Ý tưởng khám phá và xâm chiếm sao Hỏa chưa bao giờ sống động hơn ngày nay. Trong vòng hai thập kỷ tới, có nhiều kế hoạch gửi các sứ mệnh phi hành đoàn đến Hành tinh Đỏ, và thậm chí một số kế hoạch rất tham vọng để bắt đầu xây dựng một khu định cư lâu dài ở đó. Mặc dù nhiệt tình, có nhiều thách thức quan trọng cần được giải quyết trước khi bất kỳ nỗ lực như vậy có thể được cố gắng.
Những thách thức này - bao gồm các tác động của trọng lực thấp đối với cơ thể con người, bức xạ và tâm lý phải rời xa Trái đất - trở nên rõ rệt hơn khi đối phó với các căn cứ vĩnh viễn. Để giải quyết vấn đề này, kỹ sư dân sự Marco Peroni đưa ra một đề xuất cho một căn cứ sao Hỏa mô-đun (và một tàu vũ trụ để cung cấp nó) cho phép thực dân hóa Sao Hỏa trong khi bảo vệ cư dân của nó bằng bức xạ nhân tạo.
Peroni trình bày đề xuất này tại Viện Hàng không và Du hành vũ trụ Hoa Kỳ (AIAA) 2018 và Diễn đàn và Triển lãm, diễn ra từ ngày 17 đến 19 tháng 9 tại Orlando, Florida. Bài thuyết trình là một trong số đó diễn ra vào thứ Tư, ngày 19 tháng 9, chủ đề trong đó, Mars Mars Mission Architectures.
Nói một cách đơn giản, ý tưởng xâm chiếm Sao Hỏa (hoặc bất cứ nơi nào trong Hệ Mặt Trời) đưa ra nhiều thách thức - cả về thể chất và tâm lý. Trong trường hợp của Hành tinh Đỏ, chúng bao gồm bầu không khí mỏng và không thể chịu đựng được, môi trường rất lạnh và thực tế là nó không có từ trường. Đây là mục cuối cùng đặc biệt khó khăn vì bất kỳ thuộc địa nào trong tương lai sẽ cần phải được bảo vệ khỏi một lượng phóng xạ đáng kể.
Nói tóm lại, lượng phóng xạ trung bình mà con người tiếp xúc với Trái đất đạt tới khoảng 3,6 milliSieifts (mSv) mỗi năm, nhờ vào bầu khí quyển dày đặc của Trái đất và từ trường bảo vệ. Đương nhiên, điều này có nghĩa là các phi hành gia và những người mạo hiểm ngoài Trái đất phải tiếp xúc với lượng bức xạ mặt trời và vũ trụ cao hơn đáng kể.
Để đảm bảo sức khỏe và an toàn của phi hành gia, NASA đã thiết lập giới hạn trên 500 mSv mỗi năm hoặc 2000 đến 4000 mSv (tùy theo độ tuổi và giới tính) trong suốt cuộc đời phi hành gia. Tuy nhiên, Peroni ước tính rằng tùy thuộc vào thời gian họ ở trong nhà bao lâu, lượng phóng xạ trung bình mà một người định cư sao Hỏa sẽ tiếp xúc sẽ là khoảng 740 mSv mỗi năm. Như Peroni đã giải thích với Tạp chí Vũ trụ qua email:
Số lượng vật liệu để che chắn hiệu quả sau đó có thể vượt xa những gì có thể thực hiện được đối với hầu hết các ứng dụng hàng không vũ trụ. Các bức tường nhôm của ISS, ví dụ, dày khoảng 7 mm và có hiệu quả trong LEO, nhưng không chắc là những lá chắn như vậy sẽ đủ trong không gian liên hành tinh, nơi chúng thậm chí có thể tăng liều hấp thụ trừ khi dày lên đáng kể.
Để giải quyết mối đe dọa này, các đề xuất trước đây đã khuyến nghị xây dựng các căn cứ với các lớp đất sao Hỏa dày - trong một số trường hợp, dựa vào việc thiêu kết và in 3D để tạo ra một bức tường gốm cứng bên ngoài - và nơi trú ẩn khẩn cấp trong trường hợp bão mặt trời. Các đề xuất khác đã đề xuất xây dựng các căn cứ trong các ống dung nham ổn định để cung cấp che chắn tự nhiên. Nhưng như Peroni đã chỉ ra, những điều này thể hiện sự nguy hiểm của chính họ.
Chúng bao gồm số lượng vật liệu cần thiết để tạo ra các bức tường che chắn hiệu quả và mối đe dọa của sợ bị vây kín. Như ông đã giải thích:
Một nghiên cứu của NASA cho thấy một trạm không gian hoặc môi trường sống rộng lớn cần che chắn 4 t / m2 của regolith martian (xem xét rằng mật độ của nó là từ 1.000 kg / m3 ở bề mặt tới 2.000 kg / m3 ở độ sâu vài cm, điều này tương ứng với độ dày 2 m hoặc ít hơn nếu vật liệu được nén [bằng cách] thiêu kết bằng laser), để đạt được tốc độ liều hiệu quả 2,5 mSv / y.
