Тетрадекаэдр: разработка жилого модуля на Марсе для 3D печати | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 21 декабря, печатный экземпляр отправим 25 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: , ,

Рубрика: Прочее

Опубликовано в Юный учёный №2 (5) март 2016 г.

Дата публикации: 26.02.2016

Статья просмотрена: 27 раз

Библиографическое описание:

Макарова М. А., Иванов И. О., Иванова С. Н. Тетрадекаэдр: разработка жилого модуля на Марсе для 3D печати // Юный ученый. — 2016. — №2. — С. 201-205. — URL https://moluch.ru/young/archive/5/307/ (дата обращения: 07.12.2019).

 

Человечеству необходим запасной плацдарм. Даже если мы сами не угробим свою планету гонкой ядерных вооружений, и в нас не врежется огромный астероид, рано или поздно Земля столкнется с проблемой перенаселения и истощения ресурсов.

Нам нужна вторая земля. Планета-колония. И так уж получилось, что на эту роль человечество выбрало Марс.

Планета, относящаяся к земному типу, благодаря своему относительно близкому расположению от нас и от солнца так активно изучается учеными. Примерно каждые два года наша планета и Марс максимально сближаются. Такое событие в астрономии называется «противостояние». В этот момент Марс всего в пятидесяти пяти миллионах километров от Земли. В это время люди и посылают свои корабли. Полное путешествие в этом случае может занять от 150 дней с учетом учётом скорости запуска и количества топлива. Полгода пути. Ерунда по сравнению с космическим пространством.

По прогнозам ученых, в 2020 году на Марсе уже будет построен первый жилой модуль для космонавтов. Первый дом будущего марсианского города. В дальнейшем печатать эти модули планируется на специально разработанном промышленном 3 д принтере прямо на Марсе из местных материалов. Агентство НАСА объявляло уже два конкурса на разработку лучших жилых модулей для 3 д печати. Первый выигрывал проект Queen B, представляющий собой дома — соты.

 

Один такой комплекс состоит из одиннадцати помещений — десяти шестиугольных отсеков и одной большой общей комнаты для отдыха и общения.

http://www.smileexpo.ru/public/userfiles/news/untitled%20folder13/1%20%282%29.jpg

 

Второй раз выиграл проект, предполагавший печать модулей на 3 д принтере изо льда.

После окончания первого курса IT — школы по 3 д моделирования, я решила сделать свой проект марсианских модулей — тетрадекаэдров, который и представляю сейчас вашему вниманию. Но вначале…

Условия жизни на Марсе

Марс — четвёртая по удалённости от Солнца и седьмая по размерам планета Солнечной системы. Прежде чем приступать к разработке жилого модуля, необходимо определить основные требования к проекту. С чем столкнется человек, высадившись на Марс?

ЧЕМ ДЫШАТЬ

Дышать на Марсе невозможно. Атмосфера планеты состоит в основном из углекислого газа. Очень разряжена, что способствует сильной радиации на поверхности планеты. Перемещения только в скафандрах с кислородным баллоном. Есть научная гипотеза — когда-то давно ядро Марса было жидким, как у Земли, что кардинально меняло все: на Марсе была жизнь (по крайней мере, бактерии и простейшие одноклеточные — точно), был воздух, и была вода. После столкновения с глобальным небесным телом (огромным метеоритом) Марс немного сошел с орбиты, процессы в ядре замедлились, а потом и вовсе остановились. Наступил ледниковый период, убивший все живое. Поменялось давление, из-за слабого притяжения ушла атмосфера, и планета запечаталась углекислым газом. Способы глобального изменения Марса очень походят на научную фантастику. Самый глобальный — сбросить на Марс ядерную бомбу, способную немедленно поднять температуру планеты, перевести сухой лед в жидкое состояние и, возможно, даже сдвинуть Марс на прежнюю орбиту.

Понятно, что основной принцип кислородной установки на Марсе должен быть в преобразовании углекислого газа в кислород. К сведению — человек без скафандра на поверхности Марса потеряет сознание через 10 -15 сек, а если давление и состав воздуха не будет восстановлен в течение одной максимум двух минут и ему не будет оказана экстренная помощь, то наступит летальный исход.

ОТКУДА ПОЛУЧАТЬ ЭНЕРГИЮ

Источником энергии на Марсе могут быть природные: солнечный свет и ветер и «привозные» — мини ядерные установки, питающие модуль. Причем во всех разработках эти два вида энергии используются совместно. То есть первые жилые модули на Марсе в любом случае будут иметь и свой мини ядерный реактор и солнечные панели, и ветровые станции. Также можно использовать огромную разницу температур в течение суток.

