Mars Base Designing

Foto di Ken Treloar su Unsplash

Immaginiamo una colonia di Marte che lavora di mille persone. Come può essere economicamente sostenibile? Non può esportare minerali sulla Terra - i costi di spedizione sono troppo elevati - e non può esportare cibo o altro pesante. Eppure deve guadagnare soldi dalla Terra. Probabilmente lo farà sotto forma di turismo e ricerca - nient'altro sembra pratico. Di conseguenza, la città dovrebbe essere arroccata sul bordo di un canyon o altra vista spettacolare e vicino a aree di ricerca interessanti.

In definitiva, la città vuole importare dalla Terra la massa minima di materiali possibile. Concettualmente vuole produrre il proprio cibo, aria e materiali da costruzione e importare chip per computer (che non pesano quasi nulla e richiedono fabbriche stupende per produrre.) Vuole robotizzare l'agricoltura, l'estrazione e la produzione, perché gli esseri umani richiedono cibo e alloggio costosi, mentre i robot richiedono solo energia e manutenzione. In tal modo i materiali saranno prodotti da caricatori, camion e fonderie a guida autonoma; la produzione avverrà con stampanti, laser e fresatrici 3D; assemblaggio mediante robot; e riparazioni con robot e umani occasionali. L'agricoltura avverrà mediante robot specializzati per diserbo, semina e raccolta. Gli esseri umani, assistiti da una potente IA, pianificheranno e organizzeranno queste attività e svolgeranno ricerche.

Il resto di questo documento si occupa dell'area richiesta delle serre e della loro progettazione e delle strutture di estensione per abitazioni e fabbriche e del generatore nucleare richiesto, ma non affronta la fusione o la produzione.

Elon Musk intende mettere gli umani su Marte nel 2024 e lanciare una colonia qualche anno dopo, quindi è puntuale

per determinare i parametri di base di tale impresa. Quale dimensione delle serre è necessaria, quale peso del fertilizzante, quanta materiale strutturale per serra, quale massa di isolamento e radioprotezione ecc.? Questo documento è un primo taglio a tali calcoli ma altri devono compilare i dettagli.

Si presume che su Marte siano stati trovati acqua di irrigazione e fertilizzanti (fosfati, ecc.) E che strutture sepolte forniranno una protezione sufficiente contro le radiazioni. È incluso un progetto di generatore nucleare di 2kW pro capite, per gentile concessione di Frank Williams.

Per una prima approssimazione la massa totale della missione è proporzionale alla massa umana, quindi le persone molto piccole dovrebbero costituire l'equipaggio. Cioè, le ginnaste da cento libbre mangiano meno cibo, richiedono veicoli e quartieri più piccoli e pensano altrettanto come un guardalinee da trecento chili. Saranno quindi scelte persone piccole, in forma e intelligenti. Hanno solo bisogno di circa 1600 calorie al giorno. (1) (Questo non è stato usato nei calcoli seguenti, ma promette di tagliare le dimensioni delle serre.)

Dimensione della colonia

F.B. Salisbury ha discusso degli esperimenti condotti dal suo laboratorio e uno in Unione Sovietica usando grano nano. (2) Ha concluso che "... sarebbe necessaria solo un'area di crescita delle piante di circa 15 m² per fornire un'alimentazione adeguata a un singolo membro dell'equipaggio se quel membro dell'equipaggio fosse disposto a non mangiare nient'altro che grano! Con l'aggiunta di altri

le colture più un fattore di sicurezza dovrebbero essere sufficienti 50 m². ”Per 1000 coloni circa 50.000 m² o 500.000 ft²

sarebbe necessario. Questo sembra basso, quindi viene applicato un ulteriore fattore quattro, portando la cifra a 2.000.000 di ft². Si stima che gli alloggi, i laboratori e le passerelle richiedano 1.000 ft² pro capite o 1.000.000 ft² per mille. Pertanto, l'area coperta totale arriva a 3.000.000 di ft².

Le colture producono abbastanza ossigeno per consentire ai coloni di respirare. Salisbury riferisce del Soviet

Esperimento Bios 3 (2 p152) secondo cui c'erano tre membri dell'equipaggio e tre compartimenti totali

63 m² e coltivati ​​a ortaggi, "... che offre un'ampia capacità di rigenerazione dell'aria".