Một nơi trú ẩn dưới lòng đất cũng có thể được sử dụng làm chỗ ngủ và cho tất cả các hoạt động không cần nhìn ra bên ngoài (chẳng hạn như xem video hoặc thưởng thức các trò giải trí khác), nhưng sống trong các cấu trúc ngầm có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe tâm lý của thực dân (sợ bị giam cầm), cũng giảm khả năng đánh giá khoảng cách khi ở ngoài tiền đồn (khó khăn trong việc thực hiện nhiệm vụ của eva) và có thể đặc biệt tồi tệ trong trường hợp một trong những hoạt động của tiền đồn là du lịch vũ trụ. Một vấn đề khác là việc xây dựng nhà kính, cho phép ánh sáng từ Mặt trời chiếu vào để cung cấp năng lượng cho các nhà máy Cơ chế sinh học.
Thay vào đó, Peroni đề xuất một thiết kế cho một căn cứ sẽ cung cấp sự che chắn của chính nó trong khi tối đa hóa quyền truy cập vào cảnh quan sao Hỏa. Căn cứ này sẽ được vận chuyển lên Sao Hỏa trên một con tàu có lõi hình cầu (đường kính khoảng 300 mét (984 ft)) xung quanh đó các mô-đun cơ sở hình lục giác sẽ được sắp xếp. Thay phiên, Peroni và các đồng nghiệp của mình khuyên bạn nên tạo lõi hình trụ để chứa các mô-đun.
Tàu vũ trụ này sẽ vận chuyển các mô-đun và cư dân khỏi Trái đất (hoặc quỹ đạo cis-âm lịch) và sẽ được bảo vệ bởi cùng một loại lá chắn từ tính nhân tạo được sử dụng để bảo vệ thuộc địa. Điều này sẽ được tạo ra bởi một loạt các dây cáp điện sẽ bao bọc cấu trúc tàu tàu. Trong cuộc hành trình, tàu vũ trụ cũng sẽ quay quanh trục trung tâm của nó với tốc độ 1,5 vòng quay mỗi phút để tạo ra lực hấp dẫn khoảng 0,8 g.
Điều này sẽ đảm bảo các phi hành gia đến quỹ đạo quanh Sao Hỏa mà không phải chịu tác động thoái hóa của việc tiếp xúc với vi trọng lực - bao gồm mất mật độ cơ và xương, thị lực bị suy giảm, hệ thống miễn dịch và chức năng cơ quan bị suy giảm. Như Peroni đã giải thích nó:
Ở ranh giới của quả cầu du hành của người Hồi giáo, sẽ có các hệ thống đẩy cần thiết cho cả hành trình và vòng quay hiện đại của tàu không gian, để tạo ra trọng lực nhân tạo trong quá trình khứ hồi. Những tàu vũ trụ này đã được phát triển để tích hợp tốt hơn các yếu tố chịu tải của tàu với cấu trúc của các mô-đun. Cấu trúc ổ trục của quả cầu, cấu tạo nên thân tàu, được hình thành bởi một đường chéo hình lục giác và ngũ giác và do đó dễ dàng hơn để kết nối và tổng hợp các mô-đun, có hình dạng tương tự.
Khi ở trên quỹ đạo sao Hỏa, quả cầu tàu sẽ ngừng quay để cho phép mỗi phần tử tách ra và bắt đầu hạ xuống bề mặt sao Hỏa, sử dụng hệ thống dù, máy đẩy và sức cản không khí để làm chậm và hạ cánh. Mỗi mô-đun sẽ được trang bị bốn chân cơ giới cho phép chúng di chuyển xung quanh trên bề mặt và kết nối với các mô-đun cư trú khác khi chúng đến.
Dần dần, các mô-đun sẽ tự sắp xếp theo cấu hình hình cầu dưới một thiết bị hình xuyến. Giống như thiết bị bảo vệ tàu vũ trụ, thiết bị này sẽ được chế tạo bằng dây cáp điện cao thế tạo ra trường điện từ để che chắn các mô-đun khỏi bức xạ vũ trụ và mặt trời. Một tàu vũ trụ (như BFR do SpaceX gợi ý) cũng có thể khởi hành từ lõi trung tâm của tàu, đưa những người định cư tương lai đến hành tinh này.
Để xác định tính hiệu quả của khái niệm của họ, Peroni và các đồng nghiệp đã tiến hành tính toán số lượng và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm bằng mô hình tỷ lệ (hiển thị bên dưới). Từ đó, họ xác định rằng bộ máy có khả năng tạo ra từ trường bên ngoài 4/5 Tesla, đủ để giữ cho cư dân an toàn trước các tia vũ trụ có hại.
Đồng thời, thiết bị tạo ra một từ trường gần như không có bên trong thiết bị, điều đó có nghĩa là nó sẽ không khiến cư dân tiếp xúc với bất kỳ bức xạ điện từ nào - và do đó không gây nguy hiểm cho họ. Mỗi mô-đun, theo đề xuất của Peroni, sẽ có hình lục giác, đường kính 20 m (65,6 ft) và có đủ phòng thẳng đứng bên trong để tạo thành một không gian có thể ở được.
