Проектиране на база на Марс

Снимка на Кен Трелоар на Unsplash

Нека си представим работеща колония на Марс от хиляда души. Как може да бъде икономически изгодно? Не може да изнася руди на Земята - транспортните разходи са твърде големи - и не може да изнася храна или нещо друго тежко. И все пак трябва да печели пари от Земята. Вероятно ще го направи под формата на туризъм и изследвания - нищо друго не изглежда практично. В резултат градът трябва да е кацнал на ръба на каньон или друга забележителна гледка и в близост до интересни изследователски зони.

В крайна сметка градът иска да внесе от Земята възможно най-минималната маса материали. Концептуално той иска да произвежда собствена храна, въздух и строителни материали и да внася компютърни чипове (които не тежат почти нищо и изискват огромни фабрики за производство.) Той иска да роботизира земеделието и добива и производството, защото хората изискват скъпа храна и квартира, докато роботите се нуждаят само от енергия и поддръжка. Така материалите ще се произвеждат от самоходни товарачи, камиони и плавилни машини; производството ще бъде от 3-D принтери, лазери и фрези; сглобяване от роботи; и поправка от роботи и случайни хора. Селското стопанство ще се извършва чрез специализирани роботи за плевене, засаждане и прибиране на реколтата. Хората, подпомагани от мощния ИИ, ще планират и организират тези дейности и ще извършват изследвания.

Останалата част от настоящата статия се занимава с необходимата площ на оранжериите и техния дизайн, както и с разширени конструкции за жилища и фабрики и необходимия ядрен генератор, но не се отнася до топенето или производството.

Елон Мъск възнамерява да постави хората на Марс през 2024 г. и да пусне колония няколко години по-късно, така че е навременно

за определяне на основните параметри на такова предприятие. Какъв размер на оранжериите е необходим, какво тегло на тора, колко структурен материал на оранжерия, каква маса на изолация и радиационна защита и т.н.? Тази хартия е първи разрез при такива изчисления, но други трябва да попълнят подробностите.

Предполага се, че на Марс са намерени напоителни води и торове (фосфати и др.) И че погребаните структури ще осигурят достатъчно защита от радиация. Включен е дизайн на ядрен генератор 2kW на глава от населението, любезно на Франк Уилямс.

До първо приближение общата маса на мисията е пропорционална на човешката маса, така че много малки хора трябва да съставят екипажа. Тоест гимнастичките от сто килограма ще ядат по-малко храна, ще изискват по-малки превозни средства и квартали и ще мислят точно толкова, колкото и триста килограма футболен лайнер. Следователно ще бъдат избрани малки, подходящи, умни хора. Те се нуждаят само от около 1600 калории на ден. (1) (Това не е използвано в изчисленията по-долу, но обещава за намаляване на размера на оранжериите.)

Размер на колонията

F.B. Солсбъри обсъжда експерименти, направени от неговата лаборатория и един в Съветския съюз с използване на пшеница джудже. (2) Той заключи, че "... само около 15 м² растежна площ на растенията ще трябва да осигури адекватно хранене на един член на екипажа, ако този член на екипажа има желание не яжте нищо освен пшеница! С добавка на други

културите плюс коефициент на безопасност трябва да са достатъчни 50 м². “За 1000 колонисти около 50 000 м² или 500 000 фута

ще са необходими. Това изглежда ниско, така че се прилага допълнителен коефициент от четири, довеждайки цифрата до 2 000 000 фута. Жилищните помещения, лаборатории и пешеходни пътеки се изчисляват, че изискват 1000 фута на глава от населението или 1 000 000 фута за хиляда. Така общата покрита площ достига 3 000 000 фута.

Културите произвеждат достатъчно кислород за колонистите да дишат. Солсбъри отчита за съветския

Биос 3 експеримент (2 p152), че има трима членове на екипажа и три отделения общо

63 м² и са засадени със зеленчуци, „... което осигурява възможност за регенериране на въздух“.

Може да се окаже, че марсианската почва е по-малко плодородна от земната, така че тези числа трябва да се увеличат, но този документ ще използва 3 000 000 фута за предварително оразмеряване. Това е квадрат от 1700 фута отстрани, около шест градски блока по 300 фута, разумно разстояние за колонистите да ходят. Колония от милион ще бъде на десет мили квадрат, така че колонистите ще се нуждаят от велосипеди.

Основен дизайн на марсианска оранжерия

Фигура 1. Общ дизайн

Марс е студен, така че растенията ще замръзнат в пластмасова оранжерия на повърхността. Един от начините да се предотврати това е да се покрият къщите с непрозрачна изолация и да се използва ядрена енергия за пускане на светлини, но по-добрият начин е погребването

къщата с изключение на прозрачна ивица по върха и използвайте алуминизирани миларни огледала, за да отразявате концентрирана слънчева светлина по протежение на лентата. Миларни отражатели с ниска маса могат да разпръснат светлината равномерно върху растенията.