Può darsi che il suolo marziano sia meno fertile del suolo terrestre, quindi questi numeri devono essere aumentati, ma questo documento utilizzerà 3.000.000 di ft² per il dimensionamento preliminare. Si tratta di un quadrato di 1700 piedi su un lato, a circa sei isolati di città di 300 piedi, una distanza ragionevole da percorrere per i coloni. Una colonia di un milione sarà di dieci miglia quadrate, quindi i coloni avranno bisogno di biciclette.

Progetto di base di una serra marziana

Figura 1. Design generale

Marte è freddo, quindi le piante si congeleranno in una serra di plastica sulla superficie. Un modo per impedirlo è quello di coprire le case con un isolamento opaco e utilizzare l'energia nucleare per far funzionare le luci, ma un modo migliore è seppellire

la casa tranne una striscia trasparente lungo la parte superiore e utilizzare specchi di mylar alluminizzato per riflettere la luce solare concentrata lungo la striscia. I riflettori in mylar a bassa massa possono disperdere la luce uniformemente sulle piante.

L'aria deve essere trattenuta dalle membrane di plastica e lo spessore viene ridotto al minimo rendendo il diametro delle case tubolari il più piccolo possibile, diciamo 16 piedi come mostrato di seguito. Questo riduce al minimo la massa che deve essere portata dalla Terra.

Design strutturale

Il punto importante è che il peso del materiale nella membrana della serra per la copertura della stessa area è proporzionale al raggio del tubo. Cioè, sebbene copriranno la stessa area, un tubo da 32 piedi di diametro peserà il doppio di due tubi da 16 piedi di diametro. Questo peso deve essere sollevato su Marte dagli astronauti e il materiale deve essere trasportato su Marte a spese enormi, quindi è preferibile minimizzarlo. Pertanto, i diametri dei tubi dovrebbero essere il minimo possibile, soggetto al vincolo di essere abbastanza grandi da consentire agli astronauti di attraversarli (più forse qualche metro per effetti psicologici).

Ecco la prova che il volume e la massa del materiale aumentano con il diametro del tubo. Considera due strutture che coprono la stessa campata e ognuna estende una unità nel foglio. Uno ha un singolo tubo, diametro D; l'altro ha n tubi, diametro D / n ciascuno.

Figura 2.

L'area di entrambi i sistemi è la stessa. L'area a campata singola è 1 (unità nella carta) x D / 2 = D / 2

Unità2. L'area a più campate è (per campata) 1 unità in carta x D / 2n = D / 2 x 1 / n. Ma ci sono n unità quindi l'area totale è D / 2 x 1 / n x n = D / 2 - identicamente la stessa area dell'intervallo singolo. Quindi l'area di

la plastica necessaria per coprire la stessa area del terreno è la stessa, indipendentemente dal numero di campate. Ma il

lo spessore è diverso. Per un cilindro S = Pr / t (dove S è lo stress, P è la pressione, r è il raggio, t è lo spessore e Sallowable è lo stress di lavoro per il materiale in questione.) Quindi trequired = Pr / Sallowable - cioè, t è proporzionale a r. Quindi lo spessore, e quindi il volume e la massa della membrana, sono proporzionali al raggio. Pertanto, il raggio deve essere ridotto al minimo possibile. (Lo stesso vale per le cupole. Le cupole da mille piedi amate dagli illustratori costeranno un'enorme penalità in termini di peso se costruite affatto.)

Il tubo dovrebbe essere un tubo pieno, non il mezzo tubo sopra. Problemi di ancoraggio e perdite sarebbero gravi per un mezzo tubo.

Supponiamo che la pressione interna sia di 8 PSI, circa uguale a 15.000 piedi sulla Terra (possibilmente con più del 21% di ossigeno, il livello normale della Terra, per compensare l'alta quota) La membrana della parete è costituita da una vescica per contenere aria, t = 0,003 pollici (un'ipotesi basata su tre milioni di mylar che sembra abbastanza forte) più una rete di fibre di kevlar. La NASA ha utilizzato un design simile per il design gonfiabile Mars Transhab, con un fattore di sicurezza di 4.0. Questa sf sembra alta ma la gente dormirà nella Transhab e ci sono molti micrometeoriti nello spazio; qui verrà utilizzato 3.0 perché le persone normalmente non dormono nella serra e quindi possono uscire più velocemente in caso di perdite. (Il design Transhab non può essere copiato direttamente perché è pensato per l'uso nello spazio e ha una pesante schermatura anti-micrometeorite.)