ЧТО ЕСТЬ?

Марс называют красной планетой из-за красноватого оттенка почвы, который ей придает оксид железа. Пробы, взятые марсоходами, доказали, что марсианская почва пригодна для выращивания растений. К примеру, той же спаржи. Или картошки (смотрели фильм «Марсианин»?) При условии, если они, растения, будут защищены от низких температур и радиации. То есть будущим колонистам, в куполе, можно выращивать растения для еды и получения кислорода, в марсианской почве. Описывая марсианскую почву, ученые говорят, что подобный грунт мы можем найти и недалеко от своего дома.

Поверхность планеты испещрена многочисленными кратерами, горами, разломами, впадинами. Потому как колонисты не будут иметь возможности сразу менять ландшафт, первые дома должны уметь приспосабливаться под разный рельеф.

КАКАЯ ПОГОДА?

Температура на Марсе в некоторых местах, в течение суток, может колебаться от -153 градусов по Цельсию до +20. Средняя температура — - 50 градусов. Период вращения планеты — 24 часа 37 минут 22,7 секунды. То есть в марсианских сутках — 24 часа 39 минут 35,24409 секунды. Как видите, почти идентично земным суткам. Марсианский год состоит из 668,6 марсианских суток. Солнечных дней, к сожалению не так много, как нам бы хотелось для своих солнечных батарей.

Марс вращается вокруг своей оси под углом. Смена времен года почти так же идентична земному мироустройству. Весна и лето на северной части Марса длятся 371 день. В то же время они приходятся на участок орбиты Марса, удалённый от Солнца. Поэтому на Марсе северное лето долгое и прохладное, а южное — короткое и относительно тёплое. Разброс температур огромен. Все материалы, из которых будет строиться жилой комплекс необходимо адаптировать к — 153 градуса. При таких холодах хрупким становится даже металл.

Вечная мерзлота. Даже сантиметровые пробы грунта обладали такой прочностью, что их невозможно было сразу анализировать на месте. Только после того, как они лежали какое-то время в ковше марсохода.

На поверхности планеты часто бушуют страшные песчаные бури, которые могут длиться до полугода. Марс буквально обволакивает пыльное облако. Зато, если нам удастся использовать силу ветров при этих бурях, энергии в это время будет хоть отбавляй.

ЧТО ПИТЬ?

Пустыня. Воды на поверхности нет, но последние изучения доказали, что вода в почве все же существует в качестве сухого льда. В пробах, взятых с глубины в 5 сантиметров, присутствовало 2 % воды. Также есть снежные шапки на экваторах, также состоящие из сухого льда (углекислого газа, который выпадает в виде осадков) и многовековой водной пыли. Толщина снежных шапок может достигать до 3,7 тысяч километров.

Из-за низкого давления вода не может существовать в жидком состоянии на большей части (около 70 %) поверхности Марса, но на Марсе есть и участки с очень высоким давлением, например впадина Эллады. Вызвана она, как считают ученые, палением огромного небесного тела. Впадина — кратер настолько глубока, что там, при достаточно высокой температуре вода могла бы существовать в жидком состоянии. Проблема в том, что при таком давлении, вода закипает и превращается в пар уже при +10 °C. То есть резервуар с сухим льдом придется помещать где-то посередине впадины.

В любом случае, пока ученые планируют получать воду на Марсе путем выпаривания ее из сухого льда (снежные шапки или подземные залежи). То есть необходимо возводить установку, в которой, путем выпаривания (с применением пучков сверхвысокочастотного излучения) иначе говоря — бесконтактного нагрева — сухой лед будет испаряться и конденсировать воду на охлаждающих устройствах. Ясно одно: воду можно получать прямо на Марсе. К сожалению, это не все. Скорее всего, эта вода будет чересчур соленой и горькой, непригодной ни для питья, ни для полива. То есть необходима еще и система ее очистки.

КАКИМ ДОЛЖЕН БЫТЬ ЖИЛОЙ МОДУЛЬ

Итак, мы уже познакомились с марсианским бытом. Тяжелые, экстремальные условия. Первым колонистам придется несладко. Им требуется полная защита от агрессивной среды внутри купола и специальные скафандры (одежда) снаружи купола. В будущем, конечно, марсианские города будут полностью накрыты защитным куполом, внутри будет вполне земная атмосфера и давление, и защищаться нужно будет только при выходе из города. Но мы с вами рассматриваем ближайшее будущее. А значит, все должно быть по минимуму. Жилые модули. Установка по обеспечению жизнедеятельности. Каждый выход из дома — максимальная степень защиты.

