar hoe zou dit leven er uit gaan zien? Om deze vraag te beantwoorden zal allereerst gekeken moeten worden naar hoe het menselijk leven zich heeft aangepast aan de fysische en chemische omstandigheden op Aarde. Vervolgens moet bekeken worden hoe die eigenschappen tussen Aarde en Mars verschillen. Kunnen we de eigenschappen die de Aarde leefbaar maken ook op Mars realiseren? Ook moet er worden gekeken naar de eigenschappen van Mars die we

mogelijk niet kunnen realiseren; kan de mens desondanks op Mars overleven?

Dit onderzoek is een speculatief onderzoek. Dit houdt in dat er gekeken wordt naar een mogelijk proces dat momenteel nog in de kinderschoenen staat. Omdat het huidige onderzoeksproces naar kolonisatie op Mars nog echt pionierswerk is, zal dit onderzoek met veel aannames gepaard gaan. Slechts een klein deel van het gehele Mars-kolonisatie proces zal kunnen worden onderzocht. Er wordt erkend dat er nog veel meer aspecten van de menselijke kolonisatie van Mars zouden moeten worden meegenomen (Appendix B). De kolonisatie van Mars is een interdisciplinair onderzoek van buitenaardse proporties. De drie disciplines die in dit onderzoek aan bod komen – te weten: natuurkunde, scheikunde en biomedische wetenschappen – zullen geïntegreerd worden middels een tandwielmechanisme (Appendix C). Interessant hieraan is dat dergelijke combinatie slechts zelden is gemaakt. Dit interdisciplinaire onderzoek levert een unieke blik en een goede bijdrage aan toekomstig onderzoek. Doordat dit onderzoek vanuit slechts drie disciplines zal worden uitgevoerd, zullen slechts bepaalde aspecten van de kolonisatie worden belicht. Dit heeft als voordeel dat het onderzoek goed afgebakend is. De fysische en chemische eigenschappen van Mars, welke verschillen van die van de Aarde, zullen aan bod komen. Deze eigenschappen zullen worden gekoppeld aan een nieuwe component; namelijk het menselijk leven op Mars. Er zal gekeken worden hoe de verschillen overbrugd kunnen worden om Mars leefbaar te maken, maar ook welke effecten een permanent verblijf op Mars zal hebben op het menselijk lichaam. De hoofdvraag die in dit onderzoek zal worden beantwoord luidt als volgt:

“Hoe kan het menselijk leven zich voortzetten onder de huidige omstandigheden op Mars?”

Lichamelijke effecten en benodigde technische hulpmiddelen

Deze hoofdvraag zal worden beantwoord aan de hand van drie deelvragen, corresponderend met respectievelijk de disciplines natuurkunde, scheikunde en biomedische wetenschappen.

Mars heeft een aantal eigenschappen die leven voor de mens op Mars belemmeren (Appendix A). Zo zijn de temperatuur en druk lager dan op Aarde. Deze lage druk en temperatuur hebben als gevolg dat water op Mars niet in vloeibare vorm zal kunnen voorkomen. Water is een essentiëel element en onmisbaar voor menselijk leven. Geen water is een probleem, aangezien een mens gemiddeld 2,5 liter water per dag nodig heeft om te kunnen overleven (Kleiner, 1999). Daarnaast zorgt het afwezig zijn van een magnetisch veld voor een dunne atmosfeer, wat als gevolg heeft dat er geen bescherming geboden wordt tegen schadelijke kosmische straling vanuit het heelal. Deze straling kan schade brengen aan ons DNA en kunnen reactieve zuurstofverbindingen (oxidatieve stress) veroorzaken (Pani, 2013). Er moet een manier worden gevonden om deze fysische eigenschappen van Mars te overkomen en het voor mensen mogelijk te maken op Mars te leven. In de eerste deelvraag zal een antwoord geformuleerd worden op de vraag:

“In welke fysische eigenschappen verschilt Mars van de Aarde, en hoe kunnen deze verschillen worden overbrugd ?”

Een ander obstakel is de samenstelling van de atmosfeer van Mars, met name het lage O2 (0,2%) en hoge CO2 (95,7%) gehalte op Mars (Bolonkin,

2009). Ons bloed is hierdoor niet in staat om CO2 uit te wisselen voor

zuurstof (Ben-Tal, 2006), waardoor ademen onmogelijk is en organen door zuurstoftekort zullen afsterven, met de dood als gevolg. Ook kan door het hoge CO2 gehalte in de atmosfeer (en hiermee een hoge

partiaaldruk van CO2), geen CO2 meer aan de lucht worden afgegeven.

Het CO2 hoopt zich op in het lichaam, waardoor er geen nieuwe O2 kan

worden opgenomen. Bij een CO2 druk van ~10 mbar wordt CO2 toxisch

voor het lichaam. Dit is ongeveer de druk die op Mars heerst (McKay et al., 1991). Er moet dus een manier gevonden worden waardoor er zuurstof gegenereerd kan worden op Mars, want zonder kan de mens niet overleven. In de tweede deelvraag wordt de volgende vraag beantwoord:

“Hoe kan de atmosfeer van Aarde worden gereproduceerd op Mars?” Het zal een uitdaging zijn om bovengenoemde eigenschappen van de planeet Mars zo naar onze hand te zetten dat het leefbaar is voor de

mens. Er zullen echter ook eigenschappen van Mars zijn die niet overkomelijk zijn. Zo is de zwaartekracht op Mars een stuk minder dan op Aarde; 3.71 m/s2 respectievelijk 9,81 m/s2 (NASA, 2013). Deze verschillende eigenschappen zullen effecten op het menselijk lichaam hebben, maar ze zullen het menselijk leven niet direct onmogelijk maken. De effecten van de verminderde zwaartekracht op het menselijk lichaam, zullen worden onderzocht in de derde en laatste deelvraag:

“Wat zijn de gevolgen van de Martiaanse gravitatie voor het menselijk lichaam?”

Door stap voor stap deze deelvragen te beantwoorden middels een interdisciplinaire aanpak, zal geconcludeerd kunnen worden welke technische hulpmiddelen nodig zijn en welke lichamelijke effecten optreden bij het leven op Mars. Dit zal de mens weer een stuk dichter bij zijn volgende grote ontdekkingsreis brengen.

IN WELKE FYSISCHE EIGENSCHAPPEN VERSCHILT MARS VAN DE

AARDE EN HOE KUNNEN DEZE VERSCHILLEN WORDEN

OVERBRUGD?

Zoals in Appendix B terug te vinden is, zijn er diverse aspecten waarop Aarde en Mars behoorlijk verschillen. Zo is de zwaartekracht op Mars bijna 3 maal zo klein, de druk en temperatuur zijn er veel lager en de atmosfeer is veel dunner (zo’n 1% van de atmosfeer op Aarde), wat er voor zorgt dat er amper bescherming is tegen gevaarlijke straling. Deze straling kan bestaan uit hoog energetische (zonne)deeltjes of kosmische straling. De stralingsintensiteit is het hoogst tijdens een zonnemaximum (Hassler, 2013). Op het oppervlak van Mars is de geaccumuleerde dosis kosmische straling ongeveer 77 cSv per jaar; dit is ver boven de jaarlijks maximale toegestane waarde van 50 cSv op Aarde (Rapp, 2006). Te veel straling heeft ernstige schadelijke gevolgen voor het menselijk lichaam. Leven op Mars lijkt hierdoor op dit moment voor de mens nog een ongrijpbare droom. Middels enkele technische hulpmiddelen om diverse fysische en chemische barricades te slechten zal deze droom echter steeds meer realiteit worden.

Er wordt al enkele jaren onderzoek gedaan naar en gespeculeerd over de benodigde technische hulpmiddelen. Voorbeelden hiervan zijn te vinden in Appendix D. Het gebruik van dergelijke technische hulpmiddelen is een voorbeeld van terravorming.

Terravorming is het proces waarbij het klimaat, oppervlak en bepaalde eigenschappen van een planeet moedwillig worden veranderd – met behulp van technische middelen- , met als doel de omgeving klaar te maken voor menselijke kolonisatie (McKay, 1982). De terravorming van Mars zou volgens Mckay moeten bestaan uit 2 stappen; ten eerste het verhogen van de druk en temperatuur, en ten tweede het veranderen van de chemische samenstelling van de atmosfeer (zoals beschreven in de volgende deelvraag).