La fibra di kevlar ha una resistenza alla trazione massima di 435.000 psi (3); la divisione per sf dà uno stress ammissibile di 145Ksi. Trequired = Pr / Sallowable = 8psi x 96in / 145.000 = .0053in spessore, o l'equivalente in fibre di direzione tangenziale. Tuttavia, la sollecitazione assiale in un cilindro pressurizzato è esattamente la metà della sollecitazione tangenziale, quindi saranno necessarie fibre assiali equivalenti a uno spessore di 0,0027, per un totale di 0,008. Consentendo effetti di interazione nel materiale composito, diciamo uno spessore totale di 0,009 pollici. Inoltre, la vescica da 0,003 pollici offre uno spessore totale di 0,012 pollici. Il Kevlar pesa 0,052 pci (supponiamo che la vescica pesa lo stesso; la maggior parte della plastica lo fa.)

La sezione un piede per 16 piedi sopra copre 16 sf e pesa: .012 in x 12 "x 16ft x 12in / ft x x .05 pci = 4.4 lbs o 0.27 lb per ft2 coperto. Per le strutture della serra più sono necessari circa tre milioni di m²² per 1000 persone, quindi l'intera colonia pesa 800.000 libbre. Aggiungendo a questo i 176.000 libbre per i generatori nucleari danno 976.000 libbre. L'aggiunta di macchinari per l'edilizia, fonderie, macchine in vetroresina ecc. Può raddoppiare la massa a due milioni di libbre. A $ 225 / lb (sotto) consegnato a Marte, questo costa $ 450 milioni. Per un milione di persone il costo è di $ 450 miliardi. SpaceX presume che i coloni pagheranno i loro biglietti di sola andata a $ 200.000 ciascuno, o $ 200 milioni per mille persone.

Costo stimato per chilo di carico utile consegnato alla superficie di Marte

L'ingegnere e presentatore SpaceX Paul Wooster afferma che stanno provando a meno di $ 500 al kg o $ 225 al lb. (5)

La pressione idrostatica schiaccia il tubo?

La sabbia secca pesa 100 libbre per piede cubo, quindi a una profondità di 8 piedi sulla Terra la sua pressione idrostatica è di 800 psf o 5,5 psi. La gravità di Marte è solo di 3/8 quella della Terra, quindi a 8 piedi su Marte la pressione è di soli 2,0 psi. Il tubo sarà pressurizzato a 8 psi, quindi vi è un fattore di sicurezza di quattro contro lo schiacciamento.

Problema di ombreggiamento

La Figura 3 mostra un problema di ombreggiamento con i mirror. Se le serre si toccano come nella Figura 3A, gli specchi si ombreggeranno l'un l'altro. Pertanto, gli specchi devono essere distesi come in 3B o posizionati su un pendio come in 3C. Un progetto esatto deve attendere la selezione di un sito per la colonia. Se la spaziatura è tre volte il diametro del tubo, i tubi con gli alloggi possono essere posizionati tra i tubi della serra e la colonia avrà le stesse dimensioni di prima. (Senza il fattore quattro applicato all'area della serra. Ancora una volta, è necessario determinare un progetto esatto.)

Figura 3

Problema di ombreggiamento

Figura 4. Progettazione termica

Analisi termica

La Figura 4 mostra una sezione tipica. L'isolamento non è specificato ma la maggior parte degli isolanti (aerogel, pannello di schiuma da cantiere ecc. Sono R10 per pollice, quindi R50 richiederebbe circa 5 pollici di isolamento, il che sembra ragionevole. (4) La metà del tubo riempito di sabbia fornisce massa termica (stabilizzando il

temperatura dal giorno alla notte.) La temperatura media di Marte è di -50 ° F e la serra funziona a 80 ° F, quindi

T è 130 F.