Mỗi mô-đun sẽ nâng cao khoảng 5 m (16,5 ft) so với mặt đất (sử dụng chân cơ giới) để cho phép gió sao Hỏa chạy trong bão cát và ngăn chặn sự tích tụ cát xung quanh các mô-đun. Điều này sẽ đảm bảo rằng chế độ xem từ bên trong các mô-đun, một thành phần quan trọng trong thiết kế Peroni, sẽ không bị cản trở.
Trên thực tế, đề xuất của Peroni, kêu gọi căn cứ mở càng nhiều càng tốt với cảnh quan xung quanh thông qua các cửa sổ và hầm trời, điều này sẽ khiến cư dân cảm thấy kết nối chặt chẽ hơn với môi trường và ngăn chặn cảm giác bị cô lập và sợ hãi. Mỗi mô-đun có trọng lượng ước tính khoảng 40-50 tấn (44-55 tấn Mỹ) trên Trái đất - hoạt động lên tới 15-19 tấn (16,5-21 tấn Mỹ) trong lực hấp dẫn của sao Hỏa.
Một số trọng lượng ban đầu sẽ bao gồm nhiên liệu cần thiết cho con cháu, sẽ được đổ ra trong quá trình hạ xuống và có nghĩa là môi trường sống thậm chí còn nhẹ hơn một khi chúng chạm tới bề mặt Sao Hỏa. Cũng giống như các thiết kế tương tự, mỗi mô-đun sẽ được phân biệt theo chức năng của chúng, với một số phục vụ như khu ngủ và các cơ sở giải trí khác, không gian xanh, phòng thí nghiệm, nhà xưởng, tái chế nước và thiết bị vệ sinh, v.v.
Điểm nhấn cuối cùng sẽ là việc xây dựng một trục công nghệ, một đường hầm có thể đi bộ được xây dựng trên mặt đất nơi đặt pin, tấm quang điện và lò phản ứng hạt nhân nhỏ. Những điều này sẽ đáp ứng nhu cầu điện đáng kể của cơ sở, bao gồm năng lượng cần thiết để duy trì từ trường. Các yếu tố khác có thể bao gồm nhà để xe và nhà kho cho các phương tiện thám hiểm, cũng như đài quan sát thiên văn.
Đề xuất này tương tự theo nhiều cách với khái niệm cơ sở Mặt trăng Solenoid mà Peroni đã trình bày ít nhất trong năm Diễn đàn và Triển lãm về Vũ trụ và Vũ trụ của AIAA. Nhân dịp này, Peroni đề xuất xây dựng một căn cứ mặt trăng bao gồm các vòm trong suốt sẽ được đặt bên trong một cấu trúc hình xuyến bao gồm các dây cáp điện cao thế.
Trong cả hai trường hợp, môi trường sống được đề xuất đều nhằm đảm bảo nhu cầu của cư dân - bao gồm không chỉ an toàn về thể chất mà còn cả sức khỏe tâm lý của họ. Nhìn về tương lai, Peroni hy vọng rằng các đề xuất của ông sẽ thúc đẩy nhiều cuộc thảo luận và nghiên cứu hơn về những thách thức đặc biệt của việc xây dựng các căn cứ ngoài thế giới. Ông cũng hy vọng sẽ thấy các khái niệm sáng tạo hơn được thiết kế để giải quyết những điều này.
Nghiên cứu sơ bộ này có thể khuyến khích [sự] phát triển trong tương lai của những lý thuyết này và nghiên cứu sâu hơn về các chủ đề và chủ đề được đề cập trong đóng góp này, rằng, tại sao không, trong tương lai sẽ [cho phép] con người thực hiện giấc mơ sống trên sao Hỏa lâu dài Những khoảng thời gian không bị bao vây dưới những chiếc lồng kim loại nặng hoặc hang đá tối, anh nói.
Rõ ràng là bất kỳ khu định cư nào được xây dựng trên Mặt trăng, Sao Hỏa hoặc xa hơn trong tương lai sẽ phải tự cung cấp phần lớn - tự sản xuất thực phẩm, nước và vật liệu xây dựng tại chỗ. Đồng thời, quá trình này và hành động của cuộc sống hàng ngày sẽ phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ. Trong các thế hệ sắp tới, sao Hỏa có khả năng là căn cứ chứng minh nơi các phương pháp sống của chúng ta trên một hành tinh khác được thử nghiệm và hiệu đính.
Trước khi chúng ta bắt đầu gửi con người đến Hành tinh Đỏ, chúng ta cần đảm bảo rằng chúng ta sẽ đưa các phương pháp tốt nhất của mình lên phía trước. Và hãy chắc chắn xem video này của cơ sở mô-đun đang được triển khai lên Sao Hỏa từ không gian, với sự giúp đỡ của Marco Peroni Ingegneria:
