Propuesta de asentamiento en Marte por Archimars, de la Universidad Politécnica de Bari

La tesis Hive Mars planteada por licenciados de la Universidad Politécnica de Bari en colaboración con el departamento del SICSA (Sasakawa: Centro Internacional para la Arquitectura Espacial) plantea retos de supervivencia y de obtención de recursos en un ambiente hostil que pueden ser motor y matriz de soluciones habitacionales para la Tierra.

Hive Mars es la primera tesis de investigación llevada a cabo en Italia bajo el tema de la Arquitectura Espacial, en concreto, la arquitectura planetaria en Marte, realizada por el equipo Archimars, compuesto por los recién graduados de las Politécnica de Bari Alessandro Angione, Federica Buono, Ivana Fuscello, Isabella Paradiso, Mirha Vlahovljak y Hana Zeçevic, dirigida por el profesor y arquitecto Giuseppe Fallacara y el arquitecto espacial Vittorio Netti. La propuesta del equipo Archimars está basada en los estudios y desafíos presentados por la NASA con el objetivo de avanzar en el campo tecnológico para crear soluciones habitacionales sostenibles para la Tierra y otros lugares.

El equipo encargado de la investigación presenta el trabajo: Hemos elegido realizar una tesis sobre la arquitectura planetaria en Marte porque estamos fascinados con un tema que se nos presenta cada vez con más intensidad y más frecuencia ante nosotros. El marco de la crisis del cambio climático, está empujando a muchos arquitectos e investigadores a presentar ideas basadas en entornos extremos, como por ejemplo, hacer habitables los océanos o los planetas del Sistema Solar, como la Luna o Marte. El próximo Rover Mars Perseverance y los numerosos desafíos de diseño desarrollados por las agencias espaciales como la NASA y la ESA, nos han empujado a desarrollar este apartado también en Italia, que en mitad de una pandemia global, puede ofrecer reflexiones y perspectivas aplicables al planeta Tierra.

Para nuestra Universidad, esta investigación fue muy importante porque gracias a la colaboración de Vittorio Netti de la Universidad SICSA de Houston, fuimos de las primeras universidades en comenzar a trabajar sobre Arquitectura Espacial, lo que nos dio la oportunidad de interactuar con muchas personas competentes en las numerosas disciplinas, internas y externas de la Politécnica italiana e internacional.

Arquitectura de la misión en Marte

Antes de mostrar nuestra propuesta de “puesto de avanzada”, se ha llevado a cabo un diagrama de arquitectura de la misión que representa las diferentes fases de lanzamiento, viaje y aterrizaje. La arquitectura de la misión para la permanencia humana a largo plazo, señala dos fases principales: la primera, lanzada probablemente en julio de 2030, en la nave espacial Big Falcon, que será utilizada para transportar todos los recursos de superficie, esenciales para preparar el lugar antes de la llegada del hombre. La segunda fase que espera ser lanzada en septiembre del año 2035, en la nave SLS BLOCK 1B, que transportará la primera tripulación de ocho personas a Marte, cuya estancia durará al menos 680 soles.

Recursos de superficie

Los recursos de superficie se utilizan para mover, almacenar, proteger, asegurar y controlar una misión de larga duración en Marte. Estos materiales se traen desde la Tierra en la primera fase de la misión y son destinados a exploración, preparación y construcción de la base.

Recursos móviles

Además del diseño de la primera base marciana con sus módulos habitables, nuestro equipó se concentró en la secuencia de construcción diseñando los elementos necesarios para ello. De hecho, un rol importante lo juegan las Bee Family Rovers (la familia de abejas Rovers) que representa a toda la maquinas automatizadas, especialmente diseñada por el equipo Archimars.

El diseño de cada máquina está inspirado en insectos pertenecientes a la familia de las Apidae (abejas) y cada uno de ellos juega un papel antes, durante y después de la construcción del emplazamiento. Estas Bee Family Rover consisten en ocho máquinas: Spider Explorer (la araña exploradora), diseñada para explorar y analizar cada parte del emplazamiento; Bee Flattener (abeja aplanadora), que tiene la misión de nivelar toda el área de construcción para evitar desniveles en el terreno que supongan un riesgo para Rovers y humanos; Bee Excavator (abeja excavadora), que tiene el objetivo de excavar y recolectar la capa mineral superficial –regolito– de la que se obtiene los recursos necesarios; Bee Transporter (abeja transportadora), usada para transportar el material a través de un órgano interno; Bee Procesor (abeja procesadora), que tiene la función de transformar el regolito en material para la construcción; Bee Printer (abeja impresora), una impresora con un brazo mecánico de tres ejes capaz de construir la concha exterior de los módulos habitables; Bee Lifter (abeja elevadora, impulsora, levantadora), su labor es elevar, transportar y colocar artículos traídos desde la Tierra; Archimars Pressurized Rover, que será utilizado para todas las exploraciones de la superficie marciana durante la estancia de la tripulación.

Vehículo Bee Printer (abeja impresora), una impresora con un brazo mecánico de tres ejes capaz de construir la concha exterior de los módulos habitables.

Infraestructura para el asentamiento marciano

Para hacer el asentamiento autosuficiente, los siguientes componentes serán transportados desde la Tierra:

-Paneles solares y reactor Kilopower (reactor nuclear para misiones interplanetarias), cada uno con una potencia de 10 KW para la producción de energía.

-Reactor Sabatier, reactor de absorción de vapor de agua (WAVAR) y experimento de utilización de recursos in situ de oxígeno en Marte (MOXIE), todos los elementos que se necesitan para la producción de agua y oxígeno en Marte: todos los días un tripulante necesita cerca de 3,52 kg de agua y sobre 0,84 kg de oxígeno.

-Materiales prefabricados para el almacenamiento de agua, oxígeno y combustible.

Elementos prefabricados para construir el hábitat

Algunos de los componentes para construir el hábitat deben ser fabricados, ensamblados y probados antes en la Tierra para comprobar su exactitud y precisión, asegurando así, la vida humana sobre el planeta Marte. Los componentes prefabricados de los que hablamos son:

-Módulos habitables inflables y desplegables a un tiempo para todo tipo de actividades humanas.

-Esclusas y sistemas de conexión estancas, elementos cilíndricos desplegables que conectarán unos con otros los módulos habitables o con el entorno exterior.

-Ventanas, elementos prefabricados y premontados en forma romboide.

La construcción del ISRU y la tecnología en 3D

Para reducir los costes de masa y lanzamiento, la misión prevé el uso extensivo de materias primas locales (ISRU: In-Situ Resource Utilization), tanto en la producción de los recursos necesarios para el mantenimiento de la base (agua, oxígeno, energía) como para la producción de material de construcción, obtenido principalmente por el uso del regolito marciano que caracteriza la capa superficial de la corteza de este planeta. La 'tinta' impresora se obtiene de este material, que consiste en tres componentes principales: el polvo, que ocupa el 70% del mortero; PLGA, aglutinante elastomérico biodegradable, que ocupa el 25-30 % del volumen, y la mezcla de solventes disponibles en el lugar, que ocupan la parte restante del volumen del mortero. La mezcla solventes incluye: gran cantidad del solvente volátil diclorometano (DCM), pequeñas cantidades de 2-butoxyethanol (2-Bu), un surfactante que mitiga y cancela la electrostática y las interacciones estéricas entre las partículas en suspensión, el ftalato de dibutilo (DBP), un plastificante que mejora las propiedades de flujo del disuelto PLGA e inhibe aún más la interacción de las partículas durante el flujo. Después del espesamiento, mediante la evaporación del exceso de DCM, se obtiene una consistencia imprimible en 3D a una velocidad de deposición lineal de 1-1500 mm/s.

Vehículo Bee Procesor (abeja procesadora), que tiene la función de transformar el regolito en material para la construcción.

Todo el proceso de transformación del regolito en mortero imprimible o cemento marciano se lleva a cabo dentro del Rover Bee Processor y luego se transfiere al Rover 3D Printer, que procede con la impresión de la estructura externa. El principio aditivo utilizado libera el material por capas. El Rover está equipado con un brazo mecánico ajustado a través de un mecanismo de control numérico y realiza dos tipos de movimientos: uno circular a lo largo de los ejes x e y, y uno vertical a lo largo del eje z, siguiendo la deposición de las distintas capas. La boquilla, ubicada en el extremo superior del brazo, tiene un diámetro de 0,14 m y se calienta para poder disolver el mortero en regolito.

