L'idea di esplorare e colonizzare Marte non è mai stata così viva come oggi. Entro i prossimi due decenni, ci sono diversi piani per inviare missioni con equipaggio sul Pianeta Rosso, e anche alcuni piani molto ambiziosi per iniziare a costruire lì un insediamento permanente. Nonostante l'entusiasmo, ci sono molte sfide significative che devono essere affrontate prima di poter tentare tali sforzi.

Queste sfide, che includono gli effetti della bassa gravità sul corpo umano, radiazione, e il costo psicologico dell'essere lontani dalla Terra - diventa ancora più pronunciato quando si tratta di basi permanenti. Per affrontare questo, L'ingegnere civile Marco Peroni offre una proposta per una base marziana modulare (e un veicolo spaziale per consegnarla) che consentirebbe la colonizzazione di Marte proteggendo i suoi abitanti con schermature artificiali contro le radiazioni.

Peroni ha presentato questa proposta al 2018 American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) SPACE and Astronautics Forum and Exposition, che si è svolto dal 17 al 19 settembre ad Orlando, Florida. La presentazione è stata una delle tante che si sono svolte mercoledì, 19 settembre, il cui tema "Mars Mission Architectures".

Per dirla semplicemente, l'idea di colonizzare Marte (o qualsiasi parte del sistema solare) presenta molte sfide, sia fisiche che psicologiche. Nel caso del pianeta rosso, questi includono la sua atmosfera sottile e irrespirabile, il suo ambiente molto freddo, e il fatto che non ha campo magnetico. È quest'ultimo elemento che è particolarmente impegnativo, poiché ogni futuro colono dovrà essere protetto da una notevole quantità di radiazioni.

In breve, la quantità media di radiazioni a cui un essere umano è esposto sulla Terra è di circa 3,6 milliSieverts (mSv) all'anno, che è grazie all'atmosfera densa della Terra e al campo magnetico protettivo. Naturalmente, ciò significa che gli astronauti e le persone che si avventurano oltre la Terra sono esposti a quantità drasticamente più elevate di radiazioni solari e cosmiche.

Per garantire la salute e la sicurezza degli astronauti, La NASA ha stabilito un limite massimo di 500 mSV all'anno o da 2000 a 4000 mSV (a seconda dell'età e del sesso) nel corso della vita di un astronauta. Però, Peroni stima che a seconda di quanto tempo trascorrono al chiuso, la quantità media di radiazioni a cui sarebbe esposto un colono marziano sarebbe di circa 740 mSv all'anno. Come ha spiegato Peroni a Universe Today via email:

"La quantità di materiale per una schermatura efficace potrebbe quindi essere ben oltre ciò che è praticabile per la maggior parte delle applicazioni aerospaziali. Le pareti di alluminio della ISS, Per esempio, hanno uno spessore di circa 7 mm e sono efficaci in LEO, ma è improbabile che tali scudi siano sufficienti nello spazio interplanetario, dove potrebbero persino aumentare la dose assorbita a meno che non si addensano sostanzialmente."

Per affrontare questa minaccia, proposte precedenti hanno raccomandato la costruzione di basi con spessi strati di suolo marziano – in alcuni casi, fare affidamento sulla sinterizzazione e sulla stampa 3D per modellare una parete esterna in ceramica dura e rifugi di emergenza in caso di tempeste solari. Altre proposte hanno suggerito di costruire basi in tubi di lava stabili per fornire una schermatura naturale. Ma come ha indicato Peroni, questi presentano la loro parte di rischi.

Questi includono la quantità di materiale necessaria per creare efficaci pareti di schermatura, e la minaccia della claustrofobia. Come ha spiegato:

"Uno studio della NASA ha scoperto che una grande stazione spaziale o habitat richiedeva una schermatura di 4 t/m2 di regolite marziana (considerando che la sua densità è compresa tra 1, 000 kg/m3 in superficie a 2, 000 kg/m3 ad una profondità di pochi cm, questo corrisponde ad uno spessore di 2 m, o meno se il materiale è compattato [essendo] sinterizzato da laser), per raggiungere una dose effettiva di 2,5 mSv/a...

