روزی، بسیاری از مردم امیدوارند که انسان ها به مریخ سفر کنند. سازمان ملی هوانوردی و فضایی ایالات متحده (ناسا) برنامه هایی برای ماموریتی به این سیاره در دهه 2030 دارد و ایلان ماسک، کارآفرین می گوید که شرکت اسپیس ایکس او تا سال 2024 می تواند این کار را انجام دهد. اگر مردم موفق به ایجاد یک پاسگاه در مریخ شوند، این کار را انجام خواهند داد؛ اما نیاز به ساخت مکانی برای زندگی، خواب و کار فضانوردان است.
اما حمل و نقل مصالح ساختمانی در 225 میلیون کیلومتر فضا – میانگین فاصله بین زمین و مریخ – یک کابوس خواهد بود. رابرت پی مولر، فن‌شناس ارشد می‌گوید: پرتاب یک کیلوگرم ماده به مدار زمین حدود 4000 دلار هزینه دارد و ارسال آن به مریخ چندین برابر این مقدار است، بنابراین تلاش برای ارسال تن‌های بتن از نظر مالی مخرب و از نظر لجستیکی بسیار دشوار خواهد بود. توسعه محصولات پیشرفته در Swamp Works انجام می گیرد که یک آزمایشگاه نوآوری که او در مرکز فضایی کندی ناسا تأسیس کرد.
هر ساکن جدید سیاره سرخ باید کاری را انجام دهد که استعمارگران همیشه انجام داده اند: از موادی که در دست دارند برای ساختن پناهگاه ها استفاده کنند. در مریخ، این ماده سنگ است، یک لایه سنگ گرد و غبار و پودر شده که در طول میلیاردها سال در سراسر منظومه شمسی در اثر برخورد سیارک ها رسوب کرده است. مولر می‌گوید: «این یک ماده ساختمانی آماده، یعنی همان سنگ خرد شده، است که روی سطح سیاره نشسته است. تنها کاری که ما باید انجام دهیم این است که فناوری را توسعه دهیم تا از آن مجموعه ای که از قبل وجود دارد استفاده کنیم و به نحوی آن را به هم متصل کنیم. این هدف تیم هایی است که روش های مختلفی را برای تبدیل مواد به ماده ای مناسب برای چاپ سه بعدی امتحان می کنند.
این تکنیک ساخت، که اشیاء را با قرار دادن لایه به لایه مواد ایجاد می‌کند، به ناسا اجازه می‌دهد تا ربات‌ها را جلوتر از هر مستعمره نشینی برای پیش ساخت زیستگاه بفرستد. چاپ سه بعدی همچنین می تواند ساختارهایی با اشکال و نازکی ایجاد کند که ممکن است با تکنیک های استاندارد ریختن بتن امکان پذیر نباشد. بخشی از چالش، توسعه مصالح ساختمانی است که قابل چاپ سه بعدی باشد، منظور از نظر قوام و زمان سخت شدن است، و بتواند ساختارهای پایداری ایجاد کند.
تعداد انگشت شماری از محققان قبلاً نشان داده اند که احتمالاً می توانند خاک قرمز مریخ را به مواد ساختمانی محکم تبدیل کنند. برخی از آنها توسط چالش زیستگاه چاپ سه بعدی ناسا تحریک شده اند، که مولر به راه اندازی آن کمک کرد. این چالش 2.5 میلیون دلار جایزه برای تشویق دانشمندان صنعتی و دانشگاهی به کشف راه‌های ساخت و ساز در مریخ ارائه می‌کند. فاز اول به دنبال مفاهیم جدید معماری بود که از چاپ سه بعدی بهره می برد، و مرحله دوم جوایزی را در ماه آگوست به پنج تیمی که تیرها و اشکال دیگر را از یک شبیه ساز سنگ سنگی چاپ کردند، اهدا کرد. مرحله سوم تازه شروع شد.
هنوز راه درازی در پیش است، اما ساختن خانه‌هایی از خاک مریخ ممکن است برای همیشه موضوع علمی تخیلی نباشد.