Я уже писала, что при высадке и строительстве жилых модулей, необходимо учитывать ландшафт планеты. Нам придется приспосабливаться к тому, что есть. Лучше всего начать строительство в скальной местности, прикрыв модули с одной стороны от ветра и радиации самой скалой. Строиться необходимо с солнечной стороны, чтобы максимально иметь возможность собрать солнечную энергию.

 

Я предлагаю вашему вниманию жилые модули на Марсе в виде многогранников-тетрадекаэдров, которые можно присоединять друг к другу со всех сторон.

Такие дома могут запросто строиться в любом направлении, спокойно огибать неудобные горы и вписываться на очень небольшом клочке ровной земли. Это важно для Марса, где не будет возможности менять ландшафт под нужды строительства. Иными словами, я предлагаю вам решить проблему возведения жилых модулей на Марсе с помощью задачи Кельвина

 

В 1887 году Уильям Томсон, известный также как лорд Кельвин, сформулировал следующую задачу: какими одинаковыми фигурами можно заполнить пространство без пробелов. Сам лорд Кельвин предложил в качестве ответа одинаковые тетрадекаэдры (14-гранники). Впоследствии ученые Дэнис Уэйр и Роберт Фелан вывели еще одну форму для решения этой задачки — деформированные тетрадекаэдры и додекаэдры.

Каждая его сторона в зависимости от проекта (на месте) может состыковываться с точно таким же модулем. На остальные части крепятся солнечные батареи, которые могут менять положение и различные климатические системы очистки и кондиционирования.

 

Возьмем пример размещения модулей на какой-то более-менее ровной площадке. Нижние модули могут быть как полными многогранниками, так и половинчатыми (куполами) для большей устойчивости. В них может быть расположен реактор для получения энергии, теплицы, для выращивания съедобных растений и для выработки кислорода. В двух нижних модулях основные входы, шлюз, лестницы к жилым модулям. Четыре модуля сверху — жилые. Самый верхний модуль может скрывать в себе водонапорную башню, для получения воды из атмосферы Марса. Любую сторону тетрадекаэдров можно оборудовать солнечными батареями.

В случае горной местности или непреодолимых препятствий, модули могут располагаться друг на друге (стыковочные люки могут монтироваться с любой стороны) в произвольном порядке, заполняя собой любое пространство. Такие модули, как мыльная пена, могут приспосабливаться под любую поверхность планеты.

 

Модуль имеет структуру бутерброда. Внутри вложен еще один модуль. В промежуточном пространстве поддерживается циркуляция теплого воздуха, встроены все системы кондиционирования и переходы от модуля к модулю. Таким образом, чтобы попасть в дом, нужно будет сначала открыть внешний шлюз, закрыть его, дождаться, когда атмосфера внешнего помещения придет в норму, снять скафандр и уже затем зайти во внутренний шлюз. Внешний вид представленной модели я разработала в компьютерной программе SketchUp. Это программа для профессионального 3D-проектирования, с ее помощью можно создавать модели абсолютно любых объектов: проекты домов, ландшафтного дизайна, мебели, моделей автомобилей, архитектурных сооружений и многого другого.

 

Система двойных домов может претерпевать значительные изменения, некоторые тетрадекаэдры могут не иметь подобного расслоения, если будут находиться внутри конструкции и в них можно будет попасть только из другого модуля.

Внутренне убранство модуля также будет практически полностью печататься на принтере. Ниже я приведу примеры получения чернил для 3 д принтера для разных целей. Внутри модуль вполне напоминает аскетичное жилое пространство, с мебелью — трансформером для экономии места. Туалет представляет собой автолабораторию по синтезу воды и удобрений. В тяжелых условиях Марса производство в полном смысле этого слова становится безотходным.

ИЗ ЧЕГО СТРОИТЬ?

Какие материалы мы можем добыть на далекой планете? И из чего дома может напечатать 3 д принтер?

Вот неполный список того, что можно встретить на Марсе: водяной лед, базальт, вулканический туф, вулканическая пемза, глина, гипс, карбонат кальция, различные соединения железа, кварц. Строительные материалы находятся в виде скальных пород, каменных обломков, бута, щебеня, глины, песка.

Из чего печатает дома 3 д принтер на Земле? Для этой цели используют различные цементные составы, иногда со стекловолокном. Бетон –стройматериал, который получают при смешивании 4 компонентов: воды, цемента, крупных и мелких наполнителей, таких как гравий, щебень и галька. Цемент — порошкообразное искусственное вещество, которое при смешивании с водой напоминает массу похожую на тесто, а когда эта масса застывает, то получается однородное твердое вещество.