Bij zowel de spiegelsatellieten, verdikte atmosfeer, koepels en het maken van Martiaanse producten wordt er gebruikt gemaakt van technische

hulpmiddelen met als doel de planeet zo te doen veranderen dat deze leefbaar wordt. In dit onderzoek zal dieper in worden gegaan op de mogelijkheid van het plaatsen van een koepel, omdat dit de meest omvattende optie is van bovengenoemde mogelijkheden; het lost beide aspecten van de eerste stap van het terravormingsproces van McKay op. Er zal, zoals ook in eerder onderzoek (NASA, 2007) is gedaan, zowel gekeken worden naar een opblaasbare koepel (volgens het model van Bolonkin) (figuur 1), als naar een ‘starre’ koepel, om beide architectonische mogelijkheden te vergelijken. De starre koepel zal onderzocht worden middels eigen berekeningen.

OPBLAASBARE KOEPEL

Bolonkin is een pionier op het gebied van constructies die menselijk leven op Mars kunnen huisvesten. Hij heeft uitgebreid onderzoek gedaan naar opblaasbare koepels en hun optimalisering. Zijn opblaasbare koepel is een bijzonder innovatieve manier om op gedegen wijze leefgebieden op Mars te plaatsen.

FIGUUR 1 KOEPEL. HIER IS EEN ‘STAD’ TE ZIEN BINNEN DE KOEPEL, COMPLEET MET GEBOUWEN, BOMEN EN EEN MEER IN HET MIDDEN. DE PIJLEN GEVEN INVALLEND ZONLICHT WEER DAT DOOR DE KOEPEL GEREFLECTEERD WORDT. (BOLONKIN, 2009).

Bolonkin maakt in zijn constructie gebruik van een zeer dunne film (0.2 – 0.4 mm) als bouwmateriaal - de precieze samenstelling van deze film noemt hij niet. De film zal een zogenaamde ‘rip stop cable mesh’ bevatten, wat ervoor zorgt dat bij een eventuele meteorietinslag het materiaal niet ernstig zal beschadigen. Bovendien wordt er gebruikt gemaakt van een dubbele laag film, zodat wanneer de eerste laag

beschadigd wordt, de tweede laag extra bescherming biedt en een gat in de constructie tot op zekere mate voorkomt.

De massa van een dergelijke constructie is als volgt te berekenen:

M =m A = pγ σ

(

)

Hierin is M de relatieve massa van de constructie (kg/m2_{), m de massa}

van de constructie (film en ophangkabels) (kg), A het oppervlakte van de film (m2_{), p de additionele druk (N/m}2_{), γ de specifieke massa van de}

constructie (kg/m3_{), σ veilige trekspanning van de constructie (N/m}2_),

H de hoogte van de koepel (m) en tenslotte L de afstand tussen de ondersteunende kabels (m). Er wordt gebruikt gemaakt van de specifieke massa in plaats van de dichtheid, omdat de laatste afhankelijk is van de valversnelling en deze op Mars anders is dan op Aarde.

De benodigde dikte d van de film volgt uit:

d=πpL/2 σ (2)

Bolonkin gebruikt in zijn paper de volgende waarden in zijn berekeningen: p = 105 _N/m2 _{(Aardse druk), σ = 10}9 _N/m2_{, γ = 1800}

kg/m3_{, H = 3 m en L = 2 m (dit komt neer op een cilinder met straal 1 m}

en hoogte 3 m). Vervolgens volgen dan uit vergelijkingen (1) en (2) een relatieve massa M = 1.1 kg/m2 _{en dikte d= 0.314 mm.}

In figuur 2 zijn diverse resultaten voor de relatieve massa te vinden, als functie van de druk p en voor verschillende hoogten H.

FIGUUR 2 RESULTATEN VAN VERGELIJKING (1) VOOR VERSCHILLENDE HOOGTEN H, ALS EEN FUNCTIE VAN DRUK P (BOLONKIN, 2009).

Zoals vermeld noemt Bolonkin in zijn onderzoek niet waaruit de gebruikte film precies bestaat. Er zijn echter wel enkele voor de hand liggende mogelijkheden, zoals bijvoorbeeld polymeren of polymeermateriaal. Dit laatste is een opeenstapeling van verschillende polymeren. Hierdoor kunnen eigenschappen van verschillende soorten polymeren gecombineerd worden waardoor een optimaal materiaal gecreëerd kan worden. Polyimide is een materiaal dat makkelijk te combineren is met andere materialen, zoals bijvoorbeeld glasvezel (de Jonge, 1992). Polyimide is dan ook een materiaal dat veelvuldig voorkomt in ‘Fibre-Reinforced Plastics (FRP)’ (de Jonge, 1992) en daarmee een geschikte kandidaat lijkt voor een dergelijke opblaasbare koepel. Een ander goed voorbeeld is polystyreen. Deze polymeer is vooral van toepassing door zijn excellente bescherming tegen straling (de Jonge, 1992).

LOODGLAS

Naast een koepel gemaakt van dunne film, bestaat er nog een andere optie, namelijk loodglas, aldus Prof. Dr. C. Dominik (pers. comm. 4 december 2013). Het lood zorgt voor bescherming tegen straling. Er wordt gebruik gemaakt van loodglas in plaats van puur lood, omdat te veel lood giftig is en dit materiaal bovendien lichter is. Daarnaast bestaat op deze manier niet alleen de mogelijkheid om naar buiten te lijken, maar ook om zonnestraling te laten invallen. Dit zorgt ervoor dat binnen de koepel de temperatuur hoger is dan daarbuiten. Bovendien kan binnen een dergelijke afgesloten koepel de druk gereguleerd worden. Daarmee zijn de drie belangrijkste gevaren bezworen.

Er kan gebruikt worden gemaakt van zogenaamd RD50 loodglas, wat een relatief gewicht heeft van 36 kg/m2_{, bij een dikte van 6 tot 7.5 mm}

(Overveld, 2014). Dit glas bevat voldoende lood om de gevaarlijke straling uit het heelal tegen te houden.

De berekening van de massa zal nu anders gaan. Om een koepel te produceren zijn er feitelijk 2 stukken loodglas nodig; één cirkel (de bovenkant) en één rechthoek dat opgerold de cilinder vormt. Wanneer wederom wordt gekozen voor een cilinder van 3 meter hoogte en een

straal van 1 meter (zoals Bolonkin deed), zal dit betekenen dat de cirkel een oppervlakte heeft van π r2 _{= 3.14 m}2_{. Het rechthoekig stuk zal 3}

meter hoog zijn, en om de lengte te berekenen is de omtrek van de cirkel nodig; deze is 2 π r = 6.28 m. Dit geeft een oppervlakte voor de rechthoek van 18.84 m2_{. Het totale oppervlakte nodig aan loodglas is dan}

21.98 m2_{. Vermenigvuldigd met het relatief gewicht geeft dit een totaal}

van 791.3 kg, bij een dikte van 6-7.5 mm.

Zowel de film als het loodglas brengen diverse voor- en nadelen met zich mee. Allereerst is het bij de constructie van Bolonkin nog erg vaag van welk materiaal de film precies wordt gemaakt. Er wordt daarom vanuit gegaan dat het om de genoemde polymeren gaat. Polymeren raken snel beschadigd door UV straling (de Jonge, 1992), en door de gebrekkige atmosfeer op Mars betekent dit dat een koepel gemaakt van polymeren regelmatig aan vervanging toe zal zijn. Op dat vlak wint loodglas, aangezien glas de schadelijke UV straling tegenhoudt. Bovendien weerkaatst loodglas het invallende zonlicht ook, waardoor de temperatuur in de koepel zal stijgen. De constructie van loodglas heeft echter weer meer nadelen als het op de bouw aankomt. Het materiaal is beduidend dikker en zwaarder dan de door Bolonkin geopperde film. Dit maakt het veel moeilijker om het materiaal naar Mars te vervoeren. Bovendien is een koepel bouwen van glas op zich al een hele onderneming. Tenslotte zijn beide materialen moeilijk te vervangen, wanneer deze geraakt en beschadigd worden door bijvoorbeeld een inslaande meteoriet. Daardoor is op dit moment nog niet haalbaar een voorkeur voor een van beide constructies uit te spreken en is het nodig dat beide ontwerpen in vervolgonderzoek verder worden ontwikkeld.

HOE KAN DE ATMOSFEER VAN DE AARDE GEREPRODUCEERD

WORDEN OP MARS?