El proyecto de tres módulos habitacionales

El asentamiento sigue un desarrollo lineal que se caracteriza por un camino principal como eje que conecta las dos áreas de aterrizaje con el hábitat y está dominado por el área de producción del ISRU y el área de producción de energía.

El lugar en condiciones de ser habitado consiste en un hangar que protege al Archimars Pressurized Rover y tres módulos habitacionales. Cada uno de estos módulos es de un tipo híbrido: “tipo clase 2”, que se imprime en 3D, utilizado para la estructura de protección externa, que se integra con un tipo de “clase 3”, inflable y desplegable, utilizado para el módulo interno que resultó ser el más adecuado en cuanto a ahorro de costes, tiempo y comodidad.

El diseño de la estructura externa del módulo de habitable tiene una sección ojival truncada en la parte superior, debido a la tecnología constructiva que ha sido utilizada, que no permite cerrar adecuadamente el extremo superior de la cúpula y no genera apoyos, soportes, durante la fase de impresión.

Una vez iniciada la excavación de la zona de cimentación se procede a la impresión por capas. Después de ser impresa la base, se continúa con la impresión de la estructura ojival externa. La interrupción de la impresión permite insertar las esclusas de conexión y las ventanas, dispuestas sobre ejes de 120º alternos. Una vez se completa la construcción, el vehículo Bee Lifter inserta el módulo habitable inflable por la cavidad superior para su desplegado. Una vez finalizado el proceso el módulo habitable queda cerrado en la parte superior por un tragaluz, una forma piramidal truncada que sella herméticamente el interior.

Por lo tanto, se obtiene una estructura abovedada autoportante de unos 800 m3, cuyo muro tiene una superficie lisa en el interior y una parte exterior modelada mediante un software de modelado paramétrico, que responde a la necesidad de autosombreado y retención de polvo que con el tiempo endurece la estructura. La carga de incidencia sobre los cimientos a considerar en la superficie marciana es de 77 kN/m2, equivalente a un tercio de su valencia en la Tierra.

El hábitat interno “clase 2” se caracteriza por una estructura interna en acero desplegable y una estructura inflable externa en forma de huevo que es ventajosa en términos de flexibilidad en el diseño interno, manejo de tensiones térmicas y distribución uniforme de la presión interna y externa. El material de la membrana externa del hábitat interno es PTFE.

Una vez que el Rover Bee Lifter baja el módulo inflable cerrado desde arriba hacia la cúpula, comienza su inflado y despliegue. Las bombas de aire integradas proceden primero con la presurización y luego con el inflado del módulo con aire marciano filtrado. Al mismo tiempo, hay un primer despliegue ascendente automatizado de la estructura interna de acero. Primero de un sistema rígido central, luego nivel por nivel, seguido con el despliegue de los pilares.

Rénder del área de investigación

Rénder de habitación.

Una vez desplegado el módulo habitable, ocupa casi todo el volumen interior de la cúpula exterior, con una carga de incidencia sobre los cimientos igual a 36 kN/m2. Está dividido en tres niveles conectados entre sí por un núcleo central.

Planta baja

Planta primera

Planta segunda

El primer nivel cuenta con tres esclusas que permiten la conexión de cada módulo con otros tres módulos, que a su vez pueden conectarse con muchos módulos habitados, de forma infinita. Por lo tanto, la naturaleza serial de los hábitats permite que todo el asentamiento se expanda teselando el espacio en hexágonos que se asemejan a la forma de una colmena, que es la idea fundamental de todo el proyecto Hive Mars.

El propósito del Laboratorio de Tesis de Diseño Arquitectónico, nacido de la colaboración entre la Politécnica de Bari y el departamento del SICSA ( Sasakawa: Centro Internacional para la Arquitectura Espacial), es desarrollar la disciplina comenzando por un contexto nacional, local a través del canal homónimo de You Tube Archi Mars, donde se recogen las conferencias impartidas de varios especialistas en la materia, las plataformas sociales como facebook e instagram y la futura publicación de un libro de investigación liderado por el equipo disciplinar.

Traducción: Jesús González de Miguel.