Considera una sezione un piede nel foglio. L'area di isolamento è 2x 8 ft x 1ft = 50 sf. La perdita di calore al giorno è di 50 x 130 ° T x 1/50 x 24 = 3100 btu. L'ingresso è 16 sf x 317 btu / ora sf x 10 ore di luce diurna = 51.000 btu / giorno. Questo è più della perdita, quindi il calore deve essere scaricato attraverso i radiatori (non mostrato). (Il livello di input è determinato dal requisito di fotosintesi delle piante, assunto per produrre la massima crescita al livello normale di insolazione della Terra.)

La massa dell'isolante non viene calcolata perché sarà quasi certamente prodotta su Marte. L'isolamento è leggero ma voluminoso, quindi non può essere portato dalla Terra. Non ci sarebbe spazio nelle capsule di atterraggio per questo. Per le prime serre la plastica verrà portata e schiumata sul posto, e per la colonia i primi coloni produrranno vetroresina o aerogel dalle sabbie marziane. Individuare il metodo migliore sarebbe sicuramente interessante.

Le serre forniscono ossigeno e cibo per mille coloni. Se c'è una tempesta di polvere di tre mesi e le serre si congelano, allora i coloni muoiono tutti, il che è inaccettabile. Le serre devono rimanere calde durante la tempesta di polvere nel caso peggiore di diversi mesi.

In che modo il sistema rimarrà caldo in una tempesta di sabbia?

Il suolo di Marte è di -50 ° F. Quindi T all'inizio del raffreddamento = 80 - (-50 °) = 130 ° F. Alla fine sono solo 32 - (-50)

= 82 ° F e in media è 106 ° F. La perdita media giornaliera è di 50 ft.² x 1/50 x106 ° F x 24 = 2.500 btu al giorno.

In un giorno normale la temperatura varierà solo di un grado dal giorno alla notte. La sabbia sul fondo semicircolare della casa ha un volume di 1 piede x ½ x x ⁸² = 100 ft3. A 100 lb / ft3 pesa 10.000 lb con una massa termica di 0,2 btu / lb = 2000 btu / F °. Si tratta di una perdita di 130 btu / ora x 12 ore / 2000 btu / F ° = 0,8 F °.

Le tempeste di polvere marziane possono durare alcune settimane, ma è necessario trovare il caso peggiore, che potrebbe essere molto più lungo.

Ci sarà una centrale nucleare. È necessario un generatore nucleare perché le celle solari non funzionano senza luce, come durante una tempesta. La sua uscita può essere utilizzata per far funzionare i riscaldatori? Una centrale nucleare per 1000 persone che producono 2kWe pro capite produce 2MWe, ovvero 6.820.000 btu all'ora. (Potenza termica 8 MW e

2MWe potenza elettrica al 25% di efficienza. La potenza termica dei generatori è di 27 milioni di btu / ora. Ci sono 187.000 piedi di serre, perdendo una media di 2.500 btu al giorno per piede o 104 btu all'ora-piede. Quindi 187.000 ft perde 19,4 milioni di btu all'ora, rispetto ai 27 milioni di btu l'ora dei generatori. I generatori possono infatti riscaldare le serre.

Successivamente c'è il problema della produzione di ossigeno. In una tempesta di polvere le piante non eseguiranno molta fotosintesi. La loro produzione deve essere costituita dalla produzione di ossigeno dal generatore. In tempi buoni anche cibo e ossigeno dovrebbero essere immagazzinati.

Le vite dei coloni sono a rischio se l'analisi della tempesta di sabbia è sbagliata. Grande attenzione dovrebbe essere esercitata con questi calcoli.

Generatore nucleare

Per gentile concessione di Frank Williams

La generazione e la distribuzione di energia elettrica saranno una combinazione di reattori nucleari a base di uranio e un sistema minimo di batterie e super condensatori per l'accumulo di energia e il livellamento del carico. Le implementazioni appropriate dei reattori nucleari saranno indipendenti dalle condizioni ambientali, fornendo così energia costante per condizioni anche gravi, ad esempio tempeste di polvere che possono durare per diverse settimane e il conseguente periodo di scavo dalle dune risultanti.