Zoals in de inleiding en Appendix A al is vermeld, is de samenstelling van de atmosfeer op Mars niet hetzelfde als op Aarde. De mens is aangepast aan de huidige atmosfeer op Aarde, welke grotendeels bestaat uit stikstof

(78,08%), zuurstof (20,95%), koolstofdioxide (0,03%) en argon (0,93%). Op Mars zijn deze verhoudingen totaal anders: stikstof (2,70%), zuurstof (0,15%), koolstofdioxide (95,72%) en argon (1,60%) (Bolonkin, 2009). Om de atmosfeer op Mars leefbaar te maken voor de mens, zal de atmosfeer in de koepel op Mars naar ongeveer dezelfde verhouding moeten worden gebracht als de Aardse atmosfeer.

STIKSTOFGAS (N2)

Van de Aardse atmosfeer bestaat het grootste gedeelte uit stikstofgas, N2.

Op Aarde is het belang van de grote hoeveelheid stikstof in de lucht vooral terug te vinden in het tegenhouden van straling. In de hoogste luchtlagen schermt stikstof kortgolvige straling af, door foto-excitatie, foto-ionisatie en foto-dissiociatie. Daarnaast is het belang van stikstofgas het verzwaren van de lucht, waardoor de druk verhoogt (Ubachs et al., 1999).

Stikstof is onderdeel van de belangrijkste organische verbindingen, eiwitten en DNA (Lenntech, 2014). Zonder deze stoffen kan een mens niet leven. Dit gas nemen mensen, dieren en planten niet op via inademing, alleen via voeding. Het toevoegen van stikstofgas aan de atmosfeer op Mars zou dan ook niet absoluut noodzakelijk zijn. De kortgolvige straling wordt afgeschermd door de koepel en het voedsel bevat voldoende stikstof (Appendix A). Wel moet de lucht verdund worden, omdat het lange tijd inademen van puur zuurstof schadelijk kan zijn (Brain, 2014). Dit wordt hieronder verder toegelicht. Het verdunnen van de lucht kan door N2 toe te voegen. Echter, er is zeer weinig stikstof aanwezig op

Mars, en zonder stikstofatomen kan geen stikstofgas gevormd worden. Daarom zal van de Aarde N2 moeten worden meegenomen om de

atmosfeer op Mars dezelfde N2 concentratie te geven als op Aarde.

Omdat N2 gas niet wordt verbruikt door mensen in gasvorm, zal het

slechts eenmalig moeten worden toegevoegd aan de atmosfeer van Mars. Om praktische redenen, zal het verstandig zijn om het N2 gas in vloeibare

kan, aan de hand van de dichtheden van beide fasen van het N2, berekend

worden hoeveel volume dit scheelt.

Om N2 gas vloeibaar te maken moet het worden teruggebracht naar zijn

kookpunt, -195,8 ˚C oftewel 77,3 K (Kelvin). Met behulp van eigen berekeningen is in dit onderzoek berekend hoeveel 1 liter vloeibaar N2

uitzet wanneer het verdampt. Hiervoor zijn de gegevens van tabel (1) gebruikt.

TABEL 1 EIGENSCHAPPEN VERSCHILLENDE FASEN N2 (LINDE, 2014).

Stof Temperatuur Dichtheid Druk

N2 gas 0 ˚C / 273 K 1.25 kg/m3 1 atm./101 325 Pa

Vloeibaar N2 -195,8 ˚C / 77,3

K

0.809 kg/dm3 _{1 atm./101325 Pa}

Hieruit blijkt dat 1 liter vloeibaar N2 overeenkomt met een volume van

0,809/1,251 = 0,647 m3 _{oftewel 647,2 liter bij 0 ˚C onder atmosferische}

druk. Wanneer vloeibaar N2 wordt meegenomen in plaats van gasvormig

N2, scheelt dat dus een factor 647 qua volume, wat aanzienlijk is.

ZUURSTOF (O2)

In de koepel waar het menselijk leven op Mars zich, althans in dit onderzoek, zal afspelen, zal zuurstof moeten worden gegenereerd voor de ademhaling. Dit kan op verschillende manieren, bijvoorbeeld zoals dit op Aarde gebeurt met behulp van fotosynthese. Met fotosynthese zetten planten (met chloroplasten) en autotrofe bacteriën zonne-energie om in chemische energie, welke de Aarde voorziet van onder andere voedsel en zuurstof (Bard, 1995). Bij fotosynthese wordt uit koolstofdioxide en water, onder invloed van licht, suiker en zuurstof gevormd volgens de scheikundige vergelijking (3):

6CO2 + 6H2O + energie uit licht → C6H12O6 + 6 O2 (3)

Echter, wanneer de koepel is gebouwd op Mars, zijn er nog geen planten die met behulp van fotosynthese mensen kunnen voorzien van zuurstof. Daarom zal er gekeken moeten worden naar een andere manier om mensen van zuurstof en daarmee een leefbare atmosfeer te voorzien. Na

raadpleging van Dhr. dr. J.H. van Maarseveen, bleek de volgende reactie (4) het best toepasbaar (Van Maarseveen, pers. com., 2013):

H2O + energie uit licht → H2 + ½ O2 (4)

Bij deze reactie wordt met een foto-elektrochemische cel water gesplitst in waterstof en zuurstof. Dit kan ook op grote schaal gebeuren, waardoor voor veel mensen genoeg zuurstof kan worden geproduceerd. Bij deze reactie wordt een halfgeleider gebruikt, die als functie zowel het absorberen van licht heeft als het omzetten en opslaan van de zonne-energie in de H2 binding (Walter, 2010). Het geproduceerde H2 gas bevat

veel energie, welke gebruikt kan worden door de mens op Mars. Echter, de Gibbs vrije energie, welke naar een minimum streeft, is voor deze reactie ΔG = 237,2 kJ/mol (Walter, 2010). Gibbs vrije energie is gedefinieerd als de enthalpie van het systeem minus de temperatuur, maal de entropie van het systeem. Wanneer de ΔG negatief is, is de chemische reactie gunstig en zal spontaan verlopen. Wanneer de ΔG positief is, is de chemische reactie ongunstig (Bodner, 2013) en kost energie om te verlopen. Aan de hand van deze ΔG kan geconcludeerd worden dat er sprake is van een endotherme, dus geen spontane, reactie. De reactie kost dus energie. Op Mars is het zeer makkelijk energie van de Zon te halen, aangezien Mars een dunne atmosfeer heeft en dus veel straling van de Zon ontvangt. Deze energie kan met behulp van zonnecollectoren die in de koepel gebouwd kunnen worden, geleverd worden.

Deze chemische reactie is van belang voor het menselijk leven op Mars, omdat op deze manier zuurstof kan worden gevormd uit water. Water is wel aanwezig op Mars, al dan niet in vaste vorm (NASA, 2013) wat het ideaal maakt om uit water zuurstof te vormen. De koepel die gebouwd wordt op Mars, reguleert ook de temperatuur, zoals in de vorige deelvraag behandeld is. Wanneer de temperatuur wordt gebracht naar de gemiddelde temperatuur van de Aarde, zal het water dat eerst in vaste vorm aanwezig was, nu in vloeibare vorm voorkomen. Dan kan de bovengenoemde reactie worden toegepast.

Echter, zoals al eerder genoemd is, kan niet voor een langere tijd 100% of een veel hoger percentage zuurstof dan op Aarde (20,95%) worden geademd bij een druk van 1 atmosfeer. Onder een lagere druk zou dit wel kunnen, echter in de koepel is de druk teruggebracht naar 1 atmosfeer, net als op aarde. Wanneer er bij deze druk 100% O2 wordt geademd,

ontstaan zeer veel schadelijke, vrije zuurstofradicalen welke eiwitten en celmembranen beschadigen (Brain, 2014). Daarom is, zoals ook hierboven genoemd, een extra gas toegevoegd om de hoeveelheid geproduceerde O2 te verdunnen.

KOOLSTOFDIOXIDE (CO2)

Nu zuurstof gegenereerd kan worden, resteert nog het probleem dat de mens CO2 produceert door onder andere uitademing. Op Aarde wordt een deel van de CO2 omgezet door planten. Aangezien dit in de koepel door

afwezigheid van planten niet kan, moet de CO2 worden afgevoerd om een

(te) hoog percentage CO2 in de atmosfeer te voorkomen. Op Aarde lost

een groot deel, ongeveer 7 gigaton CO2 per jaar, op in de oceanen

(Greenfacts, 2013). In 2012 is er wereldwijd 31,4 gigaton CO2

uitgestoten. Ongeveer 22% hiervan is dus opgelost in de oceanen, een deel wordt opgenomen door planten (28%) en de rest komt in de atmosfeer terecht (Scripps, 2013). Dit verklaart ook waarom de Aardse atmosfeer nog steeds slechts uit 0,03% CO2 bestaat (SIN, 2013). Dit

proces verloopt volgens de volgende evenwichten (RMTC, 2013) (5): CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ CO32- + H+ (5)

Aangezien er vloeibaar water aanwezig is in de koepel, zal dit proces ook op Mars in de koepel kunnen plaatsvinden. Echter, in beginsel zijn er nog geen planten aanwezig op Mars, dus zal het water meer CO2 moeten

opnemen dan op Aarde gebeurd. De oplosbaarheid van CO2 in water is

afhankelijk van de temperatuur; wanneer de temperatuur van het water hoger is (evenwicht naar links), zal minder CO2 oplossen dan wanneer

deze temperatuur lager is (evenwicht naar rechts). De omgeving buiten de koepel zal de grond binnen de koepel vrij koud houden, immers de temperatuur buiten de koepel is gemiddeld -63 ˚C. Er kan dan ook

aangenomen worden dat de temperatuur van het (grond)water op Mars lager is dan de temperatuur van het water op Aarde. Er zal dan ook meer CO2 oplossen in het water op Mars dan op Aarde gebeurd. Dit biedt een

oplossing voor de opslag van CO2 totdat er landbouw op Mars mogelijk is

gemaakt, waarna ook planten CO2 kunnen opnemen.

ARGON (AR)

Argon is een edelgas, oftewel een inert gas. Dit houdt in dat de buitenste elektronenschil van het atoom vol zit. Er is dus geen energiewinst te behalen bij het in contact brengen van een Argonatoom met een ander atoom en het combineren van beider golffuncties. De mens verbruikt geen Argon bij inademen. Op Mars en op Aarde is de verhouding Argon redelijk gelijk; respectievelijk 1,60% en 0,93%. Daarom wordt er geen Argon toegevoegd aan de atmosfeer van Mars.

Samengevat kan de atmosfeer van Aarde op Mars als volgt worden gereproduceerd. Allereerst zal er vloeibaar N2 moeten worden

toegevoegd aan de atmosfeer, omdat dit op Mars in zeer kleine hoeveelheid aanwezig is. N2 moet de hoeveelheid O2 verdunnen, omdat bij

de Aardse druk van 1 atmosfeer de gevaren van zuurstofradicalen opspelen bij het inademen van verrijkte lucht. Zuurstof kan gegenereerd worden door elektrolyse van water, welke in vloeibare vorm aanwezig is door de koepel. Het CO2 dat mensen uitademen zal oplossen in dit water,

zelfs in grotere mate dan dat dit op Aarde gebeurd, doordat het evenwicht temperatuurafhankelijk is. Als laatste wordt Argon niet toegevoegd, omdat dit niet noodzakelijk is voor menselijk voortbestaan.

WAT ZIJN DE GEVOLGEN VAN DE MARTIAANSE GRAVITATIE VOOR

HET MENSELIJK LICHAAM?

Zoals blijkt, kunnen veel van de fysische en chemische eigenschappen van Mars worden overkomen met behulp van een koepel, waaronder temperatuur, straling atmosfeer. Echter, niet alle eigenschappen van Mars kunnen door deze koepel worden overkomen. De gravitatie op Mars is een fysische eigenschap die niet met behulp van de koepel kan worden overkomen. De valversnelling op Mars is een stuk minder dan op Aarde; namelijk 3,71 m/s2 _{in vergelijking tot 9,81 m/s}2 _{op Aarde (NASA, 2013).}

Gravitatie is een zeer belangrijke bron voor menselijk leven (Badescu, 2009). Om deze reden dienen de effecten van deze veranderde gravitatie verder onderzocht dienen te worden. Ondanks dat de Mars-gravitatie slechts een derde is van de gravitatie op Aarde, wordt gesuggereerd dat deze gravitatie toch genoeg is om de ernstige lichamelijke effecten, zoals bewegingsziekte (een soort zeeziekte) die voorkomen bij gewichtloosheid te vermijden (Badescu, 2009). Er zijn echter wel degelijk effecten te verwachten. Een veranderende groeisnelheid, verminderde botmassa en een veranderende bloedsomloop zijn effecten die vanuit de ruimtevaart reeds bekend zijn (Badescu, 2009). Het koloniseren van Mars is uiteindelijk alleen zinvol als de mens in staat is zich tot op bepaalde hoogte aan te passen aan de omstandigheden op Mars. Hoe deze lichamelijke effecten zich zullen uiten op Mars, zal in de komende deelvraag worden besproken. Op deze manier zal inzicht worden verschaft in hoeverre een werkelijke kolonisatie naar Mars voor het menselijk lichaam mogelijk is.

GROEISNELHEID

Muizen zijn gebruikt om de effecten van Mars-gravitatie te testen. In deze studies zijn muizen in een omgeving geplaatst met gravitatie zoals deze op Mars voorkomt. Deze studies laten zien hoe fysische wetten, in dit geval de eerste wet van Newton, de fysieke groei beïnvloeden onder een bepaalde zwaartekracht. Deze gegevens worden gebruikt voor het

vergelijken van de menselijke groei onder Aardse zwaartekracht en zwaartekracht op Mars. Het menselijk lichaam wordt in deze studie beschouwd als een dynamisch systeem met variabele massa en volume (Badescu, 2009). De ruwe statistische gegevens van de fysieke groei van mensen vanaf de geboorte tot aan de adolescentie is al lange tijd

bijgehouden door bedrijven zoals the USA National Center of Health Statistics (NCHS, 2014). Uiteindelijk is hieruit data verkregen die de fysieke groei vanaf de geboorte tot de volwassenheid laat zien. In figuur 1 worden de bekende gegevens van menselijke groei op Aarde, vergeleken met de voorspellende waarden op Mars vanuit de muizenstudies.

FIGUUR 3 GROEISNELHEID CURVES VAN JONGENS OP GESELECTEERDE PERCENTIELEN OP AARDE (LIJNEN MET VIERKANTEN) VERGELEKEN MET THEORETISCHE VOORSPELLENDE DATA VOOR MARS VERKREGEN VANUIT MUIZENSTUDIES (DICHTE LIJNEN) (BADESCU, 2009)

Zoals in Figuur 1 wordt weergegeven, is de groeisnelheid van de mens op Mars een stuk lager dan op Aarde. Verwacht wordt dat deze groeisnelheid ongeveer 60% is van de groeisnelheid op Aarde. Verder neemt de groeisnelheid ook af naarmate de leeftijd toeneemt, zoals is te zien in de grafiek. Het punt waarop er geen groei meer plaatsvindt is het moment dat de adolescentie wordt bereikt. Ook valt uit de grafiek af te leiden dat met een lagere groeisnelheid, de uiteindelijke lengte van de volwassenen op Mars dus ook lager zal liggen dan op Aarde. Deze

gegevens kunnen wellicht suggereren dat een mogelijke Mars-kolonisatie een groot voordeel kan hebben. Wanneer ons lichaam namelijk minder snel groeit en men uiteindelijk kleiner blijft, zal onze energieconsumptie afnemen. Dit zou een secundair probleem, namelijk voedselvoorziening op Mars, kunnen inperken (Badescu, 2009).

IMMUUNRESPONS

De Aardse zwaartekracht is een constante kracht geweest gedurende de evolutie van het leven op de aarde. Ons lichaam is dus ook optimaal aangepast aan deze zwaartekracht (Tauber et al., 2013). Binnen de biologie en meer specifiek de fysiologie roept dit de vraag op hoe menselijke cellen gekoppeld zijn aan deze zwaartekracht en hoe cellen dus zijn aangepast aan de zwaartekracht. Het blijkt dat cellen van het menselijk immuunsysteem gevoelig zijn voor veranderende zwaartekracht (Tauber et al., 2013). Binnen de ruimtevaart is al langer bekend dat astronauten bacteriële en virale infecties krijgen na een ruimtevlucht (NASA, 1968). Het disfunctioneren van immuuncellen is dus wellicht te wijten aan de verminderde gravitatie. De belangrijkste immuuncellen, T-lymfocyten, zijn onderdeel van de specifieke cellulaire afweer. Ze herkennen specifieke antigenen die worden aangeboden door cellen die een virus of bacterie hebben opgenomen. Het bleek uit deze studies (Schwarzenberg M. et al., 1999 & Thiel C. S. et al., 2012) dat T-lymfocyten een verminderde respons toonden wanneer zij door een mitogen (signaal wat aanzet tot celdeling) gestimuleerd werden. De respons was tijdens en na een ruimtevlucht een stuk lager in vergelijking tot voor de ruimtevlucht (Kimzey, 1977). Dit geeft aan dat verlaagde zwaartekracht door cellen wordt ervaren als directe stress factor. Dergelijke cel stress zorgt ervoor dat de cellen hun activiteit op een lage stand zetten. Uit studies (Dauphinee, 1988) is verder gebleken dat de expressie van de IL-2 receptor is gereduceerd onder omstandigheden van microgravitatie. IL-2 receptoren zijn de belangrijkste doorgeefkanalen voor celcyclus-activerende signalen van T-lymfocyten. Het zijn signalen die dus zorgen voor het overleven van deze cellen, door celdeling te

stimuleren. Wanneer deze receptoren dus minder tot expressie komen, zullen signalen dus ook minder goed doorgegeven worden. Dit heeft uiteindelijk tot gevolg dat er minder T-lymfocyten overleven. De specifieke cellulaire afweer zal hierdoor afnemen en hiermee dus de immuunrespons. Dit maakt mensen gevoeliger voor bacteriële en virale infecties omdat deze minder goed door het eigen lichaam kunnen worden bestreden.

ADAPTATIE VAN BOTTEN EN SPIEREN

Zoals bekend vanuit de ruimtevaart, zal een lage gravitatie zorgen voor een afbraak van botten en spieren. Een muizenstudie (Bouxsein et al., 2010) is gedaan om te kijken wat het effect van een Martiaanse zwaartekracht is op het lichaam. Muizen werden onder een Mars-analoge suspensie geplaatst (hangend moesten ze 38% van hun gewicht dragen). Wanneer deze muizen werden vergeleken met controle muizen (100% van hun zwaarte dragen) bleek dat de Mars analoge muizen een significant lagere spiermassa hadden. Ook hadden zij verminderd trabeculair bot (de binnenkant van het bot), corticaal bot (buitenkant van het bot) en was het biomechanische vermogen van het dijbeen verminderd. Daarnaast waren de hoeveelheid cellen die bijdragen aan botvorming afgenomen ten opzichte van controle muizen. Ofwel, botten worden minder sterk en minder beweeglijk, wat wordt aangegeven met de term ‘’botontkalking’’. Deze studie levert sterk bewijs voor de aanpassing die ons lichaam zal aangaan bij een verminderde zwaartekracht, namelijk de ontkalking van botten en verminderde spiermassa (Bouxsein et al, 2010).

CARDIOVASCULAIRE RESPONS

Het menselijk bloedvatenstelsel, ofwel cardiovasculair systeem, zal zich bij een vestiging van de mens op Mars aanpassen (Evans et al., 2013). Studies die hiernaar zijn gedaan maken gebruik van een model. In dit model worden mensen in een kamer geplaatst waar een lagere positieve druk is op het lichaam en er een zogenoemd ‘’Lower Body Positive Pressure (LBPP)’’ wordt gegenereerd. Er werd een vergelijking gemaakt

tussen de omgeving op Aarde (100% lichaamsgewicht), de omgeving op de Maan (20% lichaamsgewicht) en de omgeving op Mars (40% lichaamsgewicht). De studies wijzen uit dat er tijdens het verblijf op Mars en op de Maan relatief veel bloed in de borst beweegt. Het feit dat er zich iets meer bloed in de romp bevindt heeft uiteindelijk geen negatief effect op het leven van de mens omdat deze toename gering is in verhouding tot de ruimtevaart. De effecten van de bloedcirculatie in een omgeving zonder gravitatie kunnen zijn dat de nierfunctie toeneemt met 20% doordat de homeostasehuishouding veranderd (Evans et al., 2013). Echter, omdat er op Mars toch nog zwaartekracht aanwezig is, zal dit effect in relatief lage mate voorkomen en zal men geen negatieve gevolgen ondervinden aan de veranderde bloedcirculatie.

CONCLUSIE

Mars verschilt op fysisch en chemisch gebied van de Aarde. De fysische verschillen zoals straling, temperatuur en druk kunnen worden ondervangen middels een koepel. Er bestaan verschillende mogelijkheden voor het materiaal van deze koepel, waaronder een dunne, stevige polymere film of loodglas. De film is licht en sterk, maar moet nog ontwikkeld worden. Het loodglas is een materiaal dat men nu al kan vervaardigen, maar is erg zwaar en moeilijk verwerkbaar in de constructie. Het is nodig om beide vormen verder te onderzoeken en te ontwikkelen, en daarbij andere mogelijkheden zeker niet uit het oog te verliezen, om zo tot een optimale koepel te komen.

Op Mars is de samenstelling van de atmosfeer heel anders dan op Aarde. Daarom zal de atmosfeer van Mars (binnen de koepel) moeten worden aangepast, en wel zodanig dat de lucht “adembaar” is voor de mens. Het stikstofgehalte kan omhoog worden gebracht door vloeibaar N2 mee te

nemen van Aarde, wat een lagere dichtheid heeft dan N2 gas waardoor

het een factor 647 aan volume scheelt. O2 komt slechts in lage

concentraties voor op Mars en zal geproduceerd moeten worden middels elektrolyse van water. Het CO2 dat mensen zullen uitademen, zal net als

op Aarde worden opgeslagen in water ten gevolge van het natuurlijk chemisch evenwicht.

De lagere gravitatiekracht op Mars is een verschil met Aarde dat niet overkomen kan worden door de koepel. Gevolgen van lagere gravitatie voor het menselijk lichaam zijn niet zodanig dat dit voor een onleefbare situatie zou zorgen op Mars. De verminderde groeisnelheid en lagere spier- en botmassa zouden als voordeel kunnen werken. De lengte en het gewicht van mensen zal hierdoor uiteindelijk afnemen, wat zal zorgen voor een lagere energiebehoefte. Er is dus minder voedselconsumptie, wat het secundaire probleem van voedselvoorziening zal reduceren.

Door middel van technische hulpmiddelen zoals een koepel en een aangepaste atmosfeer zal het een reële mogelijkheid zijn om het

menselijk leven voort te zetten onder de huidige omstandigheden op Mars, zonder ernstige lichamelijke effecten te ondervinden.

"Ik zie dit project als een nieuwe stap van de mensheid. Het is een missie zoals ook de grote ontdekkingsreizigers ondernamen. Op zoek naar nieuwe werelden. Dit wordt een uitbreiding van onze bestaansgrond.

Letterlijk, de mens gaat nieuwe planeten bewonen."

~Merlijn Führhop, één van de drie Nederlanders die door is naar de volgende Mars One-selectieronde. (Trouw, januari 2014)

DISCUSSIE

Het grootste struikelblok bij dit speculatieve onderzoek is het feit dat het gebaseerd is op vele assumpties. Voor elk van de deel

Bij het beschouwen van opblaasbare koepels in dit onderzoek is de methode van Bolonkin (2009) gevolgd. Hier zijn echter vele kanttekeningen bij te plaatsen. Bolonkin is in zijn onderzoek namelijk weinig specifiek. Zo noemt hij niet waar zijn ‘film’ uit bestaat. De uitkomst dat het materiaal slechts een lage relatieve massa heeft is dan ook weinigzeggend. Daarnaast beschrijft hij niet hoe hij aan de gebruikte formules komt, noch geeft hij uitleg over de waardes die hij besluit in te vullen. Dit alles maakt dat het onderzoek weinig repliceerbaar is.

In de toekomst is het belangrijk dat vele mogelijke materialen de revue passeren, zowel voor zogenaamde opblaasbare als starre constructies. Een mogelijkheid die voor de hand lijkt te liggen is het gebruik van polymeren. Deze gelaagdheid zorgt voor veel flexibiliteit in de samenstelling ervan. Deze optie lijkt op dit moment een goede kanshebber en daarom geniet deze de voorkeur voor verder onderzoek. Wat betreft de mogelijkheden voor het nabootsen van de Aardse atmosfeer op Mars zijn er ook enkele opmerkingen te plaatsen. Allereerst wordt er enkel benoemd hoe de atmosfeer kan worden nagebootst, niet hoe deze ook in de koepel tot stand gaat komen. De lucht in de koepel zal er eerst uit moeten voordat de nieuwe lucht kan worden toegevoegd. Daarnaast wordt er gesteld dat het N2 in vloeibare vorm van Aarde kan

worden meegenomen naar Mars. Hoewel het gebruik van de vloeibare vorm van N2 het volume al behoorlijk reduceert, blijft het meenemen van

N2 een discutabel punt. Daarnaast wordt er gesteld dat er meer CO2 zal

oplossen in het water vanwege de lage temperatuur. Er is echter niet berekend om welke hoeveelheid CO2 het gaat, doordat er nog (te) weinig

gegevens bekend zijn over onder andere de omvang, diepte en de massa van het ijs op Mars. Vervolgonderzoek zou met deze gegevens, wanneer deze bekend zijn, aan de slag kunnen om deze berekeningen uit te voeren.

Tenslotte is het effect van de lagere gravitatie van Mars op het lichaam in dit onderzoek besproken. De precieze langdurige effecten kunnen echter moeilijk getest worden omdat de faciliteiten hiervoor niet toereikend zijn. Studies op muizen kunnen worden gerealiseerd, alleen de resultaten hiervan zijn niet geheel te vergelijken met het effect op het menselijk lichaam. Uiteindelijk kan door deze muizenstudies wel een goed beeld gevormd worden.

De aannames die in de Appendix B zijn beschreven, zoals bijvoorbeeld de reis naar Mars toe, zijn niet meegenomen in dit onderzoek. Deze aannames spelen echter wel degelijk een rol bij een mogelijke menselijke kolonisatie van Mars en zullen daarom in (interdisciplinair) vervolgonderzoek meegenomen moeten worden.

LITERATUURLIJST

- Badescu, V. (2009). Mars: Prospective Energy and Material Resources. Springer-Verlag Berlin Heidelberg p. 587-599.

- Bard, A. J., Fox, M. A., (1995). Artifical Photosynthesis: Solar Splitting of Water to Hydrogen and Oxygen. Acc. Chem. Res. 1995, 28, 141-145 - Ben-Tal, A (2006). Simplified models for gas exchange in the human

lungs. Journal of Theoretical Biology, volume 238, Issue 2, pages

474-495.

- Bodner Research Web (2013). Gibbs Free Energy. Verkregen,

19-11-2013, van:

http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch21/gibbs.p hp

- Bolonkin, A. A. (2009). Mars: Prospective Energy and Material

Resources; Ch. 23: Artificial Environments on Mars. Springer-Verlag

Berin Heidelberg, p. 599-625.

- Bouxsein M L, Granzella N P, Newman D J, Saito H, Wagner E, Young L R (2010). Partial weight suspension: a novel murine model for

investigating adaptation to reduced musculoskeletal loading. J Appl

Physiology Vol. 109: 350-357.

- Brain, Marshall (2014). Is it harmful to breathe 100-percent oxygen?.

Howstuffworks. verkregen, 13-01-2014, from:

http://science.howstuffworks.com/question4931.htm

- Dauphinee M, Talal N, Tovar Z (1988). Synergistic interaction between

anti-CD3 and IL-2 demonstrated by proliferative response, interferon production, and non-MHC-restricted killing. Cell Immunology 1988, 117:12-21.

- Evans J.M.; Mohney, L.; Wang, S.; Moore, R. K.; Elayi, S; Stenger, M. B.; Moore, F. B.; Knapp, C. F. (2013). Cardiovascular Regulation

During Body Unweighting by Lower Body Positive Pressure. Aviation, Space and Environmaental Medicine, Volume 84, Number 11, pp. 1140-1146.

- Greenfacts (2013). CO2 opvang en opslag. GreenFacts; Facts on

Health and the Environment. Verkregen, 13-01-2014, van:

http://www.greenfacts.org/nl/co2-opvang-opslag/l-2/6-oceanen-opslag-co2.htm

- Hassler, D., M., et al. (2013). Mars’ Surface Radiation Environment Measured with the Mars Science Laboratory’s Curiosity Rover.

Science, 10.1126, p. 1 – 11.

- Helmich, U. (n.d.) Die Lichtreaktion. Verkregen, 19-11-2013, van:

http://www.u-helmich.de/bio/stw/reihe4/licht/lichtr1.pdf

- Jonge, de. C. R. H. I. (1992). Chapter 4: Radiation Resistance of

Polymers and Polymer Materials. New concepts in polymer science, p

197-213.

- Kimzey (1977). Hematology and immunology studies, Biomedical

results from Skylab. Natl Aernoaut Space Adm 1977, 377:249-282.

NASA-SP.

- Kleiner S. M (1999). Water: An Essential But overlooked nutrient. Journal of the American Dietetic Association, Volume 99, Issue 2, Pages 200-2006.

- Lenntech (2014). Stikstofcyclus. Water Treatment Solutions.

Verkregen, 13-01-2014, van: http://www.lenntech.nl/stikstof-cyclus.htm

- Levine et all, (2010). Humans on Mars: Why Mars? Why Humans?. Journal of Cosmology: Vol 12, 3627-3635 , Verkregen 12-01-2014, van:

http://journalofcosmology.com/Mars115.html

- MARS ONE (2013). About Mars One. Verkregen, 25-10-2013, van:

http://www.Mars-one.com/en/about-Mars-one/about-Mars-one

- Mars Society (2014). Purpose - Mars Society Founding Declaration. Verkregen, 09-02-2014, van:

http://www.marssociety.org/home/about/founding-declaration

- McKay C. P., Toon O. B., Kasting, J.F. (1991). Making Mars habitable. Nature, Volume 352.

- McKay, C. P., (1982). Terraforming Mars. British Interplanetary

- NASA (2007). Beyond Earth – Expanding human presence into the solar system. Verkregen, 30-01-2014 van:

http://www.nasa.gov/exploration/home/inflatable-lunar-hab.html - NASA (1968). Gemini Midprogram Conference, Including

Experimental Results. Texas: NASA: Manned Spacecraft Center, Huston. SP-121

- NASA; Grayzeck, E. (2013). Mars Fact Sheet. Verkregen, 26-10-2013, van: http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/Marsfact.html

- NASA; Jones, N.N. (2014a). MAVEN on Track to Carry Out its Science

Mission. Verkregen, 09-02-2014, van:

http://www.nasa.gov/content/goddard/maven-on-track-to-carry-out-its-science-mission/#.UveU__l5PUU

- NASA; Mars Science laboratory (2012). Missions to Mars. Verkegen, 09-02-2014, van:

http://www.nasa.gov/mission_pages/mars/missions/marssciencelab-index.html#.UveWPfl5PUU

- NASA (2014b). Why we explore - human space exploration. Verkregen, 09-02-2014, van:

http://www.nasa.gov/exploration/whyweexplore/why_we_explore_main. html#.UveCmvTuIyM

- Overveld (2014). Loodglas. Verkregen 04-01-2014, van:

http://www.overveldglas.nl/producten/soorten-glas/loodglas.html - Pani, G. (2013). Effect of space conditions on neuronal plasticity and

connectivity. Ghent University. Faculty of Bioscience Engineering,

Ghent, Belgium.

- Perlovsky, L.I. (2010). Curiosity and pleasure. Neural Networks

(IJCNN), The 2010 International Joint conference on, p. 1-3.

- Rapp, D. (2006). Radiation Effects and Shielding Requirements in Human Missions to the Moon and Mars. Mars 2, p46-71.

- RMTC (2013). RECOMMENDED “BEST PRACTICES” FOR TCO2 TESTING AND SAMPLE COLLECTION. Verkregen, 13-01-2014, van: http://rmtcnet.com/resources/Recommended%20Best%20Practices %20for%20TCO2%20Testing%20and%20Sample%20Collection.pdf

- Schwarzenberg M, Pippia P, Meloni MA, Cossu G, Cogoli-Greuter M, Cogoli A (1999). Signal transduction in T lymphocytes–a comparison of the data from space, the free fall machine and the random

positioning machine. ADV SPACE RES , 24:793-800.

- Tauber S., Buttron I., Cogoli A., Crescio C., Hauschild S., Pantaleo A., Paulsen K., Saba A., Secchi C., Ullrich O., Ullrich P. (2013). Signal transduction in primary human T lymphocytes in altered gravity – results of the MASER-12 suborbital space flight mission. Cell Communication and Signaling.