Основным компонентом искусственных стройматериалов на Марсе, скорее всего, будет гипсовый высокопрочный алебастр. На Марсе уже найдены большие залежи гипса. В природе гипс образуется из водных растворов. После отжига гипс теряет воду и превращается в алебастр. В присутствии влаги алебастр очень быстро «схватывается», поглощая воду. Время для схватывания алебастра составляет от нескотских минут. Полное высыхание от нескольких часов. В этом плане алебастр выгодно отличается от цемента или глины. Для обретения цементом полной прочности нужно время порядка 20 дней при плюсовых температурах. На холодном Марсе времени понадобится еще больше.

На Земле уже разработаны специальные чернила для 3 д принтера, сделанные из цементных полимеров. На Марсе эти чернила, скорее всего, будут алебастровые. На этом же принтере будут печататься внутренние стены, перегородки и мебель модуля. Такие чернила уже тоже есть. К примеру, Emerging Objects изобрели соляной полимер, соединив строительный клей и соль. Соли на Марсе предостаточно в сухом льду. Получается легкий, водостойкий, полупрозрачный материал.

Для обжига гипса и получения алебастра требуется значительно более простое оборудование, чем для цемента и бетона. Гипс требуется измельчить и поместить под прозрачный колпак. Потом нагреть до 140ºC — 190ºC с помощью солнечного концентратора, периодически помешивая. Гипс содержит 22 % кристаллизационной воды. Так что одновременно можно собирать пары воды, и получать чистую воду. Полученный порошок алебастра сразу готов к применению. Минусы — прочность алебастровых чернил будет менее велика, чем цементных. Для повышения прочности нужно будет добавлять песок, а его на Марсе перебор. Да и из-за меньшей силы тяжести, чем на земле, нагрузка на конструкции будет меньше.

В любом случае, вне зависимости от источников энергии, дома на Марсе надо будет утеплять. Иначе никаких ядерных установок не напасешься. В качестве утеплителя можно наладить производство базальтовой ваты. Базальтовая крошка плавится в электрической печи и выдавливается через отверстия, как и на Земле. Плюс еще и в нашем проекте теплоизолирующим материалом, помимо синтетических, станет сам воздух за счет вложения дома в дом.

Проводились уже и исследования свойств стекла, которое изготовили, расплавив марсианский грунт. Это стекло, по мнению ученых, можно использовать не только в качестве стекла, как такового, но и в качестве связующего вещества при строительстве дома.

Область марсианостроения все еще пока находится больше в области фантастики. Но уже совсем скоро первые дома на Марсе все же будут построены. Это вопрос ближайшего будущего. И как знать, может именно в этой области или в области космической связи, которую я рассматриваю во второй части проекта, я найду свою профессию. Не зря же я участвую в проекте космические профессии в своем родном городе — Якутске. И то, что строить, а вернее печатать эти дома будет 3 д принтер, тоже не вызывает сомнений. Вполне возможно, что в ближайшем будущем, 3 д программист, разработчик моделей вообще станет одной из самых нужных и популярных профессий. Потому что почти все, что нужно человечеству, можно разрабатывать и печатать на 3 д принтере. Начиная от мелких игрушек, заканчивая домами на Марсе.

 

Литература:

 

  1.   Стивен Хокинг. «Черные дыры и молодые вселенные»
  2.   Митио Каку. Физика будущего
  3.   Александр Марков. Рождение сложности
  4.   Сергей Капица. Парадоксы роста.
  5.   Яков Перельман. Математика на каждом шагу
  6.   Крис Хэдфилд. Руководство Астронавта по жизни на Земле
  7.   Айзек Азимов. О времени и пространстве
  8.   Атлас: Вселенная. Карты. Цифры. Факты. Гипотезы.
  9.   Путеводитель по зведному небу.
Основные термины (генерируются автоматически): Марс, модуль, сухой лед, дом, уж, вод, поверхность планеты, углекислый газ, ЖИЛОЙ МОДУЛЬ, жидкое состояние.


Похожие статьи

Переработка диоксида углерода с использованием...

Проблема загрязнения окружающей среды углекислым газом.

Вследствие этого тепло не отводится от нашей планеты, происходит увеличение средней

Процесс восстановления протекает на поверхности частиц диоксида титана и на поверхности частиц металла.

Эффективность использования солнечных батарей...

Работа посвящена выгодности использования солнечной энергии в Санкт-Петербурге. Данная проблема особо актуальна сегодня, в период возросшего интереса к энергосбережению и возможности использования альтернативных источников энергии. Целью работы было...