"Un rifugio sotterraneo può essere utilizzato anche come zona notte e per tutte quelle attività in cui non è necessario guardare all'esterno (come guardare video o godersi altri divertimenti), ma vivere sempre in strutture sotterranee può mettere a rischio la salute psicologica dei coloni (claustrofobia), diminuendo anche la loro capacità di valutare le distanze quando sono fuori dall'avamposto (difficoltà nell'eseguire compiti EVA) e può essere particolarmente negativo nel caso in cui una delle attività dell'avamposto sia il turismo spaziale. Un altro problema è la costruzione di serre, che dovrebbe consentire alla luce del sole di entrare per alimentare i meccanismi biologici delle piante".

In alternativa, Peroni suggerisce un progetto per una base che fornisca la propria schermatura massimizzando l'accesso al paesaggio marziano. Questa base sarebbe stata trasportata su Marte a bordo di una nave con un nucleo a forma di sfera (che misurava circa 300 metri (984 piedi) di diametro) attorno alla quale sarebbero stati disposti i moduli di base esagonali. In alternativa, Peroni e i suoi colleghi consigliano di creare un nucleo cilindrico per alloggiare i moduli.

Questa astronave trasporterebbe i moduli e gli abitanti dalla Terra (o dall'orbita cis-lunare), e sarebbe protetto dallo stesso tipo di scudo magnetico artificiale utilizzato per proteggere la colonia. Questo sarebbe generato da una serie di serie di cavi elettrici che avvolgerebbero la struttura della nave. Durante il viaggio, l'astronave ruoterebbe inoltre attorno al proprio asse centrale ad una velocità di 1,5 giri al minuto in modo da generare una forza di gravità di circa 0,8 g.

Ciò garantirebbe che gli astronauti arrivassero in orbita attorno a Marte senza aver subito gli effetti degenerativi dell'esposizione alla microgravità - che includono la perdita di densità muscolare e ossea, vista compromessa, diminuzione del sistema immunitario e della funzione degli organi. Come ha spiegato Peroni:

"Al confine della 'sfera viaggiante' ci saranno i sistemi di propulsione necessari sia per il viaggio che per la rotazione contemporanea della nave spaziale, per generare gravità artificiale durante il viaggio di andata e ritorno. Questi veicoli spaziali sono stati sviluppati per integrare al meglio gli elementi portanti della nave con la struttura dei moduli. La struttura portante della sfera, che costituisce il corpo della nave, è formato da una griglia esagonale e pentagonale e quindi è più facile collegare e aggregare i moduli, che hanno forme simili."

Una volta in orbita marziana, la nave-sfera smetterebbe di ruotare per consentire a ciascun elemento di staccarsi e iniziare a scendere sulla superficie marziana, utilizzando un sistema di paracadute, propulsori e resistenza dell'aria per rallentare e atterrare. Ogni modulo sarebbe dotato di quattro gambe motorizzate che consentirebbero loro di muoversi in superficie e di connettersi con gli altri moduli abitativi una volta arrivati.

Gradualmente, i moduli si disporrebbero in una configurazione sferica sotto un apparato a forma di toroide. Proprio come quello che protegge l'astronave, tale apparato sarebbe costituito da cavi elettrici ad alta tensione che generano un campo elettromagnetico per schermare i moduli dalle radiazioni cosmiche e solari. Un veicolo spaziale (come il BFR proposto da SpaceX) potrebbe anche partire dal nucleo centrale della nave, traghettando i futuri coloni sul pianeta.

Per determinare l'efficacia del loro concetto, Peroni e i suoi colleghi hanno condotto calcoli numerici ed esperimenti di laboratorio utilizzando un modello in scala (mostrato di seguito). Da questa, hanno determinato che l'apparato era in grado di generare un campo magnetico esterno di 4/5 Tesla, quanto basta per tenere gli abitanti al sicuro dai dannosi raggi cosmici.