در زمین، سازندگان بیشتر با بتن کار می کنند. این ماده معمولاً از سنگ یا ماسه خرد شده مخلوط با سیمان پرتلند و آب تشکیل شده است. سیمان، ساخته شده از سنگ آهک و خاک رس که با هم گرم شده اند، با آب واکنش می دهد و خمیری تشکیل می دهد که سنگ ها را می چسبد و با سخت شدن قوی تر می شود.
محققان معتقدند سنگ موجود در مریخ می تواند جایگزینی برای اجزای بتنی باشد. مریخ نوردها از کروماتوگرافی گازی، طیف سنجی جرمی و طیف سنجی لیزری برای تعیین ترکیب خاک مریخ استفاده کرده اند. سنگ مریخ بیشتر از دی اکسید سیلیکون و اکسید آهن تشکیل شده است و مقدار مناسبی از اکسید آلومینیوم، اکسید کلسیم و اکسید گوگرد دارد. این ترکیب از مکانی به مکان دیگر در سطح این سیاره به دلیل تنوع در برخورد سیارک ها و هوازدگی توسط باد و آب، در اقیانوس های باستانی و در برخی جریان های آب مدرن متفاوت است. اما هیچ فضاپیمائی با نمونه های واقعی از مواد به زمین بازنگشته است.
بنابراین دانشمندان مرکز فضایی جانسون ناسا از داده‌های مریخ نورد برای توسعه شبیه‌ساز JSC Mars-1a استفاده کرده‌اند، مخلوطی از مواد معدنی زمین که برای مطابقت با ترکیب و اندازه ذرات خاک مریخ طراحی شده است. دانشمندان از این پایه سنگی برای آزمایش مصالح ساختمانی جدید استفاده کرده اند.
JSC Mars-1a از بازالت جمع آوری شده از آتشفشان در هاوایی ساخته شده است. در همین حال، مولر از یک شبیه‌ساز سنگی دیگر به نام BP-1 استفاده می‌کند. این ماده از بازالت خرد شده متفاوتی از جریان گدازه نقطه سیاه در شمال فلگستاف آریز ساخته شده است. بسته به کاری که محققان انجام می دهند، شبیه ساز را بر اساس خواص کانی شناسی، توزیع اندازه ذرات یا سایر کیفیت های آن انتخاب می کنند.
یو کیائو، استاد مهندسی سازه در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، می گوید که JSC Mars-1a یک کپی بسیار نزدیک از خاک مریخ است. این شبیه ساز 43.48 درصد دی اکسید سیلیکون و 16.08 درصد اکسید آهن از نظر وزن است، در مقایسه با مقادیر متوسط اندازه گیری شده در مریخ 45.41 درصد دی اکسید سیلیکون و 16.73 درصد اکسید آهن. کیائو می‌خواهد ببیند که آیا می‌تواند بر اساس اندازه‌گیری‌های جدیدتر جمع‌آوری‌شده توسط مریخ‌نوردها، که پرکلرات‌ها را در خاک پیدا کرده‌اند، یک ماکت حتی بهتر ارائه کند. او می خواهد ببیند آیا پرکلرات ها رفتار موادی را که آزمایش می کند تغییر می دهند یا خیر. او می گوید: «ما نه تنها خود خاک را در نظر می گیریم، بلکه باید ناخالصی ها را نیز در نظر بگیریم.»
قدرت گوگرد
بر روی زمین، بتن به لطف ترکیب شیمیایی سیمان که از سنگ آهک و آب تشکیل شده است، درمان و تقویت می شود. با این حال، بیشتر سنگ آهک روی زمین توسط موجودات دریایی تشکیل شده است که مریخ هرگز نداشته است. خاک مریخ دارای کلسیم و کربن موجود در سنگ آهک است، اما عناصر در سراسر سیاره پراکنده هستند. و مریخ آب دارد اما فراوان نیست. جیانلوکا کوزاتیس، استاد مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه نورث وسترن می‌گوید: «زمان زیادی طول می‌کشد تا بتوانیم در سیاره دیگری سیمان تولید کنیم».
مریخ گوگرد زیادی در خاک خود دارد و گوگرد مذاب برای چسباندن مقداری بتن روی زمین استفاده شده است.