Инновации в разработке солнечных элементов | Статья в журнале...

В данной статье производится обзор на возобновляемые источники энергии, а именно солнечную энергетику. Цель работы: ознакомиться со структурой солнечных элементов, произвести комплексный обзор материалов. Объектом являются солнечные батареи. В статье...

К вопросу процесса намораживания льда в замкнутом водном...

Если ниже оребренной поверхности имеется небольшой участок теплоизолированной

Здесь толщина пленки выражена через модуль теплового потока

Углекислый газ (хладагент R744) — достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Раскрытая математическая модель микроклимата грибной теплицы

Запишем уравнение массового баланса углекислого газа в атмосфере теплицы в дифференциальной форме (7)

Растения превращают в кислород не пригодный для дыхания углекислый газ и воду с помощью солнечного света, и возвращают обратно в атмосферу.

Анализ вариативных способов заморозки грунта | Молодой ученый

Статья рассматривает различные способы заморозки грунта для строительства. Анализируются все достоинства и недостатки описываемых технологий, на основе приведенных данных определяется область использования тех или иных способов заморозки грунтов для...

Модульное строительство как современное направление...

Каждый, кто собирается построить собственный индивидуальный жилой дом, задумывается о том, как и из чего его строить.

Конвейерное изготовление значительно удешевляет себестоимость модульных конструкций (блоков). После того, как модули собраны в заводских...

Математическое моделирование типовых очагов горения...

Поскольку жидкое топливо в FDS возгорается одновременно по всей поверхности

Состояние окружающей среды оказывает огромное влияние на жизнь всех живых существ на.

Запишем уравнение массового баланса углекислого газа в атмосфере теплицы в...

Схема экологически безопасного газохимического комплекса...

Воду отделяют, охлаждая смесь газов и пропуская ее через горизонтальные мембранные аппараты (15). Смесь азота и диоксида углерода используют в качестве инертного газа в системе увеличения продуктивных пластов на месторождении, а воду — для технических нужд.

Похожие статьи

Переработка диоксида углерода с использованием...

Проблема загрязнения окружающей среды углекислым газом.

Вследствие этого тепло не отводится от нашей планеты, происходит увеличение средней

Процесс восстановления протекает на поверхности частиц диоксида титана и на поверхности частиц металла.

Эффективность использования солнечных батарей...

Работа посвящена выгодности использования солнечной энергии в Санкт-Петербурге. Данная проблема особо актуальна сегодня, в период возросшего интереса к энергосбережению и возможности использования альтернативных источников энергии. Целью работы было...

Инновации в разработке солнечных элементов | Статья в журнале...

В данной статье производится обзор на возобновляемые источники энергии, а именно солнечную энергетику. Цель работы: ознакомиться со структурой солнечных элементов, произвести комплексный обзор материалов. Объектом являются солнечные батареи. В статье...

К вопросу процесса намораживания льда в замкнутом водном...

Если ниже оребренной поверхности имеется небольшой участок теплоизолированной

Здесь толщина пленки выражена через модуль теплового потока

Углекислый газ (хладагент R744) — достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Раскрытая математическая модель микроклимата грибной теплицы

Запишем уравнение массового баланса углекислого газа в атмосфере теплицы в дифференциальной форме (7)

Растения превращают в кислород не пригодный для дыхания углекислый газ и воду с помощью солнечного света, и возвращают обратно в атмосферу.

Анализ вариативных способов заморозки грунта | Молодой ученый

Статья рассматривает различные способы заморозки грунта для строительства. Анализируются все достоинства и недостатки описываемых технологий, на основе приведенных данных определяется область использования тех или иных способов заморозки грунтов для...

Модульное строительство как современное направление...

Каждый, кто собирается построить собственный индивидуальный жилой дом, задумывается о том, как и из чего его строить.

Конвейерное изготовление значительно удешевляет себестоимость модульных конструкций (блоков). После того, как модули собраны в заводских...

Математическое моделирование типовых очагов горения...

Поскольку жидкое топливо в FDS возгорается одновременно по всей поверхности

Состояние окружающей среды оказывает огромное влияние на жизнь всех живых существ на.

Запишем уравнение массового баланса углекислого газа в атмосфере теплицы в...

Схема экологически безопасного газохимического комплекса...

Воду отделяют, охлаждая смесь газов и пропуская ее через горизонтальные мембранные аппараты (15). Смесь азота и диоксида углерода используют в качестве инертного газа в системе увеличения продуктивных пластов на месторождении, а воду — для технических нужд.

Задать вопрос