Allo stesso tempo, l'apparato ha generato un campo magnetico quasi nullo all'interno dell'apparato, il che significa che non esporrebbe gli abitanti a nessuna radiazione elettromagnetica e quindi non rappresentava alcun pericolo per loro. Ogni modulo, secondo la proposta di Peroni, sarebbe di forma esagonale, misurare 20 m (65,6 piedi) di diametro, e avrebbe abbastanza spazio verticale all'interno per costituire uno spazio abitabile.

Ciascuno dei moduli si eleva di circa 5 m (16,5 piedi) dal suolo (utilizzando le gambe motorizzate) per consentire al vento marziano di defluire durante le tempeste di sabbia e prevenire l'accumulo di sabbia attorno ai moduli. Ciò garantirebbe che la vista dall'interno dei moduli, una componente chiave del design di Peroni, non sarebbe ostruito.

Infatti, La proposta di Peroni prevede che la base sia il più possibile aperta al paesaggio circostante attraverso finestre e volte a cielo, che farebbe sentire gli abitanti più legati all'ambiente e preverrebbe sentimenti di isolamento e claustrofobia. Ogni modulo peserebbe circa 40-50 tonnellate metriche (44-55 tonnellate statunitensi) sulla Terra, il che equivale a 15-19 tonnellate (16,5-21 tonnellate statunitensi) di gravità marziana.

Parte del peso iniziale includerebbe il carburante necessario per la discesa, che sarebbe sparso durante la discesa e significherebbe che gli habitat erano ancora più leggeri una volta raggiunta la superficie di Marte. Come con modelli simili, ogni modulo sarebbe differenziato in base alla sua funzione, con alcuni che servono come dormitori e altri come strutture ricreative, spazi verdi, laboratori, laboratori, impianti di riciclo dell'acqua e servizi igienico-sanitari, eccetera.

Il tocco finale sarà la costruzione di un "asse tecnologico, "un tunnel calpestabile costruito fuori terra dove batterie, sarebbero stazionati pannelli fotovoltaici e piccoli reattori nucleari. Questi soddisferebbero le considerevoli esigenze elettriche della base, che includono la potenza necessaria per mantenere il campo magnetico. Altri elementi potrebbero includere garage e magazzini per veicoli di esplorazione, nonché un osservatorio astronomico.

Questa proposta è simile in molti modi al concetto di Solenoide Moon-base che Peroni ha presentato almeno un anno all'AIAA Space and Astronautics Forum and Exposition. In questa occasione, Peroni propose di costruire una base lunare costituita da cupole trasparenti che sarebbero state racchiuse all'interno di una struttura a forma di toroide costituita da cavi dell'alta tensione.

In entrambi i casi, gli habitat proposti mirano a garantire i bisogni dei loro abitanti, che includono non solo la loro sicurezza fisica, ma anche il loro benessere psicologico. Guardando al futuro, Peroni spera che le sue proposte favoriscano più discussioni e ricerche sulle particolari sfide della costruzione di basi fuori dal mondo. Spera anche di vedere concetti più innovativi progettati per affrontarli.

"Questa ricerca preliminare può incoraggiare [il] futuro sviluppo di queste teorie e uno studio più approfondito su temi e argomenti trattati in questo contributo, Quello, perchè no, in futuro [consentirà] agli umani di realizzare il sogno di vivere su Marte per lunghi periodi senza essere rinchiusi sotto pesanti gabbie di metallo o caverne di roccia scura, " Egli ha detto.

È chiaro che qualsiasi insediamento costruito sulla Luna, Marte, o oltre in futuro dovranno essere in gran parte autosufficienti, producendo il proprio cibo, acqua, e materiali da costruzione in loco. Allo stesso tempo, questo processo e l'atto della vita quotidiana dipenderanno fortemente dalla tecnologia. Nelle prossime generazioni, È probabile che Marte sia il banco di prova in cui i nostri metodi per vivere su un altro pianeta vengono testati e controllati.

Prima di iniziare a inviare umani sul Pianeta Rosso, dobbiamo assicurarci di proporre i nostri metodi migliori.