Proponiamo un approccio in scala piuttosto che un singolo reattore monolitico elettrico da 2 megawatt (MWe)

(media di 2 kWe per membro della colonia). Ci sono molte ragioni per questo.

Implementazione nel tempo: i reattori possono essere lanciati all'avvio dell'attrezzatura iniziale di costruzione del sito.

o Prima dell'arrivo umano, le missioni robotiche possono installare l'equipaggiamento iniziale

o I reattori possono essere lanciati con ondate di umani man mano che la colonia cresce

Elimina una modalità di guasto a punto singolo

o Mentre è improbabile che si verifichi un guasto completo di un grande reattore, la disattivazione di un singolo reattore di grandi dimensioni fuori linea per la riparazione avrà impatti negativi significativi sulla colonia

o I grandi reattori sono intrinsecamente più difficili da riparare per problemi importanti semplicemente a causa delle loro dimensioni maggiori e masse componenti

L'avvio robotizzato è più semplice per i reattori più piccoli prima dell'arrivo umano.

o I reattori più piccoli possono essere progettati per essere autoavviati

I reattori più piccoli sono più facili da progettare e funzionare principalmente come sistemi di auto-moderazione.

o I reattori a moderazione automatica diventano meno termicamente (e successivamente elettricamente)

efficienti quanto aumentano le loro dimensioni e potenza

Diversi reattori più piccoli possono essere utilizzati come set per coprire le variazioni dei requisiti di alimentazione giornaliera, settimanale o mensile

o I requisiti di alimentazione devono variare nel tempo.

o I reattori devono essere progettati per i requisiti di massima potenza o un'energia significativa

il sistema di stoccaggio e di erogazione deve essere implementato.

o L'uso di più reattori che possono essere messi in linea secondo necessità e / o attivamente moderati secondo necessità minimizzerà la necessità di qualsiasi sistema di livellamento del carico elettrico e di accumulo di energia

Reattori più piccoli possono essere posizionati vicino a esigenze di alimentazione

o I piccoli reattori con moderate quantità di schermatura possono essere posizionati molto più vicini alle apparecchiature e alle esigenze di potenza rispetto a un singolo grande reattore

Il reattore di base è attualmente considerato un'evoluzione del reattore Kilopower della NASA mostrato nella Figura 5. L'evoluzione si tradurrà in un reattore da 100 kWe dal massimo del design attualmente previsto di 10 KWe. (La NASA ritiene che l'attuale progetto del reattore Kilopower possa evolvere a 10 kWe.) Il design evoluto sostituirà il singolo nucleo cilindrico di uranio altamente arricchito (HEU) con un singolo nucleo centrale circondato da anelli concentrici di HEU. Intervallati tra il nucleo centrale e il successivo anello di HEU ci saranno diversi elementi: moderatori di assorbitori di neutroni di boro, moderatori di neutroni di ossido di berillio, tubi di calore in metallo sodico e distanziatori che hanno un alto coefficiente di espansione termica (CTE). Il cilindro centrale al boro al centro del cilindro HEU centrale (come nel Kilopower Reactor) e gli elementi al boro

tra il nucleo centrale di HEU e lo strato concentrico di HEU saranno rimossi all'avvio del reattore e reinseriti all'arresto del reattore. Gli alti distanziatori CTE forniscono un'auto-moderazione del reattore che gli consente di funzionare quasi al massimo senza un costante monitoraggio umano.

Immagine gentilmente concessa dalla NASA GRC, l'uso non costituisce e l'approvazione della NASA.

Figura 5. Reattore nucleare spaziale Kilopower della NASA che mostra la conversione dell'energia in sterline

sistemi.

Il posizionamento precoce dei primi pochi reattori utilizzerà sistemi di reiezione del calore atmosferico come attualmente previsto dal concetto della NASA per l'uso del reattore Kilopower come mostrato nella Figura 6. Dopo l'arrivo degli abitanti umani e la possibilità di installare i reattori, utilizzeranno un sistema di raffreddamento più robusto da posizionando i tubi di calore a reiezione di calore sulla superficie marziana, ciò consentirà un dissipatore di calore coerente in tutte le condizioni ambientali.

Immagine gentilmente concessa dalla NASA GRC. L'uso di questa immagine non costituisce un'approvazione di questo documento da parte della NASA.

Figura 6. Il concetto della NASA per installazioni di tipo Kilopower Reactor su Marte.

La massa del singolo reattore e del sistema di conversione del calore dovrebbe essere dell'ordine di 4.000 kg ciascuno.

Ciò consentirà a questi reattori di essere lanciati dalla Terra nell'ambito di missioni più grandi e più compressive

piuttosto che come missioni autonome per un singolo reattore da 2 MWe che potrebbe facilmente avere una massa di

superiore a 18.000 kg. Ciò offre ulteriore flessibilità alla missione mentre la colonia si evolve.

Massa di generatori

Sono necessari una ventina di 100kWe di generatori per 2MWe per una colonia di 1.000 persone. Hanno una massa di 4.000 kg ciascuno, per una massa totale di 80.000 kg o 176.000 libbre.

Alternativa per regola empirica

Un generatore da 100 kWe ammonta a circa 4000 kg e la massa aumenta all'aumentare della radice quadrata dell'uscita. (6) Pertanto generatori più grandi forniscono la stessa potenza per una massa inferiore. Due generatori da un MWe consentirebbero di essere riparati o riforniti di carburante. Ciascuno avrebbe una massa di 10,5 x 4000 kg = 13.000 kg, quindi il totale sarebbe

26.000 kg o 57.000 libbre., Un terzo delle 176.000 libbre sopra. Chiaramente il miglior numero di generatori è un argomento importante poiché ha il potenziale per ridurre significativamente il costo della colonia.

Discussione

La maggior parte della massa importata dalla Terra è costituita da generatori nucleari e materiale da costruzione per le serre. Nel frattempo la maggior parte dei coloni sono agricoltori, esploratori o ricercatori. Gli agricoltori vengono sostituiti da robot e anche gli esploratori possono essere sostituiti, con robot che portano materiale da studiare per i ricercatori. Questo lascia la maggior parte dei coloni disoccupati. La soluzione è di mettere queste persone a lavorare nella costruzione di infrastrutture per i milioni di abitanti alla fine previsti, e di produrre materiali per le serre da materiale marziano. Le vesciche sono di plastica derivata dal petrolio e quindi devono essere importate dalla Terra, ma le fibre di Kevlar possono essere sostituite da fibre di fibra di vetro di sabbia marziana. La sabbia può essere utilizzata anche per isolare vetroresina o aerogel. L'importazione di macchine per produrre questi materiali sarà meno costosa dell'importazione dei materiali stessi. Gran parte della massa terrestre è costituita da generatori nucleari, quindi anche i miglioramenti apportati a questi sono molto importanti. Forse molte parti possono essere realizzate su Marte.

Così i coloni passano dall'agricoltura e dall'esplorazione alla costruzione e alla produzione e, man mano che arrivano più persone, vengono impiegati allo stesso modo. Alla fine la colonia è completata e i coloni non avranno nulla da fare, quindi potrebbero lavorare alla terraformazione. Terraformare Marte è difficile perché non esiste una fonte nota di azoto o anidride carbonica per stabilizzare l'atmosfera, e un'atmosfera di ossigeno puro è pericolosa in caso di incendio, ma se viene trovata una fonte di gas non reattivi i coloni possono diventare terraformatori.

Si suggerisce che un buon argomento di indagine sarebbe la produzione di materiale isolante e strutturale per le serre e altre strutture e le parti pesanti dei generatori. Anche l'analisi termica dettagliata delle prestazioni termiche delle serre nelle tempeste di polvere è rilevante, così come la durata massima delle tempeste.

L'atmosfera di Marte è CO2. Molte piante sulla Terra crescono più velocemente con densità più elevate di CO2. Se le piante crescessero più velocemente, sarebbero necessarie meno serre, risparmiando denaro sulle importazioni dalla Terra. Anche la luce solare può essere concentrata su più della normale Terra. Si presume che sia fornita l'insolazione normale della Terra, poiché le piante terrestri si sono evolute per questo. Ma le piante cresceranno più velocemente con più luce? E se fossero dotati di più CO2 e luce solare? Sarebbe interessante scoprirlo.