1
2
SAMENVATTING
In dit profielwerkstuk hebben we een maquette gemaakt van onze Marsbasis in Minecraft. Deze basis hebben we ontworpen uit de onderzoeken die we hebben gedaan over drie verschillende factoren. Deze factoren zijn habitat, straling en plantengroei.
Voor de habitat luide de vraag: Wat is de best mogelijke vorm voor een habitat die tegen allerlei verschillende factoren weerstand biedt? Wat is er nodig om in een habitat te overleven?
Voor de straling was dit: Over wat voor straling moeten we ons zorgen maken op mars? Welke straling is schadelijk voor de mens en hoe kunnen we ons hiertegen beschermen?
En voor plantengroei was de vraag: Is de grond die zich bevindt op mars geschikt om planten op te verbouwen en wat voor gewassen zijn makkelijk te verbouwen en nodig om te kunnen overleven op mars?
Conclusie voor de habitats: De prolate sferoïde blijkt zoals verwacht de beste vorm voor de habitat te zijn uit de verschillende hypotheses. Een 3D-printer is het efficiëntst en het best om te gebruiken. De materialen worden niet meegenomen vanaf aarde, want dit is onpraktisch en kost te veel brandstof Het noorden van de rode planeet is geschikt voor habitats, daar is meer zonlicht en een dikkere atmosfeer dan in het zuiden. Ook is er in het noorden water in de vorm van ijs te vinden.
Conclusie voor de straling: Er zijn stralingbestendige materialen nodig. Dit is een goede oplossing voor Solar Particle Events, maar om de achtergrondstraling tegen te houden zijn andere
technologieën nodig. De beste techniek lijkt het vormen van een kunstmatig schild en dan wel een ringkernveld. Dit houdt genoeg straling tegen om de Marsbewoners te beschermen. Een andere hypothese op de hoofddeelvraag is het beperken van de stralingsdosis van de reis naar Mars.
Hiervoor wordt een efficiënte hybrideraket gebruikt. Het is natuurlijk voordelig om een kleinere dosis straling te ontvangen, maar eenmaal op Mars moet er ook bescherming zijn.
Conclusie voor de plantengroei: Uit ons experimentele onderzoek blijkt dat planten inderdaad kunnen groeien uit de bodem van mars. Zowel de tuinkers, tomaat als de lupine zijn tot bloei gekomen. Gewassen waar we aan moeten denken om te kunnen overleven op mars zijn
voedselgewassen. Hier kan men van eten, waardoor ze niet afhankelijk zijn van een voorraad die opraakt. De voedselgewassen moeten makkelijk kunnen groeien en zich kunnen ontwikkelen, ook onder niet zulke optimale omstandigheden. Ook moeten de voedselgewassen voedzaam zijn. Het beste voedselgewas dat hieruit kwam is de aardappel of de tomatenplant. Naast de voedselgewassen planten we in dezelfde grond ook stikstofbindende planten. Deze stimuleren de groei en
ontwikkeling van de voedselgewassen. We hebben gekozen voor de lupine, een vlinderbloemige, deze vraagt geen moeilijke verzorging en aan de zaden is makkelijk te kom
3
INHOUDSOPGAVE
Inleiding 4
Hoofdstuk 1: Theoretisch kader 5
Hoofdstuk 2: Onderzoeksopzet 26
Hoofdstuk 3: Onderzoeksresultaten 38
Hoofdstuk 4: Analyse onderzoeksresultaten 52
Conclusie 53
Discussie 54
Aanbevelingen voor een vervolgonderzoek 56
Alfabetisch-lexicografische literatuurlijst 57
4
INLEIDING
De aarde. Er komt een dag dat het teveel wordt voor onze planeet. De mens blijft stijgen in zijn populatie, maar er komt geen extra ruimte bij. Wat gaan we doen als de ruimte hier op aarde bijna op dreigt te zijn? Waar gaan we naartoe als er niks meer over is? Dit heeft ons aan het denken gezet.
En zo kwamen we op Mars. Onze buren, de rode planeet. Deze planeet zou onze redding kunnen zijn, maar zo ver zijn we nog niet. Wij willen met ons profielwerkstuk een stapje verder gaan richting deze redding. Wij willen onderzoeken wat ervoor nodig is om te leven op Mars.
Dit profielwerkstuk gaat daarom over leven op Mars. Er zijn erg veel factoren die het leven op Mars op dit moment onmogelijk maken. We hebben ervoor gekozen om te focussen op drie belangrijke factoren. Deze factoren zijn habitat, straling en plantengroei. Onze keuze is gevallen op habitat, omdat een veilige plek om in te leven een van de meest belangrijke noodzaken is om te kunnen overleven. Daarnaast straling, omdat zonder enige vorm van bescherming hiertegen leven op Mars snel doodgaat. En als laatste plantengroei, omdat de mens zijn zelfvoorzienend moet zijn op Mars, aangezien er een beperkte hoeveelheid levensmiddelen kan worden meegenomen van aarde.
Om onze voorgaande onderzoeken in kaart te brengen en met elkaar te combineren, besloten we een maquette te maken van onze Marsbasis. In verband met het coronavirus hebben we deze echter niet kunnen maken, dus hebben we ons aangepast aan de situatie en de maatregelen. Hierdoor is de basis gebouwd in Minecraft.
Als eerst geven we het theoretisch kader weer. Vervolgens ons eerste onderzoeksopzet en het opzet waar we uiteindelijk voor gegaan zijn. Hierin staat ook weergegeven waar we nog extra onderzoek naar hebben gedaan. Hierna volgen de resultaten. Deze bestaan uit foto’s van ons bouwwerk met beschrijving van wat het is en de functie ervan en de verantwoording van de gemaakte keuzes erbij.
Als laatst volgt de analyse van onze resultaten.
5
HOOFDSTUK 1: THEORETISCH KADER
THEORETISCH KADER LEVEN OP MARS: HABITATS
Hoofddeelvraag: Wat is er nodig om op mars te kunnen (over)leven op gebied van de habitats?
Welke vorm is het meest geschikt voor de woning?
Waar structuren op aarde voornamelijk zijn ontworpen voor zwaartekracht en wind, vereisen de omstandigheden op mars een structuur die is geoptimaliseerd om interne atmosferische druk en thermische spanningen te verwerken.
Interne krachten
In een omgeving zonder atmosfeer duwt de grootste kracht van binnen naar buiten. De beste vormen die bestand zijn tegen dit soort grote krachten zijn bollen en andere ballonvormen.1 Ruimte efficiënt
De vorm moet ook efficiënt zijn qua ruimte. Een bol is ideaal, omdat deze de grootst mogelijke ruimte voor een bepaald oppervlak insluit en heeft dus de maximale volume/ oppervlakte
verhouding. Op aarde zou deze vorm lastig zijn om te bouwen door onder andere de zwaartekracht, maar in de ruimte zou het geen probleem moeten vormen. Een mogelijke vorm kan een prolate sferoïde zijn of eivormig.2
Duurzaam
Ronde gebouwen gebruiken minder muur-, vloer- en dakmaterialen om dezelfde vierkante meters te omsluiten als een vierkant/rechthoekige structuur. Vijftien tot twintig procent minder materiaal wordt gebruikt om hetzelfde aantal oppervlakte te krijgen. Dit betekent dat het duurzamer is en dat de kosten lager zijn. Het betekent ook minder oppervlak in contact met ongunstige
weersomstandigheden.3 Temperatuurregeling
De temperatuur en verlichting kunnen eenvoudig en efficiënt worden geregeld door het ontbreken van hoeken. Warmte gaat minder gemakkelijk verloren wegens het gebrek van hoeken. Op gebied van energiebesparing, zou de beste universele vorm een halve bol zijn. De koepel zou perfect zijn om energie te besparen, terwijl het platte gedeelte eronder, in contact met de aarde, een perfecte isolator zou zijn, zoals iglo's. Op aarde zou het moeilijk zijn om in zo'n huis te kunnen wonen, omdat het meeste meubilair specifiek voor dit geval moet worden gemaakt, anders verspil je veel ruimte.
Maar voor de missie naar mars zou al het meubilair op maat gemaakt worden.4
De Greater London Authority gebouw is een voorbeeld van een prolate sferoïde. Uit onderzoeken van dit gebouw is gebleken dat deze vorm de energieconsumptie reduceert en dat de
energieconsumptie van andere soorten gebouwen in vergelijking veel meer is.5
1 https://www.youtube.com/ SEArch+/Apis Cor - Phase 3: Level 4 of NASA’s 3D-Printed Habitat Challenge op kanaal NASA’s Marshall Space Flight Center
2 https://space.stackexchange.com/ What is the optimum shape for a spacecraft
3 https://inhabitat.com/ Why our ancestors built round houses and why it still makes sense to build round structures today
4 https://www.quora.com/ What is the most space efficient shape to build a house with
5 https://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB16708.pdf
6
Figuur 1. Greater London Authority Windgolven
Wind- en tsunami-golven bewegen op natuurlijke wijze rond een rond gebouw in plaats van te haken op hoeken. Een rond dak vermijdt een situatie waarbij een sterke wind de dakconstructie op en af van het gebouw tilt. Er zijn tientallen onderling verbonden punten in een rond huis. Dit zijn plekken waar men delen van het gebouw met elkaar kan verbinden. Flexibele materialen die worden gebruikt als verbindingsstukken geven het gebouw een unieke combinatie van flexibiliteit en sterkte-
eigenschappen, waardoor ze aanzienlijk veiliger zijn in zware weersomstandigheden zoals extreme wind.
Luchtcirculatie
De natuurlijke thermische dynamiek van ruimte gebruikt geen externe energie om de temperatuur te laten circuleren. Warme lucht stijgt en daalt langs de muren en zo circuleert constant de lucht en temperaturen in de woning.
Akoestiek
De akoestiek van een ronde ruimte is ook goed. De curve verzacht de geluiden in het gebouw waardoor het de perfecte plek is voor rust en reflectie of voor interactie en het luisteren naar en muziek. De vorm voorkomt ook dat geluid binnendringt van buitenaf. Geluidsgolven verdwijnen wanneer ze zich om het gebouw wikkelen, waardoor het interieur wordt beschermd tegen luid buitengeluid.6
Externe druk
De bol, sferoïde (een eivorm) en de koepel zijn bestand tegen de meeste externe druk. De boog is sterker dan een plat oppervlak. De kracht die nodig is om een boogvorm te breken is veel groter dan die van een plat oppervlak. Koepels, bollen en sferoïden kunnen druk en gewicht gelijkmatig over de vorm verdelen. Als er over de hele vorm gelijke druk wordt uitgeoefend, is er grote kracht nodig om dit te kunnen breken. Dit is hoe vogels op hun eieren kunnen zitten zonder ze te kraken en hoe boogvormige bruggen een aantal voertuigen kunnen dragen zonder te knikken.7
https://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB16614.pdf
6 https://inhabitat.com/ Why our ancestors built round houses and why it still makes sense to build round structures today
7 https://www.reference.com/ What shape can hold the most weight
7 Expansie
Een prolate sferoïde of een afgeplatte sferoïde zou beter zijn dan een bol, met verschillende kromming in verschillende richtingen op gebied van expansie.8
Windbelasting op daken
In een studie van ontwerprichtlijnen voor gemeenschapshuisvesting voor extreme evenementen, werd ontdekt dat vernietiging van de dakbekleding vaak het begin is van het falen van de structuur en dat kan leiden tot verwonding van bewoners tijdens extreme windgebeurtenissen. Daarom moet voor het ontwerp van de constructie, samen met andere belastingen, ook rekening worden
gehouden met windbelasting. Uit onderzoek is gebleken dat een piramidevormige dak zorgt voor het minste belasting. Bij een prolate sferoïde zou het dak bollig zijn, dus daar zou de wind nog beter overheen kunnen stromen en zou het ook voor minder windbelasting zorgen.9
Conclusie
Gebaseerd op de gevonden theorie op verschillende gebieden is het antwoord op deze deelvraag een prolate sferoïde.
Figuur 2. prolate sferoïde
Hoe gaat het proces van ISRU (in-situ resource utilization) in zijn werk?10 Materiaal typen
De constructie van de mars woningen is sterk afhankelijk van materialen die zijn gevonden en geproduceerd op het oppervlak van Mars. Regoliet wordt gevonden in de vorm van marszand, basalt is het onderliggende gesteente en polyethyleen, hoewel niet natuurlijk voorkomend, kan worden geproduceerd door koolstofdioxide en waterstof te combineren.
Benodigde apparatuur
Een verwerkingsmachine zal nodig zijn om de materialen voor te bereiden voor gebruik bij de
constructie van de woning. De machine bestaat uit twee materiaalstromen: de een voor de productie van plastic, de andere voor de verwerking van de regoliet en basalt.
8 https://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB16708.pdf https://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB16614.pdf
9 Singh, J. & Roy, A.K. International Journal of Advanced Structural Engineering (2019) 11: 231.
https://doi.org/10.1007/s40091-019-0227-3
10 https://www.marsincubator.com/ In-situ resouce utilization (ISRU)
8
Voor het verzamelen van hulpbronnen en het samenstellen van habitats wordt een graafmachine met verschillende hulpstukken meegebracht, waaronder een emmer, bankschroef,
precisiemanipulator en een printkop.
Extra uitrusting die nodig is om de reis te maken, zijn mallen, geavanceerde elektronica, een
lasersnijder, een verwarmende pers en een kilopower-installatie. Alle buitenpanelen, binnenpanelen, ondersteunende structuren en de verbindingsapparaten zijn gemaakt van materiaal afkomstig van mars.
Werkwijze
De eerste stap in de productie is het produceren van polyethyleen dat wordt gebruikt in de meeste drukbehoudende en structurele delen van de habitat. Om dit te doen, wordt met water beladen regoliet of waterijs verzameld en in de trechter geladen, gezeefd en in de oven gevoerd. Het wordt verwarmd om al het water te verwijderen dat is verzameld en opgeslagen.
Het water wordt vervolgens geëlektrolyseerd om waterstof te isoleren. De zuurstof kan na productie worden opgeslagen voor gebruik door de bemanning.
Figuur 3 Productieproces van polyethyleen Conceptueel ontwerp
In figuur 3 wordt het proces afgebeeld hoe polyethyleen wordt geproduceerd. De waterstof wordt gecombineerd met koolstofdioxide uit de atmosfeer over een koperkatalysator om koolstofmono- oxide en meer water te produceren. Het water wordt gerecycled en het CO wordt gehydrogeneerd over een op ijzer gebaseerde katalysator om ethyn en water te produceren. Wederom wordt het water gerecycled en wordt de ethyn gepolymeriseerd om het polyethyleen te produceren. De regoliet-residuen die uit dit proces zijn geproduceerd, kunnen later worden opgeslagen voor aanvulling.
Ruw polyethyleen wordt gebruikt om 4 items te maken: buitenpaneelankers, achterplaten, trim en spaninrichtingen. Ze gebruiken allemaal verschillende vormen, maar hetzelfde proces waarbij polyethyleenpoeder wordt gegoten, wordt verhit tot het smelt en het laat afkoelen.
9
De productie van een buitenpaneel vereist alle drie de materialen: regoliet, basalt en polyethyleen.
Basaltvezel wordt gebruikt als versterking tegen druk. Om het te verwerken (zie figuur 4), wordt het in de verzamelbak gedumpt waar het tot grondstof wordt verpulverd. Het wordt vervolgens in de oven ingevoerd om te zorgen dat het geen water bevat en gaat vervolgens verder in de vezelmachine.
Hier wordt het materiaal gesmolten en door een platina-rhodiumring getrokken tot een vezel met een kleine diameter ontstaat. Deze vezels worden vervolgens gewikkeld en worden gebruikt als grondstof voor de laserprintkop.
Figuur 4 Basaltvezel verwerking Welke materialen gebruiken we? Waar kunnen we die vinden? Waar worden ze voor gebruikt?
Materiaal Waar? Gebruik
Polyethyleen Niet uit de grond, maar geproduceerd uit materialen die op mars te vinden zijn. (Dit proces staat beschreven bij ISRU)
In de
binnenlaag/binnenvoering, mondstuk en
zonneweringssysteem Marsaggregaat, ijs, mineralen Uit de grond Als dit gemengd wordt met
cement uit mars-carbonaat, wordt het beton geschikt voor bouw dat bestand is tegen krachten van buitenaf
Regoliet Aan het mars oppervlak Panelen
Basalt Ondergronds Versterking tegen druk en
wordt gebruikt bij het
produceren van polyethyleen
Hoe maak je een gebouw bestand tegen aardbevingen?11
Aardbevingen creëren horizontale druk op de gebouwen, wat kan leiden tot instorting.
Om een gebouw bestand te maken tegen aardbevingen heeft het gebouw een flexibele fundering nodig. Het gebouw is geconstrueerd op flexibele “stootkussens” die de fundering van de grond isoleren. Wanneer een aardbeving plaatsvindt, beweegt dan alleen de basis terwijl de structuur stabiel blijft.
11 www.bigrentz.com How earthquake-proof buildings are designed https://www.iitk.ac.in/nicee/wcee/article/14_05-01-0536.PDF
10
Verder moeten de gebouwen beschermd worden voor trillingen. Betonnen en plastic ringen worden geplaatst onder het gebouw om schokgolven rond het gebouw te leiden.
Verder is het van belang om materialen te gebruiken die flexibel zijn en dus kunnen vervormen.
Op welke plek willen we de woningen vestigen?
Uit onderzoek blijkt dat het gebied Cydonia Mensae geschikt is voor de woningen op mars.12 Het bevindt zich in de relatief milde noordelijke overgangsklimaatzone, die het hele jaar door zonlicht heeft. Dit is een maatregel die het psychologisch welzijn bevordert en zonne-energie mogelijk maakt.
Veel vermeende watergerelateerde kenmerken bestaan in de noordelijke laaglanden van Mars. Deze kenmerken geven aanwijzingen over de overvloed en tijd van water of ijs dat daar in het verleden bestond. Op 39 graden noord herbergt het toegankelijke afzettingen van ondergronds ijs voor conversie naar drijfgas, lucht en drinkwater. De plek heeft geconcentreerde vulkanische
rotsafzettingen, alleen bedekt met een dunne laag losse regoliet, waardoor het beschikbaar is als instituutshulpmiddel. Ten slotte bevindt Cydonia zich op 11 kilometer onder de gemiddelde hoogte, dat een hogere bescherming biedt tegen schadelijke kosmische straling vanwege de grotere dikte van de atmosfeer daarboven. Hieruit kunnen we concluderen dat deze plek alle middelen die nodig zijn voor een veilige en duurzame menselijke aanwezigheid op Mars biedt.13
Ontwerp van winnaars in verschillende fasen
NASA begon in 2015 met een wedstrijd voor 3D-geprinte woningen en heeft teams in de VS uitgedaagd om de structurele integriteit te bewijzen en een model van een habitat te construeren dat ooit mensen op het oppervlak van de maan of zelfs Mars zou kunnen beschermen. Als beeld voor ons eigen ontwerp hebben we naar winnaars uit verschillende fasen gekeken.
Hoe is de Mars X house van Team SEArch + en Apis Cor opgebouwd?14
Voor de vorm is een hyperboloïde gekozen. Een naar binnen gerichte boog is een efficiënte
compressiestructuur: het houdt de krachten van luchtdruk tegen zoals een dam de kracht van water tegenhoudt. Het gewicht aan de bovenkant van de constructie is bestand tegen opwaartse krachten en voorkomt dat de habitat kan exploderen. De unieke vorm van de hyperboloïde zorgt voor continue versterking van onder naar boven in de structuur. Hoewel de beton en
basaltvezelconstructie interne drukkrachten aanpakt, zijn ze nog steeds materieel poreus. Een binnenvoering van bedrukt HDPE creëert een luchtblaas. Omdat de atmosfeer dikker is naarmate we de horizon naderen, is er minder behoefte aan afscherming bij lagere hoeken.
De woning maakt gebruik van de unieke mogelijkheden van 3D-printen om maximale stralingsbescherming te bieden tegen galactische kosmische straling
Het team scheidde elke opening met een afdek van 30 graden gecreëerd door de dikte van de muur.
Ook hebben ze een meer-lagige en verdikte stralingsafscherming ontworpen in de gebieden waar de bemanning de meeste tijd doorbrengt:
12 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S001910350900058X https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2004JE002297
13 https://www.youtube.com/ AI SpaceFactory - MARSHA - Our Vertical Martian Future - Part One op kanaal AI SpaceFactory
14 https://www.youtube.com/ SEArch+/Apis Cor - Phase 3: Level 4 of NASA’s 3D-Printed Habitat Challenge op kanaal NASA’s Marshall Space Flight Center
11 - 26% van de tijd in de afdelingsruimte en operatie station - 42% van de tijd slapen
- 32% van de tijd in laboratoria
Een vooraf geïntegreerd milieubeheersing en levensondersteunend systeem (= ECLSS-systeem) bevindt zich in het midden van de habitat voor optimale luchtcirculatie en stroming en vormt de mechanische kern.
Drie onafhankelijke servicegebieden houden de laboratoria en woonruimtes gescheiden in geval van nood. De nooduitgang uit de drie zones wordt verzorgd door een buitentrap die naar beneden en rond de zones slingert en een vluchtgebied biedt dat gescheiden is van het milieu.
Onafhankelijke en redundante mechanische zones isoleren elk laboratorium van de leefruimtes in geval van nood. De voordelen van ISRU-constructie (ISRU = is de praktijk van het verzamelen, verwerken, opslaan en gebruiken van materialen gevonden of vervaardigd op andere astronomische plaatsen, die materialen vervangen die anders van de aarde zouden worden meegebracht) op marsgrond zijn stralingsafscherming en fysieke bescherming.
De mechanische kern is een voorgeïntegreerde eenheid die de integratie van MEP- (MEP =
mechanisch, elektrisch, sanitair) en ECLSS-systemen vereenvoudigt, die anders robotisch, afzonderlijk zouden moeten worden geplaatst en geïnstalleerd.
Figuur 5 Mars X House
Hoe is de Zopherus opgebouwd?15
Voorafgaand aan de bouw is een enorme voorbereiding nodig voor de aankomst van de astronauten.
Nadat de lander landt, worden Rover-robots ingezet voor het verzamelen van regolieten (= laag los, vaak verweerd materiaal aan het oppervlak van een planeet). Na een optimale locatieselectie sluit de lander aan op de grond om een drukomgeving te creëren voor het 3D-printen.
De Rover-robots verzamelen marsaggregaat, ijs en minderalen die vervolgens worden getest en verwerkt. Aggregaat gemengd met cement, afgeleid van mars-carbonaat en water, maakt beton geschikt voor habitatbouw.
15 https://www.youtube.com/ Team Zopherus - Phase 3: Level 4 of NASA’s 3D-Printed Habitat Challenge opo kanaal NASA's Marshall Space Flight Center
12
De lander bereidt zich hierna voor op de printfase. Een eerste mondstuk begint met het drukken met HDPE (= hoge dichtheid polyethyleen), een zeer recyclebaar thermoplastisch materiaal. Een tweede mondstuk drukt het martiaans beton. Deze methode biedt de nodige ondersteuningsstructuur voor de 3D-print. De landerprinter bevat ook robotarmen die manoeuvreren om geprefabriceerde onderdelen tijdens het drukproces te plaatsen.
De schaal van het leefgebied bestaat uit een structurele buitenste schil en een luchtdichte binnenlaag. De dikke en stevige buitenste Martiaanse betonnen schil beperkt en beschermt structureel de dunne en flexibele binnenlaag van HDPE. Omdat Mars enorme dagelijkse
temperatuurschommelingen ervaart, zorgt de verwarming en afkoeling ervoor dat beton uitzet en krimpt, wat uiteindelijk leidt tot breuken in het beton. Om het kraken te verminderen, omvat het buitenoppervlak van de habitat een op zonne-energie gericht HDPE-zonweringssysteem dat delen van de betonnen schaal afschermt, die het langst worden blootgesteld aan direct zonlicht.
Bovendien is de reflecterende schaduwlaag geïntegreerd in de thermoplastische versterking. Deze versterking wordt op twee verschillende manieren gebruikt. Ten eerste bieden de massieve thermoplastische strengen primaire structurele weerstand en binding. Ten tweede kan het externe doorschijnende stralingsscherm worden geactiveerd om de bemanning te beschermen tijdens piekuren met blootstelling aan straling.
Een tussenverdieping met natuurlijke verlichting, weidse uitzichten en omringende vegetatie biedt de bemanning een ideale ruimte voor sociale interacties en bediening op afstand. De hydrocultuur tuinen helpen bij de zuurstofproductie en CO2-absorptie.
De bemanningsverblijven bevatten vier slaapkamers voor rust, vrije tijd en privacy. Elke ruimte bevat opslag voor persoonlijke items, nooddrukpakken en een kijkvenster. De bemanningsunit bevat ook een sanitaire ruimte, uitgerust met sanitaire voorzieningen.
De laboratoriummodule biedt een flexibele ruimte om te studeren, compleet met werkoppervlakken, computerstations, laboratoriumapparatuur en communicatietechnologie. Het lab beschikt ook over een Rover-luik om veldmonsters snel te kunnen laden en lossen. Elektrische en sanitaire systemen zijn centraal geplaatst voor eenvoudige routing
Het leefgebied van de Zopherus heeft het unieke vermogen om te groeien met de eisen van onderzoek en bemanning.
Ook is mobiele printer is uitgerust om on-site reparaties te bouwen en uit te voeren en dient tevens als nooddrukvat in geval van nood.
13 Figuur 6 Zopherus
Hoe is de Mars Incubator opgebouwd?16
“Deze habitat is gemaakt van in-situ materialen voor een efficiënte constructie en biedt een veilige en robuuste omgeving voor het menselijk leven op Mars.”
Het bestaat uit vier volumes, gescheiden in functionele zones.
- Het eerste volume is een vestibule voor oppervlakte-inzet via rovers
- Het tweede en primaire volume bevat labruimte, ECLSS-systemen, een sanitaire voorziening, een voedselbereidingsruimte en accommodaties voor bemanningsleden
- Het derde volume is een flexibele ruimte voor meerdere activiteiten
- Het vierde volume is het gebied voor biogeneratie, bestemd voor plantengroei Al deze zijn verbonden met aangepaste bruggen die op hun plaats zijn gelast.
Voordat de volumes worden geplaatst, worden eerst de externe ondersteuningsstructuren gevormd door opeenvolgende lagen lasergesmolten basaltvezel toe te voegen in een gesmolten afzetting.
Vervolgens worden de onderste panelen van de buitenkant van de habitat op de externe steunen geplaatst. Deze panelen zijn gemaakt van regoliet en polyethyleen en zijn versterkt met
schokbestendige vezels. De eigenschappen van deze materialen zorgen voor effectief drukbehoud en bescherming tegen schokken en straling. Met dit proces kunnen meerdere configuraties van de panelen worden vervaardigd met hetzelfde proces en dezelfde apparatuur. Met de onderste panelen op hun plaats, kunnen de interne componenten bovenop worden gemonteerd. Deze onderdelen bestaan uit met lange vezels versterkt polyethyleen, gevormd, gesneden en thermisch gevormd in de juiste vormen met behulp van een verwarmde pers. Dit resulteert in een stijf, maar toch veelzijdig materiaal.
De habitat is ontworpen om zowel binnen als buiten modulair te zijn om aan de behoeften van de faciliteit te voldoen.
Dit volume is ontworpen met op zichzelf staande drukapparatuur om direct op het oppervlak te kunnen worden ingezet.
16 https://www.youtube.com/ Mars Incubator - Phase 3: Level 4 of NASA’s 3D-Printed Habitat Challenge op kanaal NASA's Marshall Space Flight Center
14
Het hart van de habitat is het ECLSS-systeem in het primaire volume.
Verdere voorzieningen:
- Een noodvoorziening van drukgas bevindt zich onder de vloer in het geval van een primaire systeemstoring.
- Het biogeneratielab heeft extra capaciteit om een onafhankelijke hydrologische cyclus in stand te houden voor een botanisch leven
De ruimte onder het dek is verdeeld in secties voor elk van de vereiste bewerkingen: HVAC, waterbeheer, zuurstofgeneratie en stroomverdeling:
- De verwarmings- en koelunit duwt lucht door de habitataansluiting op een MEP-poort, waardoor een warmtewisselaar wordt blootgesteld aan de externe omgeving;
- Het watersysteem neemt de meeste ruimte in beslag met een zoetwaterreservoir, een behandelingssysteem en een afvalbeperkingsvolume;
- Het zuurstofgeneratiesysteem absorbeert koolstofdioxide en hevelt water uit het reservoir om zuurstof voor de bemanning en methaan voor brandstof te produceren.
- Stroom voor de habitat zal worden getrokken uit een belangrijke laagvermogen isolatie, verbonden via een MEP-eenheid en verdeeld over het volume
Figuur 6 Mars Incubator Figuur 7 Marsha Hoe is Marsha van AI SpaceFactory opgebouwd?17
De eerste taak voor elk Mars-huis is het houden van een aardachtige atmosfeer.
Een eenvoudige studie van ruimtelijke en materiaalefficiëntie laat zien dat een verticaal
georiënteerde cilinder de beste formele basis is voor een oppervlaktehabitat. Behalve dat ze zeer effectieve drukvaten zijn, bieden ze de grootste verhoudingen van bruikbaar vloeroppervlak tot oppervlak, volume en diameter.
Het verkleinen van het oppervlak betekent minder materiaal gebruiken onder minder spanning.
Volume verminderen betekent het verminderen van energiebelastingen op mechanische systemen.
En het verkleinen van de diameter vermindert rechtstreeks de structurele spanningen, met name aan de basis, waar opwaartse krachten verankering in onzekere grond vereisen.
In tegenstelling tot koepels produceren ze geen onbruikbaar volume of onbruikbaar perimeter vloeroppervlak. Daarom is de meest directe manier om de structurele belasting te verminderen en de bruikbare ruimte te maximaliseren, de diameter te verkleinen en verticaal ruimte toe te voegen.
17 https://www.youtube.com/ AI SpaceFactory - MARSHA - Our Vertical Martian Future - Part One op kanaal AI SpaceFactory
15
Deze configuratie leent zich ook uitzonderlijk goed voor het op een zinvolle manier samenvoegen en scheiden van missieactiviteiten per niveau en het vermijden van de noodzaak om een groot gebied te verdelen in veel kleine, besloten ruimtes.
Ten slotte zijn verticale cilinders ook het meest afdrukbare drukvat.
Afgezien van de druk, betekent de drastische thermische schommelingen van Mars dat elke structuur die niet mag uitzetten en inkrimpen, zal falen. Onze oplossing hiervoor is tweevoudig: aan de grond wordt een schaal en de basis ervan als een enkele structuur gemaakt, terwijl klemmen en
grondankers het beveiligen tegen opheffing. Binnenin is het drukvat volledig gescheiden van het bewoonbare gebied, wat resulteert in een dubbelwandig systeem met veel architecturaal gebruik.
Omdat het geen atmosfeer heeft, is de binnenschaal licht, luchtig en zeer geoptimaliseerd voor massa. Door het grote, met water gevulde dakraam en intermitterende ramen fungeert de ruimte tussen deze twee schalen als een lichtbron, die elk niveau verbindt met diffuus natuurlijk licht. Deze unieke ruimte zorgt ervoor dat een trap zachtjes van vloer naar vloer gaat, met behulp van steun van de schaal zelf.
Het biedt oneindige mogelijkheden voor geïntegreerde kanalen voor het routeren van luchtstroom naar waar het nodig is, centrale schone lucht van boven naar beneden te verplaatsen met lokale klimaatregeling per niveau. Het biedt ook constante toegang voor onderhoud en reparatie van de muur.
Missies bieden stress en uitdagingen, die niet op operationeel niveau kunnen worden opgelost en ruimtelijk moeten worden aangepakt. De lay-out moet de strikte takenstroom weerspiegelen die typerend is voor ruimtemissies. Op de begane grond is de garage de interface met externe systemen en exploratieve activiteiten met een ondersteunend experimenteel laboratorium. Net daarboven bevindt zich 34 vierkante meter computationeel lab en keuken. Op het derde niveau zijn de
individuele kamers, sanitaire voorzieningen en hydrocultuur tuin. En de heldere 'sky room' is gewijd aan informeel recreatief gebruik en lichaamsbeweging.
Elk niveau heeft ten minste één venster dat samen het volledige panorama bedekt.
Er wordt gebruik gemaakt van basaltvezelversterkt polymelkzuur (PLA). PLA is een sterk
thermoplastisch materiaal dat niet alleen kan worden gerecycled zoals andere kunststoffen, maar ook hernieuwbaar is met behulp van bio-reactoren die worden gevoed door missieafval. Het heeft ook een van de laagste thermische uitzettingscoëfficiënten van kunststoffen, cruciaal voor het bereiken van composietwerking met gehakte basaltvezel, die wordt toegevoegd voor treksterkte.
Basaltvezel, geproduceerd uit lokaal gesteente, is ook een van de meest effectieve isolatoren die bekend zijn.
Conclusie
Uit deze woning ontwerpen hebben wij ook onder elkaar kunnen zetten wat we willen gebruiken in ons eigen ontwerp in het praktische deel.
Antwoord op deze hoofddeelvraag is:
Wat is er nodig om op mars te kunnen (over)leven op gebied van de habitats?
- Gedrukt met 3D-printer
- Bestand tegen straling (stralingsafscherming, zonwering)
16 - Bestand tegen temperatuurschommelingen - Bestand tegen externe en interne krachten
- Bevat uitgeruste laboratoria (zowel experimenteel als computationeel) - Bevat slaapruimtes voor bemanning
- Bevat sanitaire voorzieningen
- Bevat ruimte voor sociale activiteiten
- Bevat systemen (HVAC, MEP, ECLSS, zuurstofgeneratie)
- Bevat systemen, voorwerpen en ruimtes voor in noodgevallen (zuurstof, druk) - Bevat zoetwaterresevoir (watersyteem)
- Bevat plantenkas/tuin/biogeneratielab
- Duurzaam, inheems materiaal (stevig, bestand tegen straling, bestand tegen temperatuurschommelingen)
17
THEORETISCH KADER LEVEN OP MARS: STRALING
In dit theoretisch kader worden alle aspecten op het gebied van straling bekeken, dus alle aanpassingen die nodig zijn om veilig en beschermd tegen straling te leven op Mars.
Straling op aarde
Onze aarde is goed beschermd tegen straling door het aardmagnetisch veld en de atmosfeer. De kosmische straling, die grotendeels wordt tegengehouden, komt voort uit de zonnewind, andere sterren en supernova’s. Deze straling bestaat vooral uit protonen (85%), α-deeltjes (12%), elektronen (2%) en kernen van zware elementen als koolstof en stikstof (1%). De kernen van de zware
elementen zijn het gevaarlijkst van alle deeltjes, omdat zij een twintig maal zo hoge weegfactor hebben als elektronen en een tienmaal zo hoge weegfactor als protonen. Het aardmagnetisch veld beschermt ons tegen het grootste gedeelte van de ioniserende straling de zon. Het veld houdt echter niet alle straling tegen; hoog-energetische deeltjes komen wel door het aardmagnetisch veld heen.
De atmosfeer houdt deze deeltjes wel tegen. De hoog-energetische deeltjes botsen en veranderen zo in laag-energetische deeltjes die niet schadelijk zijn voor de mens. Ook beschermt de atmosfeer mens en dier tegen verschillende soorten ultraviolette straling, waarvan Uv C dodelijk is.
De gemiddelde dosis achtergrondstraling van een Nederlander is 2,5 millisieverts per jaar.
Straling op Mars
Op Mars zal de dagelijkse dosis 1,8 mSv zijn, maar de astronauten hebben al een reis van zo’n acht maanden achter de rug en hebben in die tijd ook al een dosis van ongeveer 330 mSv opgelopen. Bij een totale dosis van 1 Sievert wordt de kans op kanker 5% groter. De blootstelling aan ultraviolette straling op Mars is ook gevaarlijk, aangezien de dodelijke uv-straling, Uv C, niet wordt
tegengehouden. Ook zal er meer gevaarlijke kosmische straling zijn op Mars, omdat de hoog-
energetische deeltjes niet botsen en laag-energetische deeltjes worden, zoals in de atmosfeer van de aarde.
Ook zijn er Solar Particle Events (SPE), dit zijn deeltjesstormen die vrijkomen wanneer de zon actief is.
Deze protonenstormen zijn gevaarlijk voor zowel astronauten als ruimtevaartuigen, omdat de protonen de elektrische systemen van de ruimtevaartuigen kunnen verstoren.
Bescherming op Mars
Het leven op Mars moet dus beschermd worden tegen kosmische straling en ultraviolette straling. Er is een groot aantal verschillende ideeën om het leven te beschermen, zoals nieuwe materialen ontwikkelen, magnetische velden opwekken om het aardmagnetisch veld in het klein na te bootsen, stralingsresistente ruimtepakken en speciale Mars-huizen. Andere ideeën zijn het resistent maken van de mens en planten, om het menselijk lichaam zichzelf beter te laten beschermen tegen straling.
Het resistent maken van de mens zal het DNA beschermen tegen mutaties door straling.
Om de stralingsdosis zo laag als mogelijk te houden tijdens de reis naar Mars, wordt er onderzocht of er mogelijkheid is om de astronauten in een hibernatie te krijgen. In zo’n hibernatie vertragen vrijwel alle processen in het lichaam en zo wordt de invloed van straling verminderd. Ook zullen de
astronauten zich niet vervelen tijdens de acht maanden durende reis. Het enige probleem van hibernatie is dat de technologie nog niet ver genoeg is om de mens in zo’n winterslaap te krijgen en na acht maanden weer wakker te maken.
18 Bescherming door materialen
Uit onderzoek van NASA18 blijkt dat materialen als aluminium met de juiste dikte genoeg
bescherming biedt tegen Solar Particle Events. Ook verzwakt de atmosfeer van Mars de SPE. Maar de materialen zoals aluminium bieden niet genoeg bescherming tegen kosmische straling. Andere stoffen zoals composieten materialen en schilden op basis van nanomaterialen zijn onderzocht, maar de uitkomsten zijn te onnauwkeurig om conclusies uit te trekken.
Bescherming door actieve schilden
Omdat materialen alleen niet voldoende beschermen tegen kosmische straling, zijn er andere technieken nodig. Een daarvan is het gebruiken van actieve schilden. Uit onderzoek19 zijn vier benaderingen voortgekomen: elektrostatische schilden, plasmaschilden, begrensde en onbegrensde magnetische schilden.
Het meeste onderzoek is gedaan naar begrensde magnetische velden en dan specifiek naar zogenaamde ringkernvelden. Ringkernvelden hebben als voordeel dat astronauten niet worden blootgesteld aan een sterk en statisch magnetisch veld. Deze ringkernvelden kunnen 80-90% van de kosmische straling tegenhouden20, wat voldoende is om astronauten te beschermen op lange termijn.
Deze techniek is veelbelovend, maar is nog niet praktisch inzetbaar.
Minder blootstelling door een kortere reis
Om de totale dosis voor straling zo laag mogelijk te houden, is het belangrijk om de tijd in de ruimte te minimaliseren. Met huidige technologie kan de dosis op Mars laag worden gehouden en krijgen de astronauten het grootste gedeelte van de totale dosis straling binnen tijdens de reis naar Mars. Ook zal het verkorten van de reistijd gevolgen van de lage zwaartekracht verminderen. Het gebruik van innovatieve voortstuwingssystemen is nog steeds in een experimentele fase. Om de dosis van de reis te verlagen tot 100 mSv, kan conventionele voortstuwing (chemische voortstuwing) niet genoeg vermogen leveren. Een optie is om nucleaire voortstuwingssystemen te gebruiken. Een
voortstuwingssysteem dat
Figuur 8 Het verband tussen het vermogen en de duur van de reis naar Mars
Enkel nucleaire warmteraketten zal gebruiken, heeft veel brandstof nodig, dus kan er een hybride systeem gemaakt worden dat gebruik maakt van zowel nucleaire warmteraketten als nucleaire
18 Cucinotta et al. 2012, Wilson et al. 1997, 2004
19 Spillantini et al. 2007
20 Hoffman et al. 2004, Choutko et al. 2004 en Spillantini, 2010
19
elektrische voortstuwing. Dit hybride systeem moet wel in de lage aardbaan in elkaar worden gezet, en de capsule met de bemanningsleden moet ook daaraan gekoppeld worden.
20
THEORETISCH KADER LEVEN OP MARS: PLANTEN EN BODEM
In dit theoretisch kader gaan we onderzoek doen naar wat er nodig is om te overleven op mars op het gebied van planten en de bodem.
De bodem op mars
De samenstelling van de bodem op mars is als volgt: Ongeveer de helft bestaat uit siliciumdioxide en de andere helft is verdeeld in ijzeroxide, aluminiumoxide, magnesiumoxide en calciumoxide. Uit een experiment uitgevoerd op de universiteit van
Wageningen blijkt dat deze marsgrond voor het verbouwen van planten hartstikke geschikt is. Met behulp van de onder andere de viking landers en de curiosity rover, heeft NASA gegevens verzameld over de samenstelling van de bodem op mars en van deze gegevens geprobeerd op aarde een Mars simulant proberen te vinden die zoveel mogelijk op de
samenstelling op Mars. NASA heeft hiervan uiteindelijk meerdere soorten gesimuleerde mars-zanden
ontwikkeld, waaronder de simulant van een vulkaan in Hawaii. Deze aardse grond is tevens wel verder
ontwikkeld om meer op de Mars samenstelling te lijken en is ook bijvoorbeeld fijner gemalen. Het is uiteindelijk ook deze Hawaiiaanse grond die voor het onderzoek is gebruikt.
Figuur 9 De gebruikte marsgrond Het onderzoek
In dit onderzoek hebben de onderzoekers, waaronder de ecoloog Wieger Wamelink drie gronden gebruikt. Een maan simulant van Arizona, een marsbodem simulant van een vulkaan op Hawaii en nog een aardse grond uit de rivier Rijn als controlegroep. Dit is voedselarm zand en kwam van tien meter diep. Met deze gronden hebben zij in een eerder onderzoek 840 potjes gevuld. In het vervolgonderzoek werden de verschillende
gewassen daarentegen niet in verschillende potjes maar in rijtjes in grote bakken gezaaid, zoals je gewoonlijk ook gewassen zou verbouwen. Een ander verschil met het eerdere onderzoek uit 2013 is dat er aan de mars en maan grond nu ook meststoffen aan zijn toegevoegd. Beide bevatten ze namelijk wel de meststoffen kalium en fosfor, maar bijvoorbeeld heel ook heel weinig stikstof, wat een noodzaak is voor de groei van een plant. De bemesting van de grond op mars zou meerdere voordelen hebben. Zo
houdt een bemeste grond beter Figuur 10
21
watervast, zodat de planten dit beter op kunnen nemen en de gewassen die zichzelf met de stikstof uit de bemeste bodem binden, neem bijvoorbeeld bonen en erwten zijn voedzame gewassen voor de toekomstige marsbewoners. Uit het voorgaande onderzoek zijn de wetenschappers tot de conclusie gekomen dat de mars simulant niet alleen geschikter was dan maanzand maar ook geschikter dan het voedselarme rijnzand. Daarbij kwamen ze ook tot de conclusie dat de gewassen voortgekomen uit maanzand niet eetbaar zijn voor mensen door de hoeveelheid aluminium die de plant uit de maangrond heeft opgenomen. Bij de planten voortgekomen uit de marsgrond was het daarentegen wel mogelijk de planten eventueel te consumeren zonder gevolgen voor de gezondheid. Wat nog een pluspunt is voor de marsbodem.
Andere factoren
Het onderzoek door ecoloog Wieger Wamelink en anderen leek positieve resultaten te hebben voor de toekomstige landbouw op mars. Zo bleek de mars-simulant zelfs geschikter dan het voedselarme rijnzand. Maar naast de bodem zijn er ook andere factoren die de landbouw beïnvloeden. Zoveel zelfs dat het moeilijk wordt al deze factoren tegelijk aan te pakken.
- De atmosfeer
De ijle atmosfeer van mars is verre van geschikt voor het kweken van gewassen. Neem bijvoorbeeld stikstof. Alhoewel er voldoende nitraat en ammoniak in de grond te vinden is voor de planten, was er in de bodem ook sprake van een tekort aan stikstof. Terwijl stikstof wel degelijk nodig is voor de productie van eiwitten door plant. Dit kunnen we dus niet missen. En kooldioxide, dit is waar de plant suiker van maakt, maar deze kooldioxide zitten opgeslagen op de enorme poolkappen die zich op mars bevinden, maar is dus onvoldoende in de atmosfeer aanwezig voor de plant om er ook echt gebruik van te kunnen maken.
- De temperatuur
Ten opzichte van de aarde is mars verder van de zon gelegen. Dit heeft ook gevolgen voor de temperatuur, want waar er op aarde de ideale temperaturen zijn voor een plant om zich te ontwikkelen is dit niet zo op Mars. De grotere afstand van de zon zorgt voor een gemiddelde temperatuur van -60 graden Celsius. Alhoewel in de zomer de temperatuur aan de evenaar wel kan oplopen tot 20 graden Celsius, kan het aan de polen in de winter juist weer dalen naar -125 graden Celsius. Kortom de temperaturen zijn verre van ideaal voor aardse gewassen.
- Vloeibaar water
Essentieel voor plantengroei is natuurlijk vloeibaar water. Anders zou het bemesten en verrijken van de bodem niet veel nut hebben aangezien de planten toch niks van deze stoffen en mineralen op kunnen nemen bij gebrek aan water. Maar er is tekort aan vloeibaar water. Er zijn op mars namelijk wel enorme oppervlakten aan ijs te vinden. En ijs is natuurlijk niks anders dan water in zijn vaste vorm. Dus een plan van aanpak zou zijn dit water
simpelweg te laten smelten. In een verder plan zouden we dan een oplossing moeten vinden dit werkelijk bij de planten te laten komen zonder dat het weer bevriest. Tevens zit er
misschien ook vloeibaar water opgeslagen in de bodem, maar daar zijn we nog niet zeker van.
- Licht
De afstand van mars tot de zon heeft net zoals op de temperatuur, ook invloed op de hoeveelheid licht die de oppervlakte van mars bereikt en vooral de sterkte van dit licht.
22
Aangezien het licht een grotere afstand moet leggen, zal het ook zwakker zijn. Nu hebben planten voor onder andere fotosynthese licht nodig. En sommige gewassen zouden voor een goede ontwikkeling op aarde in de volle zon moeten staan. Op mars betekent dit echter iets heel anders. Zo is in de volle zon staan op mars verre van hetzelfde als op aarde. Dus de planten waarvoor deze volle zon daadwerkelijk nodig is hebben aan het licht op mars niet genoeg. Het dag- en nachtritme is daarentegen wel ongeveer gelijk aan die van hier op aarde.
- De zwaartekracht
Ook de zwaartekracht is anders op mars. De zwaartekracht is een derde van die op aarde. De planten zullen dezelfde druk die ze van de zwaartekracht voelen op aarde, op mars natuurlijk geheel anders ervaren. De andere zwaartekracht zou niet per se hoeven te betekenen dat de aardse planten niet meer zouden kunnen groeien. Hooguit zou het gevolgen hebben voor de groei en ontwikkeling van de plant.
- Een elektromagnetisch veld
Een van de meest cruciale dingen die het leven op aarde mogelijk maakt voor zowel planten als mensen en eigenlijk alle andere organismen, is het elektromagnetisch veld. Deze
beschermt ons onder andere van de schadelijke straling van de zon en zorgt er juist voor dat we de energie van de zon zonder gevaar kunnen gebruiken. Hierdoor kunnen planten de energie gebruiken voor onder meer fotosynthese. Dit gehele elektromagnetische veld ontbreekt dus op mars. Dit betekent dus geen bescherming van de zonnestraling. Hierdoor kunnen de planten zich niet eens genoeg ontwikkelen om de nuttige energie die naast de gevaarlijke straling komt te benutten. Ook voor de eventuele mensen die op mars zouden komen is een elektromagnetisch veld noodzakelijk. Zonder is simpelweg te schadelijk.
- De middelen voor een plant om zich voort te kunnen planten
Voor de voortplanting van planten krijgen planten op aarde hulp van bijvoorbeeld wind, water, insecten en dieren. Dit is noodzakelijk voor de bestuiving voor de zaadvorming.
Aangezien deze factoren aanwezig zijn op aarde heeft de plant geen hulp van de mens nodig en zou je kunnen zeggen dat dit geheel zelfstandig gaat. Op mars daarentegen is er geen sprake van wind, water, insecten of dieren en wordt geslachtelijke voortplanting zonder hulp van de mens zo goed als onmogelijk. Nu zou dit geen probleem zijn op kleine schaal, maar het uiteindelijke doel is natuurlijk om enorme oppervlakten aan gewassen te verbouwen op mars en dan zouden we met handmatig bestuiven niet ver komen. Dus ook voor
geslachtelijke voortplanting hebben we een plan van aanpak nodig.
Uiteindelijk is bijna het enige wat eigenlijk wel meewerkt de bodem en de hoeveelheid zuurstof die we uit het gesteente op mars kunnen halen. Een van de weinige dingen waar we dus geen tekort van hebben.
Hoe kunnen we toch gewassen verbouwen op een planeet waar bijna alles tegenzit?
Het lijkt misschien wel onmogelijk om mars zo te verbouwen dat de gewassen in dezelfde
omstandigheden te kunnen laten groeien, als dat ze hier op aarde doen. Misschien is het nog wel een paar stappen te ver. En daarom moeten we niet kijken naar het veranderen van de planeet, maar naar een alternatief. Een aards ecosysteem blijft wel nodig, maar in plaats van de hele planeet dit
23
ecosysteem proberen te geven zouden we ook kleiner kunnen denken. Bijvoorbeeld een
ondergrondse ruimte. Ruim twee meter onder de grond. En in deze ruimte is het voor ons mogelijk een ecosysteem op te bouwen. En voor de planten een aardse atmosfeer en luchtdruk te creëren.
Alhoewel uit het onderzoek blijkt dat in marsgrond planten goed kunnen groeien, is het nog wel noodzakelijk de bodem te verrijken er moet namelijk wel meer stikstof in komen voor de planten.
Om te beginnen zouden we zelf door middel van bemesting ervoor kunnen zorgen dat er meer stikstof in de bodem terechtkomt, en om ervoor te zorgen dat de bodem nog meer wordt verrijkt, is de volgende stap groenbemesting. Dit is niks anders dan gewassen telen die zich met stikstof uit de lucht binden om dit vervolgens te ploegen. Door het binden en ploegen zal het percentage
organische stof en het stikstofgehalte in de bodem nog meer verhogen. Ook bevinden zich in de grond op mars nu nog geen bacteriën en al helemaal geen wormen, aangezien het nog geen levende bodem is, maar een hoopje dood zand. Deze zijn echter nodig voor de afbraak, waardoor er weer nieuwe stoffen in de grond komen. Zo eten de wormen de plantenresten op en breken de bacteriën deze resten weer verder op tot nitraten, fosfaat, PO4, kalium, magnesium en calcium. Dus ook deze wormen en bacteriën zouden we aan het begin van het plan moeten toevoegen. Om ervoor te zorgen dat er geen stoffen verloren gaan, is het ook nodig om zelfs de ontlasting terug te brengen in het ecosysteem. Vanzelfsprekend wordt er in de ruimte ervoor gezorgd dat de temperatuur en het licht worden ingesteld naar dat wat ideaal is voor de ontwikkeling en groei van de planten en worden ze beschermd tegen de schadelijke straling van de zon. Aangezien er wel water is op mars maar in vaste fase zouden we dit kunnen smelten en blijft het in de ondergrondse ruimte ook vloeibaar waardoor de planten het op kunnen nemen.
Het enige probleem is dan nog de bestuiving. Handmatig zou namelijk en veel moeite kosten en ook niet zo succesvol verlopen als dat bijvoorbeeld bijen dat zouden doen. Nu zouden we bijen mee kunnen nemen vanaf de aarde. Maar zelfs als zou dat lukken dan zouden bijen het alsnog niet goed doen in een kas. Hier zouden ze te komen overlijden. Maar er zijn ook andere insecten die bloemen kunnen bestuiven natuurlijk. Neem bijvoorbeeld hommels. Hommels overleven in kasten en bestuiven hierin zonder enig probleem de gewassen. Daarbij is een ander verschil tussen bijen en hommels dat hommels een winterslaap houden. Dit is ideaal als je ze dus zou willen meenemen vanaf de aarde aangezien je ze onderweg in winterslaap kan houden waardoor ze minder vocht en dergelijke nodig hebben. Het enige nadeel aan hommels is dat ze geen honing produceren zoals bijen.
Wat ook handig is om mee te nemen zijn kippen. Kippen zijn niet kieskeurig met wat ze eten. Dus ze verteren ook weer de wormen en plantenresten. Snellere afbraak. Hun ontlasting werkt prima als mest en is stikstofrijk. Iets wat we maar al te graag willen in de marsbodem. Tevens leggen ze ook eieren wat natuurlijk ook hartstikke lekker en voedzaam kan zijn.
Dus wat hebben we uiteindelijk allemaal nodig om dit plan te laten werken?
Om de ondergrondse ruimte te kunnen bouwen hebben we een bouwplan en -spullen nodig. Om het dode zand te verrijken en geschikt te maken voor het verbouwen van gewassen hebben we in het begin mest nodig, wormen en bacteriën. Ook moeten we zaden meenemen vanaf de aarde en dan ook denkend aan dat de eerste oogst stikstofbindende gewassen moeten zijn. Voor de bestuiving van de gewassen moeten we hommels meenemen en kippen, vanwege alle praktische functies die het met zich meeneemt. Om de wormen, hommels en kippen levend aan te laten komen op mars hebben we voor hen natuurlijk ook nog voer nodig. Maar hopelijk kunnen we dit in de toekomst op de planeet zelf verbouwen.
24
https://dissidentgardens.hetnieuweinstituut.nl/gardening-mars/een-ecosysteem-bouwen-op-mars https://www.nemokennislink.nl/publicaties/dromen-van-landbouw-op-mars/
https://www.scientias.nl/marsbodem-lijkt-heel-geschikt-voor-het-kweken-van-plantjes/
https://www.kuuke.nl/wat-is-de-temperatuur-van-mars/
https://nl.wikipedia.org/wiki/Groenbemesting
25
BRONVERMELDING VAN THEORETISCH KADER
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2004JE002297 www.bigrentz.com How earthquake-proof buildings are designed
https://dissidentgardens.hetnieuweinstituut.nl/gardening-mars/een-ecosysteem-bouwen-op- mars/
Singh, J. & Roy, A.K. International Journal of Advanced Structural Engineering (2019) 11: 231.
https://doi.org/10.1007/s40091-019-0227-3
https://www.iitk.ac.in/nicee/wcee/article/14_05-01-0536.PDF
https://inhabitat.com/ Why our ancestors built round houses and why it still makes sense to build round structures today
https://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB16708.pdf https://www.kuuke.nl/wat-is-de-temperatuur-van-mars/
https://www.marsincubator.com/ In-situ resouce utilization (ISRU)
https://www.nemokennislink.nl/publicaties/dromen-van-landbouw-op-mars/
https://www.nemokennislink.nl/publicaties/rode-dode-planeet/
https://www.quora.com/ What is the most space efficient shape to build a house with https://www.reference.com/ What shape can hold the most weight
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S001910350900058X https://www.scientias.nl/ik-ga-op-ruimtereis-en-kom-tegen-dodelijke-straling/
https://www.scientias.nl/marsbodem-lijkt-heel-geschikt-voor-het-kweken-van-plantjes/
https://space.stackexchange.com/ What is the optimum shape for a spacecraft
https://www.youtube.com/ AI SpaceFactory - MARSHA - Our Vertical Martian Future - Part One op kanaal AI SpaceFactory
https://www.youtube.com/ SEArch+/Apis Cor - Phase 3: Level 4 of NASA’s 3D-Printed Habitat Challenge op kanaal NASA’s Marshall Space Flight Center
Durante, Marco. "Space radiation protection: destination Mars." Life sciences in space research 1 (2014): 2-9.
Slaba, Tony C., Chris J. Mertens, and Steve R. Blattnig. "Radiation shielding optimization on Mars."
(2013).
26
HOOFDSTUK 2: ONDERZOEKSOPZET
Op Mars zijn de omstandigheden niet geschikt voor de mens om te leven. We kwamen er al snel achter dat er veel factoren waren die Mars onleefbaar maken. In ons profielwerkstuk hebben we besloten ons te focussen op 3 van deze factoren. Hierbij heeft Lucy zich gefocust op habitat, Nadine op plantengroei op mars en Lucas heeft de straling op mars uitgekozen.
Voor de plantengroei hebben we eerst onderzoek gedaan naar de samenstelling van de mars bodem (zie figuur 12). Nadat we dit gedaan hadden, zijn we een experimenteel onderzoek gestart over de bodem.
Figuur 12 Gemiddelde composities van de korst, aarde en stof op mars21
Het doel van dit experimentele onderzoek was om te vinden of onze nagebootste marsbodem, en dus de bodem op mars, geschikt was om planten op te verbouwen. Hiervoor wilden we drie verschillende gewassen planten in onze bodem. Deze hebben we zorgvuldig uitgezocht. Zo hebben wij vooral gekeken naar verschillende voedselgewassen en naar stikstofbindende gewassen die de groei van planten in dezelfde grond stimuleren en ondersteunen. Er is dus sprake van symbiose tussen de voedselgewassen en stikstofbindende planten.
Als voedselgewas hebben we gekozen voor de tomaat en voor tuinkers. Tuinkers omdat je makkelijk aan deze zaden kan komen en omdat hij erom bekend staat dat hij zonder al te veel moeite groeit.
Handig aangezien we op Mars beperkt zijn in middelen om de optimale verzorging te kunnen bieden voor de plant. Daarbij ontkiemt tuinkers snel. Zo konden we snel resultaten noteren en alvast kijken of er überhaupt wel iets uit de marsgrond zou komen. Bij de tomaat als voedselgewas hebben we ons vooral gericht op de functie van voedsel. Tuinkers is namelijk wel eetbaar, maar niet echt voedzaam. Tomaat is al voedzamer dan tuinkers en in vergelijking met andere voedselgewassen heeft ook de tomaat niet de optimale omstandigheden nodig om te kunnen ontwikkelen en groeien.
21 https://www.hou.usra.edu/meetings/marsdust2017/pdf/6027.pdf
27
Onze laatste keuze voor gewas moest een stikstofbindend gewas zijn. Hiervoor hebben we de lupine gekozen. Van ons lijstje met stikstofbindende planten (zie figuur 13), was de lupine het meest praktische en daarbij makkelijk om aan te komen.
Voor onze zelfgemaakte mars bodem hebben we brekerszand gebruikt en dit vervolgens gemixt met verschillende stoffen die zich ook in de bodem van mars bevinden. Als controlegroep hebben we normale potgrond gebruikt.
Vervolgens hebben we alle gewassen zowel in de potgrond als in onze marsgrond geplant en hebben deze onder dezelfde omstandigheden verzorgd. Onze controlegroep diende ervoor om te zien of dat als de planten niet uit zouden komen dit lag aan onze mars bodem (wat we wilden testen) of aan andere omstandigheden. Als het aan andere omstandigheden zou hebben gelegen, zoals de kwaliteit van de zaden of de temperatuur, zouden namelijk ook de planten in de potgrond niet zijn
uitgekomen. Daarbij zouden de gewassen in de potgrond ons een goede vergelijking geven met de gewassen in onze marsgrond. Zouden alle gewassen namelijk uitkomen in beide gronden, dan wilden wij ook weten in welke grond de planten beter groeiden en zich ontwikkelden.
Na dit onderzoek te hebben uitgevoerd hebben we een paar weken gewacht op de resultaten en hebben vervolgens deze resultaten weergegeven in een staafdiagram. Dit onderzoek hebben we in 2019 gepresenteerd.
Figuur 13 Lijst met planten soorten met beschrijving22
22 https://core.ac.uk/reader/29211466
28
Nu we onze gegevens hadden van ons experimentele onderzoek en de gegevens van onze apart uitgevoerde onderzoeken over habitat, straling en planten wilden we dit in kaart brengen in de vorm van een maquette.
Ons idee was, heel simpel gezegd, een model bouwen van onze mars basis. Meteen zijn we aan de slag gegaan met designs maken gebaseerd op onze onderzoeken. Van elk van deze designs hebben we eerst apart schetsen gemaakt om deze vervolgens in een complete schets te zetten van onze marsbasis.
Vervolgens hebben we nagedacht over de vorm van onze maquette. Belangrijk was dat alles goed te zien was. Daarbij ook dus de speciale constructie van onze gebouwen en het drie lagen systeem in de muren. Ook de kas wilden we zichtbaar hebben. Deze bevindt zich echter onder de grond.
Figuur 14 De schets voor de maquette
Om alles goed zichtbaar te maken kwamen we op de volgende oplossingen: (zie ook figuur 14)
• De maquette zou bestaan uit twee delen: De onderkant, een glazen bak gevuld met onze zelfgemaakt marsgrond. Deze glazenbak moet Mars onder het oppervlakte voorstellen. Op deze manier konden we zichtbaar een lengtedoorsnede laten zien van onze kas. En de bovenkant moest de oppervlakte van mars voorstellen met hierop de rest van onze mars basis.
• Om ervoor te zorgen dat de objecten die zich bevinden op de oppervlakte niet de grond in zouden zakken, zouden we net onder de oppervlakte een plank hout plaatsen en deze vervolgens verder opvullen met zand. Deze houten plank zou zorgen voor extra stabiliteit en stevigheid, zodat ons project niet in elkaar zou storten als we hem zouden transporteren.
• Het drie lagen systeem rondom onze habitat en kas geeft weer hoe we onder andere de gevaarlijke straling op mars tegenhouden. Dit is een belangrijk deel van ons profielwerkstuk en daarom wilden we ook dit graag zichtbaar maken. We besloten een deel of zelfs de helft van de gebouwen weg te halen. In andere woorden: met behulp van een (gedeeltelijke)
29
lengtedoorsnede laten we zien dat onze gebouwen niet uit één muur bestaan, maar zelfs uit drie. Ook krijgen we hierdoor de mogelijkheid het ontwerp van de binnenkant te laten zien en ook de mogelijkheid om planten te planten in onze ondergrondse kas.
• Voor de planten in onze kas leek het ons leuk als de planten échte planten waren die we in de ondergrondse kas zouden planten en laten groeien. Hierdoor kunnen we ons onderzoek uit de vierde ook combineren in het eindproduct. Aangezien de kas zich ondergronds bevindt, stonden we wel voor een uitdaging. Uiteindelijk kwamen we op het idee een plant te gebruiken die zichzelf voorziet van water in een kas (Zie figuur 15). Dit zou het probleem voor bewatering van de ondergronds geplaatste planten oplossen. Het nadeel hiervan is dat de pikaplant maar één grote plant is, terwijl wij in onze kas meerdere
gewassen wilden hebben, zoals we eerder ook hebben gedaan. (Zie pagina 26) Figuur 15 Schets van pikaplant in kas met werking
Een andere oplossing hiervoor zou een kleine opening zijn aan het oppervlak en deze verbinden met de kas. Via een slim systeem zou het water zo bij elk plantje komen. Dit zou een ingewikkeld proces worden, maar daar stonden we voor klaar. Echter liepen we vervolgens tegen een ander probleem op. We waren bezig met een maquette waarin alles dus verkleind is weergegeven. Onze echte planten zouden eerst klein zijn, maar als alles goed verliep dan zouden het grote planten worden. Dit is qua verhouding niet realistisch en niet mogelijk in de beperkte ruimte in onze kas. Daarom hebben we uiteindelijk voor onze maquette besloten geen gebruik te maken van echte planten, maar van kunstplanten.
• De habitat heeft een lastige vorm om na te bouwen met bouwmaterialen als hout, karton of papier. Nu was dit niet onmogelijk, maar aangezien de vorm een functie heeft, wilden we deze zo goed mogelijk uitbeelden en hem ook zo symmetrisch mogelijk maken. Hierop bedachten we een idee waar de 3D-printer van pas kwam. De 3D-printer zou het ontwerp printen die we zelf maken via beschikbare digitale programma’s. Door een 3D-printer te gebruiken, zou de gewenste vorm er mooi uit zijn gekomen en hopelijk ook nog zonder fouten. De meest voor de hand liggende 3D-printer die we zouden kunnen gebruiken bevindt zich op school. Wel hielden we rekening met het feit dat het uitgeprinte object maar in één kleur zou kunnen worden geprint. De buitenste schil van ons habitat bestaat ook uit één kleur, dus als de uitgeprinte kleur een donkere kleur zou zijn geweest zou dit geen punt zijn.
De binnenkant was dit echter niet en ook het drie lagen systeem die zich in de muren bevindt heeft meerdere kleuren. Dit was echter makkelijk op te lossen door verf te vinden die zich
30
aan het uitgeprinte plastic kan hechten, zodat we deze zelf handmatig de gewenste kleuren zouden geven. Een ander punt was dat alle uitgeprinte objecten uit de 3D-printer van school, relatief klein zijn. Ons gewenste maat voor de habitat was wel groter dan die objecten. We wisten echter niet zeker of het onmogelijk was de objecten groter uit te printen. Daarom hebben we hiervoor besloten dat als dit niet mogelijk was en als we geen andere 3D-printer konden vinden, de grootte van onze maquette moeten aanpassen.
• In het design van de kas hebben we gebruik gemaakt van spiegels om het licht te
weerkaatsen om zo bij elke plant te kunnen komen (zie figuur 16). Deze spiegels hadden dus een belangrijke functie en we vonden het belangrijk dit te weergeven in onze maquette. De kas had echter een aparte vorm: een halve cilinder (zie figuur 16). De kas was zelf namelijk een cilinder alleen wilde we een lengtedoorsnede ervan. Een halve cilindervormige spiegel vinden was lastig en dan ook in de juiste maat en kleur. Even hebben we gedacht een spiegel te laten snijden tot een halve cilinder vorm, maar ook hiervan wisten we niet zeker of dat überhaupt kon. Samen dachten we over andere objecten die weerkaatsen en het liefst ook zouden reflecteren. Hierop bedachten we aluminium. Het weerkaatst licht en reflecteert.
Weliswaar niet zo direct en accuraat als een spiegel, maar in een maquette zou het voldoen aan de functie als “spiegel”.
Figuur 16 Ontwerp van kas met spiegels
31 Figuur 17 Ontwerp van geothermische bron
Figuur 18 Zonnepaneelpark
32 Figuur 19 Satellieten
Figuur 20 Garage buggy’s
Na over alles te hebben nagedacht, was het tijd om de spullen bij elkaar te verzamelen.
De materialen die we zochten, zijn:
- Een glazen bak - Brekerszand
- Chemische stoffen (uit het lab, zelfde als bij onze presentatie in de vierde klas) - Verf
- Kunstplanten - Hout
- Papier
33 - Karton
- Aluminium
Tijdens het bouwproces zouden we misschien meer spullen nodig hebben, maar die zullen we dan gaandeweg halen. Hierbij hoort ook het naar het technieklokaal op school gaan om toestemming te vragen gebruik te maken van de 3D-printer. En of de docent ons daar eventueel bij zou kunnen helpen indien nodig.
Zodra we de spullen verzameld zouden hebben, zouden we vol aan de bak gaan met het in elkaar zetten van onze maquette.
Echter gebeurde er toen iets zeer onverwachts. Het Corona-virus brak uit in Nederland. De vele maatregelen die hierdoor werden genomen, blokkeerden vele dingen voor ons onderzoek. Dit was dus een enorm probleem voor ons. Aan sommige spullen was het nu erg lastig om aan te komen, aangezien velen winkels sloten en daarbij ook de school. Door het sluiten van onze school was het al extra lastig om aan de benodigde chemische stoffen te komen en ook het gebruiken van de 3D- printer zat er niet meer in. Het was namelijk niet toegestaan om daar te komen. Op deze manier was de enige mogelijkheid om te beginnen aan een maquette het iemand alleen te laten doen. Dat is niet gunstig qua tijd. Daarbovenop wisten we ook niet zeker of we ooit aan alle spullen zouden kunnen komen en de 3D-printer gebruiken. Het aanpassen van de grootte van de habitat op onze maquette zou de eerste stap geweest zijn voor ons. Zonder dit begin zou het gekund hebben dat de rest opnieuw uitgevoerd zou moeten worden, omdat de habitat dan een andere ingeschatte grootte had dan verwacht.
Kortom we stonden voor een dilemma. Wat gingen we nu doen? De maquette was het in kaart brengen van ons hele profielwerkstuk. Verschillende scenario’s en plannen hebben we uitgedacht en hebben deze vervolgens met onze PWS-begeleider besproken. Uiteindelijk kwam hier een apart maar toch een goed idee uit. Nog steeds zouden we onze mars basis bouwen, alleen niet meer in de echte wereld. Een oplossing die ervoor zorgt dat we samen kunnen bouwen, samen kunnen creëren met elkaar op afstand. We zouden onze wereld bouwen in Minecraft!
Minecraft is een videospel bekend om de grote virtuele werelden waarin alles bestaat uit kubusvormige blokken (zie figuur 17). Het spel is uitgebracht in 2011 door het bedrijf Mojang.23
23 https://minecraft.gamepedia.com/Java_Edition_version_history
34 Figuur 21 Het videospel Minecraft24
Bij het opstarten van een wereld in Minecraft, begin je ergens op een willekeurige plek in een grote wereld. Ook deze wereld is willekeurig en kan van alles bevatten. Daarbij zijn er ook verschillende soorten thema’s die je aan de wereld kan geven. Voorbeelden hiervan zijn jungle en winter. Er kunnen meerdere van dit soort thema’s in één wereld bevinden. Soms zijn ze aan elkaar aangesloten en soms liggen ze verder van elkaar verwijderd.
Er zijn twee soorten speelstijlen in Minecraft: survival en creative. Survival is eigenlijk precies wat het zegt. Je moet zien te overleven in de grote wereld. Je moet aan eten zien te komen voordat je
“doodgaat” door honger en je aangevallen kan worden. Vanzelfsprekend is dat je doodgaat als je wordt aangevallen en schade opneemt totdat je geen “hartjes” meer hebt. Daarbij moet je, als je iets wilt bouwen, zelf eerst alle blokken verzamelen. Dit betekent bomen omhakken, stenen uitgraven en jagen. Alhoewel survival een heel leuke modus is om in te spelen, leek dit ons niet handig om onze basis in te bouwen. Op deze manier zouden we dagen bezig zijn met spullen verzamelen en zouden we, terwijl we dit deden, aangevallen kunnen worden en al ons verzamelde materiaal weer
kwijtraken.
Gelukkig is er ook nog de modus creative. Zoals de naam al duidt is creative bedoeld om creatief te zijn. Hierin word je dus juist de mogelijkheid aangeboden om alles te bouwen wat je wilt, zonder je te beperken. Dit houdt in dat je niet kan worden aangevallen en dus niet dood kan gaan. Alle blokken die je nodig hebt voor je bouwwerk kan je direct verkrijgen en hoef je niet eerst te zoeken. Het fijnst is dat je kan “vliegen”. Wil je dus een hoog bouwwerk maken, dan kan dit makkelijk doordat je elke hoogte met een druk op de knop kan bereiken. Dit is al veel handiger om in te werken dan in survival.
Daarom zijn we in creative gegaan.
Voordat we begonnen aan het praktische deel, zijn we eerst extra onderzoek als vervolg op ons theoretisch kader gaan doen. Op basis van de kennis die we hieruit verkregen hebben, wordt ons eigen ontwerp gevormd.
Voor een compleet overzicht van de verschillende schillen, verdiepingen en interieur, bouwproces en systemen hebben we opnieuw gekeken naar een aantal genomineerde ontwerpen die we in ons theoretisch kader eerder hebben bestudeerd. Hieronder vallen Mars X House van Team SEArch+ en
24 https://play.google.com/store/apps/details?id=com.mojang.minecraftpe&hl=nl
35
Apis Cor, Marsha van AI SpaceFactory, Zopherus van Team Zopherus en Mars Incubator van Team Mars Incubator (zie pagina 10-15).
Verder hebben we gekeken naar ontwerpen met een volledige basis van andere teams en architecten. Het model van Kevin Atkins dat was tentoongesteld bij de National Space Society’s International Space Development Conference in Chicago (figuur 18), het C-Space Project uit China in de Gobi woestijn (figuur 19), Mars One Project basis (figuur 20) en het Mars City concept van SpaceX (figuur 21) gaven ons inzicht op het gebied van de noodzakelijke gebouwen, apparaten, leidingen en systemen en de plaatsing daarvan.
Figuur 22 Model van Kevin Atkins25
Figuur 23 C-Space Project mars simulatie basis26
25 https://www.humanmars.net/2015/09/mars-base-model-by-kevin-atkins.html
26 https://www.businessinsider.com/inside-chinas-new-mars-simulation-base-2019- 4?international=true&r=US&IR=T