- Thiel CS, Paulsen K, Bradacs G, Lust K, Tauber S, Dumrese C, Hilliger A, Schoppmann K, Biskup J, Golz N (2012). Rapid alterations of cell cycle control proteins in human T lymphocytes in microgravity. CELL. COMMUN. SIGNAL. 2012, 10:1.

- Ubachs et al (1999). Stikstof in de Atmosfeer. Vrije Universiteit

Amsterdam. Verkregen, 13-01-2014, van:

h

ttp://www.nat.vu.nl/en/sec/atom/Publications/pdf/AQ-N2.pdf

- USA National Center of Health Statistics (NCHS) Verkregen, 30-01-2014, van: website:www.cdc.org

- Vloermans, P. (2014). Waarom we naar Mars moeten. NRCnext, 16

Januari 2014.

- Walter, M. G., Warren, E. L., McKone, J. R., Boettcher, S. W., Mi, Q., Santori, E. A., (2010). Solar Water Splitting Cells. Chem. Rev. 2010,

APPENDIX A: EIGENSCHAPPEN VAN MARS

Voor alle genoemde waarde, zie Tabel 2.

Mars is vanaf de Zon gezien de vierde planeet in ons zonnestelsel. Het is een terristische planeet, wat betekent dat het oppervlak opgebouwd is uit vaste stoffen. Het oppervlak van Mars bestaat uit kraters,

vulkanen, zandduinen en poolkappen, en heeft de hoogste berg (Olympus Mons) bekend in ons zonnestelsel (Bolonkin, 2009). De diameter van Mars is half zo groot als die van de Aarde. Doordat de Aarde echter vooral bestaat uit oceaan, is het landoppervlakte van beide planeten even groot. De massa van de Aarde is ongeveer 10 keer groter dan de massa van Mars. Hierdoor verschilt de zwaartekracht op beide planeten; de zwaartekracht op Mars is slechts 38% van die op Aarde, waardoor je dus gewicht kleiner is op Mars (Williams, 2004). Dit betekent bijvoorbeeld dat we meer dan 2 keer zo hoog kunnen springen op Mars. De luchtdruk op het marsoppervlak is gemiddeld 750 Pa; dit is ruim honderd keer kleiner dan de gemiddelde luchtdruk aan het aardoppervlak. Om te vergelijken; de luchtdruk aan het oppervlakte van Mars is even groot als de luchtdruk 35 km boven het aardoppervlak. (Bolonkin, 2009)

De baan van Mars is ellipsvormig en heeft een hoge excentriciteit; dit betekent dat Mars soms dichter bij de Aarde staat dan anders. De gemiddelde afstand van de Zon tot Mars is 1,5 AE, waarbij 1 AE gelijk is aan de afstand tussen de Zon en de Aarde, ofwel 150 ∙106 _{km (Bolonkin,}

2009) De siderische periode – de tijd die het duurt om één omloop om de zon te voltooien- van Mars is 687 (Aardse) dagen (Williams, 2004). Dit betekent dat een Martiaans jaar ongeveer twee maal zo lang duurt als een Aards jaar. Een Martiaanse dag, de tijd die het duurt om rond de

eigen as te roteren, duurt 24 uur en 37 minuten, wat dus bijna gelijk is aan een Aardse dag (24 uur).

De obliquiteit van Mars – de hoek van de rotatieas van Mars met zijn baanvlak- is zo’n 25°, tegenover 23.5° voor Aarde. Dit betekent dat Mars, net als Aarde, seizoenen kent; al duren ze op Mars wel tweemaal zo lang. De polen van Mars zijn bedekt met ijskappen, bestaande uit bevroren water en bevroren CO2 (droogijs). Met het verloop van de seizoenen

groeien de poolkappen aan en smelten af. De zuidpool bestaat uit 8m dik permanent ijs; de ijskap op de Noordpool is 1000 km in doorsnede. Wanneer de poolkappen smelten en het droogijs sublimeert, veroorzaakt de vrijkomende CO2 harde winden vanaf de pool. Deze wind is een

opvallend seizoensgebonden klimaatverschijnsel op Mars en veroorzaakt hevige stofstormen (Bolonkin, 2009).

De temperatuur op Mars varieert van een koude -140 °C tot een aangename 30 °C. Ter vergelijking; op Aarde varieert de temperatuur tussen de -88 °C en 58 °C. Deze enorme variatie in temperatuur in een direct gevolg van de dunne atmosfeer van Mars. De atmosfeer van Mars is ruim 100x minder dicht dan die van Aarde, en bestaat voornamelijk uit CO2 (95,7%). Dit komt doordat Mars geen magneetveld heeft. Dit gebrek

aan magneetveld leidt tot het afwezig zijn van een magnetosfeer (Bolonkin, 2009). Hierdoor staat de ionosfeer continu bloot aan geladen deeltjes afkomstig van de zonnewind. Deze zorgen ervoor dat de atmosfeer voortdurend wordt ‘aangevallen’, waardoor deze dun en ijl blijft.

TABEL 2 EIGENSCHAPPEN MARS/AARDE.

Eigenschappen Mars/Aarde 1

Mars Aarde

de zon

Diameter 6792 km 12756 km

Obliquiteit 25 graden 23.5 graden

Tijdsduur jaar 687 Aardse

dagen 365.25 dagen

Tijdsduur dag 24 uur, 37

minuten 23 uur 56 minuten Valversnelling 3.74 m/s2 _{9.81 m/s}2 Gemiddelde temperatuur -63 °C 14 °C Atmosfeer Vooral CO2 N2, O2, Ar en meer Massa 6.4∙1023 _{kg 5.9∙10}24 _kg Druk 636 Pa 1*10^5 Pa

CHEMISCHE EIGENSCHAPPEN VAN MARS

Mars verschilt, naast fysische eigenschappen, ook in chemische eigenschappen van de Aarde. Voor de chemische eigenschappen van Mars wordt vooral gekeken naar de samenstelling van de atmosfeer. Doordat, zoals ook bij fysische eigenschappen is beschreven, Mars geen magnetosfeer heeft, is de atmosfeer zeer dun. De atmosfeer is stoffig en bevat deeltjes van 1,5 µm, waardoor de kleur van het oppervlak van Mars port rood is (Bolokin, 2009). De samenstelling van de (droge) atmosfeer van Mars ten op zichten van die van de Aarde is te zien in de onderstaande tabel (tabel 3).

TABEL 3 SAMENSTELLING (DROGE) ATMOSFEER MARS EN AARDE.

Samenstelling droge atmosfeer Mars/Aarde2, 3_{(volumepercentage)} Mars Aard e Zuurstof (O2) 0,15 % 20,95 % Koolstofdioxide (CO2) 95,72 % 0,03 % Stikstof (N2) 2,70 % 78,08 % Argon (Ar) 1,6% 0,93 % LITERATUURLIJST APPENDIX A:

Bolonkin, A. A. (2009). Mars: Prospective Energy and Material Resources; Ch. 23: Artificial Environments on Mars. Springer-Verlag Berin

Heidelberg, p. 599-625.

Sterrenkunde in Nederland (SIN) (2013). Atmosfeer. Verkregen op 12-01-2014, van: http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/atmosfeer.html

Williams, D. R. (2004). Mars Fact Sheet, National Space Science Data

Center, NASA. Verkregen van:

APPENDIX B: AANNAMES EN SECUNDAIRE PROBLEMEN MET

BETREKKING TOT DE MENSELIJKE KOLONISATIE VAN MARS

Hieronder zijn de verschillende aannames die worden gedaan/problemen die ook een rol zouden meespelen in dit onderzoek op een rijtje gezet. Een deel van de aannames komen terug in Bolokin (2009): Artificial Environments on Mars.

1. Er wordt niet gekeken naar de ruimtereis van Aarde naar Mars.

Er is gekozen om de ruimtereis niet mee te nemen in dit onderzoek. Erkend wordt dat de ruimtereis, welke 210 dagen duurt (Mars One, 2013) op zichzelf verschillende lichamelijke en psychologische gevolgen heeft voor de mens, maar dit onderzoek is niet groot genoeg om deze mee te kunnen nemen in onze overwegingen.We gaan er vanuit dat de mens er probleemloos en in optimale gezondheid kan arriveren.

2. Er wordt niet gekeken naar de psychologische effecten die de kolonisatie met zich mee brengt.

Er zullen ongetwijfeld psychologische aspecten meespelen bij het koloniseren van Mars. Dit begint al bij de reis (zie punt 1) en zal

voortduren tijdens het leven op Mars. Echter, tussen de onderzoekers van dit onderzoek zijn geen experts op het gebied van psychologie, daarom zijn we genoodzaakt dit aspect achterwege te laten.

3. Er wordt niet gekeken naar het sociologische aspecten van het stichten van een kolonie.

Dat niet gekeken wordt naar dit aspect van de menselijke

kolonisatie van Mars is zeer jammer, maar helaas behoort dit ook niet tot de expertise.

4. Er wordt niet gekeken naar de voedselvoorziening op Mars.

In het begin zal de koepel niet in staat zijn om mensen van voedsel te voorzien. Tot die tijd zal men zichzelf moeten voeden op dezelfde

voldoende essentiele voedingsstoffen om te kunnen overleven. Het eventuele afvalprobleem dat hiermee gepaard gaat, wordt ook buiten beschouwing gelaten. Wellicht is er in een later stadium van de

kolonisatie wel mogelijkheid tot het verbouwen van voedsel, echter in dit onderzoek zal hier geen aandacht aan besteed worden. Interessant is wel dat men al bezig is met het onderzoeken van de mogelijkheden van Space Agriculture (Yamashita, 2009). Wanneer dit in werking treedt, zal ook eventueel stikstofgas kunnen worden meegenomen van Aarde, zodat de stikstofcyclus (Lenntech, 2014) net zoals op Aarde kan werken.

5. Er wordt geen rekening gehouden met het effect van de zwaartekracht op de architectuur van huizen/onderdak in de koepel op Mars.

Deze aanname is gedaan omdat niet voldoende kennis aanwezig is onder de onderzoekers op het gebied van bouwkunde.

6. Alle aspecten van het vrije leven op Aarde, zoals sport, musea, winkels, etc., oftewel ‘The good life’ zullen ook aanwezig zijn op Mars, in een verder stadium van de kolonisatie.

Zonder deze aanname zou het mensen minder aantrekkelijk kunnen zijn om te verhuizen naar Mars, wat de kolonisatie zou dwarsbomen. Daarom wordt, net zoals Bolokin (2009) in zijn onderzoek deed, aangenomen dat dit zich zal ontwikkelen op Mars.

LITERATUUR APPENDIX B

Bolonkin, A. A. (2009). Mars: Prospective Energy and Material Resources; Ch. 23: Artificial Environments on Mars. Springer-Verlag Berin

Heidelberg, p. 599-625.

MARS ONE (2013). Roadmap. Verkregen, 12-01-2014, van :

http://www.mars-one.com/mission/roadmap

Yamashita, M., Hashimoto, H., Wada, H. (2009). On-Site Resources Availability for Space Agriculture on Mars. Ch 18: Artificial Environmnts on Mars.

INTEGRATIEPROCES

Bij het analyseren van onze data management tabel viel ons een belangrijk verschil meteen in het oog; alle drie de disciplines bekijken het ontstaan van leven vanuit een ander perspectief.

FIGUUR 5 TANDWIELMECHANISME

Zoals in figuur 1 ook al aangegeven staat, werken deze verschillende perspectieven wel samen volgens een tandwielmechanisme. Het een kan niet zonder het ander. De fysische eisen geven de basis voor een veilige en levensvatbare omgeving. Zodra dit allemaal in orde is kunnen elementen worden gevormd. Koolstof is het belangrijkste element voor leven zoals wij het hier op aarde kennen, het vormt de basis voor alle organische verbindingen. Daarnaast zijn water en zuurstof onmisbaar. Beide zijn van groot belang in de zogenaamde citroenzuurcyclus. Hierin wordt energie vrijgemaakt met behulp van elektronenoverdracht op zuurstof. Deze energie is weer de motor voor het laatste tandwiel in dit figuur. Elke vorm van leven, beginnend bij de kleinste micro organismen tot aan het menselijk leven, heef t energie nodig om voort te bestaan.

Scheikunde

Natuurkunde Biomedische Wetenschappen

aanweizgheid host star habitable zone veilige omgeving (vrij van levensbedreigende

supernovae) voldoende zware elementen aanwezig voor vorming planeet koolstof (C) (vloeibaar) H2O O2 redox koppels energie voor leven micro organismen en fysiologie voldoende tijd voor evolutie

Maar zonder alle eerder gestelde fysische en chemische voorwaarden, is er geen aandrijving voor deze energie en kan er dus geen leven ontstaan. Het is dan ook om deze reden dat wij in ons onderzoek beginnen met het kijken naar de fysische en chemische eigenschappen van Aarde; wat zijn de voorwaarden waaronder menselijk leven nu mogelijk is? Door vervolgens naar het biologische aspect te kijken kunnen we onderzoeken hoe de mens zich aan deze omstandigheden heeft aangepast. Vervolgens bekijken wij opnieuw de fysische en chemische eigenschappen, maar ditmaal van Mars. Wat zijn de verschillen met de omstandigheden op Aarde en voldoen ze wel aan de gestelde voorwaarden? Vervolgens pas kunnen we gaan kijken hoe het menselijk leven zich zou aanpassen indien er niet aan de voorwaarden wordt voldaan. Deze cyclus staat weergegeven in figuur 2, ons mechanistisch model.

FIGUUR 6 MECHANISTISCH MODEL.

Dit alles biedt ons de mogelijkheid tot common ground. De verschillende disciplines hebben elkaar in beginsel nodig om leven mogelijk te maken. Vervolgens hebben deze disciplines elkaar weer nodig wanneer de

leefomstandigheden veranderen en deze veranderingen overkomen moeten worden om leven te kunnen laten voortbestaan. In ons onderzoek kunnen verschillende disciplines juist de uitleg van bepaalde concepten aanvullen in plaats van dat zij in conflict komen. Zodoende zal de common ground dus voornamelijk ontstaan door aanvullingen van de verschillende studies op elkaar.

TECHNISCHE HULPMIDDELEN UIT VOORGAAND ONDERZOEK

Hieronder worden enkele voorbeelden genoemd van technische hulpmiddelen die zijn aangedragen in eerder onderzoek.

- Spiegelsatellieten, deze draaien mee met Mars en zorgen ervoor dat zonlicht wordt gereflecteerd naar de planeet, waardoor de gemiddelde temperatuur zal toenemen (McInnes, 2009) .

FIGUUR 7 TEKENING VAN SPIEGELSATELLIET DIE ZONLICHT WEERKAATST NAAR MARS (MCINNES, 2009).

- De atmosfeer verdikken door gas toe te voegen (Bolonkin, 2009) - Het plaatsen van zogenaamde ‘opblaasbare koepels’ waarin geleefd

kan worden (Bolonkin, 2009).

- Gebruik maken van de grondstoffen die Mars zelf te bieden heeft; zo kan er een ‘Martiaanse baksteen’ gemaakt worden (Ishikawa, 2009) en kan er staal geproduceerd worden (Herndon, 2009)

- Gebruik maken van een van de vele grotten die Mars bezit, deze bieden voldoende bescherming tegen de inkomende straling (Boston, 2010).

- Ruimtepakken die beschermen tegen straling en de druk en temperatuur reguleren (Kuznetz, 1990).

- Bolonkin, A. A. (2009). Mars: Prospective Energy and Material

Resources; Ch. 23: Artificial Environments on Mars. Springer-Verlag

Berin Heidelberg, p. 599-625.

- Boston, P. J. (2010). Location, Location, Location! Lava Caves on Mars for Habitat, Resources, and th3 Search for Life. Journal of Cosmology,

Vol. 12, p. 3957-3979.

- Herndon, J., M., (2009). Perspectives on the Utilization of Martian Iron and Carbon Dioxide; Ch. 20: Artificial Environments on Mars.

Springer-Verlag Berin Heidelberg, p. 551-562.

- Ishikawa, Y. (2009). Utilization of Regolith for Manufacturing Construction Material on Mars; Ch. 19: Artificial Environments on Mars. Springer-Verlag Berin Heidelberg, p. 543-550.

- Kuznetz, L. H. (1990). Space suits and Life support systems for the exploration of Mars. American Institute of Aeronautics and

Astronautics. Chapter DOI: 10.2514/6.1990-373.

- McInnes, C., R., (2009). Mars Climate Engineering Using Orbiting Solar Reflectors; Ch. 25: Artificial Environments on Mars.