دانش‌آموزان برای آزمایش امکان استفاده از آن، در آزمایشگاه کوزاتیس، گوگرد را ذوب کرده و با JSC Mars-1a به نسبت 1:3 مخلوط کرد، همان دستوری که برای بتن گوگردی روی زمین استفاده می‌شود. سپس بتن را تحت آزمایشات استاندارد مقاومت آن تحت فشار، خمش و شکافتن قرار داد.
با استفاده از شن و ماسه زمین، این دستور العمل استحکام فشاری حدود 30 مگا پاسکال، مشابه بتن پایه سیمانی، تولید می کند. کوزاتیس می‌گوید، اما بتن شبیه سازی شده مریخ بسیار ضعیف‌تر بود، که ممکن است به دلیل متخلخل‌تر بودن این ماده نسبت به نسخه زمین باشد. بتن متخلخل بیشتر معمولاً نتیجه ذرات بزرگتر در ماسه است.
وان وندنر، محققی در دانشگاه منابع طبیعی و علوم زیستی، وین، و همکارانش ترکیبی از گوگرد به شن و ماسه به نسبت 1:1 را امتحان کردند و این مخلوط را فشرده کردند تا دانه‌ها را شکسته و حباب‌های هوا را خارج کنند. مقاومت بتن 60 مگاپاسکال بود که دو برابر بتن استاندارد استحکام داشت. بتن مبتنی بر گوگرد نیز در مدت زمانی که طول می کشد تا مخلوط سرد شود، به سرعت سخت می شود. بتن معمولی 28 روز طول می کشد تا به طور کامل عمل کند و استحکام کامل خود را به دست آورد. Cusatis می گوید که تنظیم سریع ممکن است یک مزیت برای چاپ سه بعدی باشد، زیرا به این معنی است که هر لایه از ماده تقریباً بلافاصله به اندازه کافی قوی می شود تا لایه چاپ شده را روی آن نگه دارد.
کوزاتیس نمی توانست استحکام اضافی بتن مریخی را توضیح دهد، بنابراین سعی کرد اندازه دانه های خاک را تغییر دهد تا ببیند آیا این تفاوت ایجاد می کند یا خیر. این کار را انجام داد، اما به اندازه کافی برای افزایش دو برابری قدرت کافی نبود. او فکر می کند که گوگرد ممکن است با فلزات موجود در سنگ، به ویژه اکسید آهن که به خاک مریخ رنگ مشخصه قرمز-نارنجی آن را می دهد، واکنش نشان دهد تا پیوندهای شیمیایی درون ماده ایجاد کند.
با این حال، بتن گوگردی مریخی دارای معایبی است. مانند بتن استاندارد، مقاومت کششی ضعیفی دارد و به راحتی تحت بار ترک می خورد. در زمین، سازندگان این مشکل را با تقویت بتن سازه ای با میلگرد فولادی حل می کنند، اما مشخص نیست چه نوع میلگردی را می توان در مریخ ساخت. و یکی از دلایلی که گوگرد به طور گسترده در زمین به عنوان چسب استفاده نمی شود این است که در برابر حرارت مقاوم نیست. اگر ساختمانی آتش بگیرد، گوگرد ذوب می‌شود و بتن از هم می‌پاشد. شاید، کوزاتیس پیشنهاد می کند، بتن گوگردی می تواند به عنوان یک ماده هسته ای عمل کند که استحکام را فراهم می کند و در چیزی نسوز محصور شده است.
یک مشکل دیگر برای استفاده از آن در مصالح ساختمانی وجود دارد. کوزاتیس می گوید: «گوگرد بوی بدی دارد. مطمئناً نمی خواهید بوی گوگرد را در خانه خود داشته باشید.» ممکن است لازم باشد که بتن را با چیزی بپوشانید تا بو را محدود کند.
در آزمایشگاه مولر در ناسا، محققان در حال آزمایش پلیمرها به عنوان یک اتصال دهنده برای سنگ سنگ هستند. مولر می گوید باید بتوان پلیمرهایی مانند پلی اتیلن با چگالی بالا را در مریخ با استفاده از دی اکسید کربن موجود در جو و هیدروژن از آب موجود در خاک تولید کرد. آزمایشگاه او با یک چاپگر سه بعدی، گنبدی به قطر 1 متر از بتن شبیه سازی شده مریخ خود ساخت تا نشان دهد که امیدوارند در مقیاس بزرگتر چه کاری انجام دهند. مولر می گوید البته چاپ سه بعدی با بتن چالش برانگیز است. مواد ته نشین شده باید به اندازه کافی ضخیم باشد تا شکل خود را در طول فرآیند چاپ حفظ کند، اما به اندازه کافی نازک باشد که دستگاه را مسدود نکند یا آنقدر سریع خشک نشود که ترک نخورد. او می گوید: «ترفند این است که ماده ای را بدست آوریم که قوام مناسبی داشته باشد تا بتوان آن را اکسترود کرد و درمان کرد.
مولر می‌خواهد در نهایت از چسب پلیمری صرف نظر کند و در عوض خاک را با تف جوشی سخت کند؛ یعنی حرارت دادن و فشرده کردن آن تا زمانی که جامد شود. این باید با استفاده از پرتو لیزر، متمرکز کننده خورشیدی یا سیستم مایکروویو امکان پذیر باشد. اما تا زمانی که محققان این فناوری را توسعه دهند، از چسب پلیمری برای آزمایش ایده های چاپ سه بعدی خود استفاده می کنند.
یک ایده مهیج
پیشنهاد دیگری برای مصالح ساختمانی مریخی، یک کلاسور را به کلی حذف می کند. Qiao از UCSD کشف کرد که می تواند یک شبیه ساز سنگی را با فشرده سازی سریع مواد به آجر تبدیل کند. خاک مملو از اکسید آهن و ذرات اکسی هیدروکسید به قطر 25 تا 45 میکرومتر است. کیائو می‌گوید: «اگر دانه‌های خاک را با فشار کافی فشرده کنید، نانوذرات اکسید آهن را می‌شکافید.»
شکستگی باعث می شود که نانوذرات سطوح تمیز و صافی داشته باشند. تحت فشار بیشتر، آنها می چرخند به طوری که وجوه ریز و تازه شکافته شده به یکدیگر فشار می آورند و یک پیوند را تشکیل می دهند. کیائو معتقد است که نانوذرات از طریق ترکیبی از نیروهای واندروالس و پیوندهای اتمی به یکدیگر متصل می‌شوند، اگرچه او این فرض را آزمایش نکرده است. علاوه بر این، اتصال فقط در حدود یک میلی ثانیه تحت فشار 400 مگاپاسکال اتفاق می‌افتد. کیائو می‌گوید که این تقریباً همان مقدار فشاری است که با انداختن چکش روی خاک ایجاد می‌شود. و این در اصل کاری است که تیم او انجام داد.
نوع دیگری از خاک رایج در مریخ، مواد رسوبی و رسی است که در اقیانوس های باستانی تشکیل شده است. ترکیب شیمیایی آن مشابه سنگ سنگ‌های دیگر است، اما هوازدگی مدت‌ها قبل توسط آب به این معنی است که ساختاری ریزدانه و بدون نانوذرات و بار سطحی الکترواستاتیک دارد. کیائو دریافت که فشرده کردن لایه‌های ماکت این خاک رس خشک مریخ تحت فشار بالا نیز یک ماده جامد ایجاد می‌کند. لایه های خاک رس به طور طبیعی تحت فشار قرار گرفتند به طوری که نیروهای الکترواستاتیک آنها را در کنار هم نگه می داشتند. اما به جای برخورد سریع با مواد، محققان به آرامی لایه های خاک رس را به هم فشرده کردند. کیائو می‌گوید که این دو خاک «مواد جامد قوی مشابه» تولید می‌کنند.
با این حال، هنوز راه زیادی در پیش است، دانشمندان خاک شبیه سازی شده مریخ را آزمایش می کنند تا ساختن ساختمان های قابل سکونت در سیاره ای دیگر را امکان پذیر کنند. مرحله سوم چالش زیستگاه پرینت سه بعدی ناسا، که شرکت کنندگان را ملزم به پرینت سه بعدی یک مدل مقیاس از زیستگاه پیشنهادی می کند، در نوامبر اعلام شد. مولر امیدوار است که این مسابقه به پیشرفت این رشته ادامه دهد. مولر می‌گوید، با این حال، در این مرحله، هدف این کار اثبات دوام این فناوری است تا برنامه‌ریزی برای یک مأموریت خاص.