Въздухът трябва да се задържа от пластмасовите мембрани и дебелината е сведена до минимум, като диаметърът на тръбните къщи е възможно най-малък, например 16 фута, както е показано по-долу. Това свежда до минимум масата, която трябва да бъде донесена от Земята.

Структурен дизайн

Важният момент е, че теглото на материала в оранжерийната мембрана за покриване на същата площ е пропорционално на радиуса на тръбата. Тоест, въпреки че те ще покриват една и съща зона, една тръба с диаметър 32 фута ще тежи два пъти повече две тръби с диаметър 16 фута. Това тегло трябва да бъде повдигнато на Марс от астронавтите, а материалът трябва да бъде транспортиран до Марс с огромни разходи, така че е желателно да се сведе до минимум. Следователно диаметърът на тръбата трябва да бъде минимално възможен, при условие че е достатъчно голям, за да могат да преминават астронавтите (плюс може би няколко фута за психологически ефекти).

Ето доказателството, че обемът и масата на материала се увеличават с диаметъра на тръбата. Помислете за две структури, покриващи една и съща педя, и всяка разширяваща по една единица в хартия. Единият има единична тръба, диаметър D; другата има n тръби, диаметър D / n всяка.

Фигура 2.

Площта на двете системи е една и съща. Площта с единичен педя е 1 (единица в хартията) x D / 2 = D / 2

Units2. Площта с много педя е (на педя) 1 единица в хартия x D / 2n = D / 2 x 1 / n. Но има n единици, така че общата площ е D / 2 x 1 / n x n = D / 2 - идентично същата област като единичната педя. По този начин площта на

пластмасата, необходима за покриване на една и съща земна площ, е една и съща, независимо от броя на педя. Но на

дебелината е различна. За цилиндър S = Pr / t (където S е напрежение, P е налягане, r е радиус, t е дебелина и Позволим е работното напрежение за въпросния материал.) След това е необходимо trequired = Pr / Sallowable - тоест t е пропорционална на r. Така дебелината, а оттам и обемът и масата на мембраната, са пропорционални на радиуса. Следователно радиусът трябва да се поддържа колкото е възможно по-малък. (Същото се отнася и за куполите. Хилядите купола, любими на илюстратори, ще струват огромна тежест, ако са изградени изобщо.)

Тръбата трябва да е пълна тръба, а не половината тръба отгоре. Проблемите със закотвянето и течовете биха били тежки за половин тръба.

Да предположим, че вътрешното налягане е 8 PSI, приблизително равна на 15 000 фута на Земята (възможно с повече от 21% кислород, нормалното за Земята ниво, за да се компенсира "високата надморска височина") Стенната мембрана се състои от мехур, за да задържа въздух, t = 0,003 инча (предположение, основано на три милиарда милара, изглежда достатъчно силно) плюс мрежа от кевларови влакна. НАСА използва подобен дизайн за надуваемия дизайн на Mars Transhab, с коефициент на безопасност 4,0. Този sf изглежда висок, но хората ще спят в Transhab и в космоса има много микрометеорити; тук 3.0 ще се използва, защото хората обикновено не спят в оранжерията и така могат да излязат по-бързо в случай на теч. (Дизайнът на Transhab не може да се копира директно, тъй като е предназначен за използване в космоса и има тежко антимикромтеоритно екраниране.)

Кевларовото влакно има максимална якост на опън от 435 000 psi (3); разделянето на sf дава допустимо напрежение от 145Ksi. Трекериран = Pr / Sallowable = 8psi x 96in / 145,000 = .0053in дебелина или еквивалентът в влакната в тангенциална посока. Въпреки това, аксиалното напрежение в цилиндър под налягане е точно половината от тангенциалното напрежение, така че ще са необходими аксиални влакна, еквивалентни на дебелина 0,0027, за общо 0,008. Разрешаващи ефекти на взаимодействие в композитния материал, например обща дебелина 0,009 инча. Плюс .003 инчовият мехур дава обща дебелина от 012 инча. Кевлар тежи 0,052 pci (приемете, че мехурът тежи същото; повечето пластмаси правят.)

Секцията с един крак на 16 крака по-горе покрива 16 sf и тежи: .012 в x 12 ”x 16 фута x 12 ин / фута x x .05 pci = 4.4 фунта, или 0.27 фунта на покрит ft2. За оранжерията плюс съоръженията са необходими три милиона фунта² за 1000 души, така че цялата колония тежи 800 000 паунда. Като добавим към това, 176 000 паунда за ядрените генератори дават 976 000 паунда. Добавянето на строителни машини, плавилни машини, машини от фибростъкло и т.н. може да удвои масата до два милиона паунда. При 225 долара / фунта (по-долу), доставени на Марс, това струва 450 милиона долара. За милион души цената е 450 милиарда долара. SpaceX предполага, че колонистите ще плащат за собствените си еднопосочни билети по 200 000 долара всеки, или 200 милиона долара за хиляда души.

Прогнозна цена на килограм полезен товар, доставен на повърхността на Марс

Инженерът и водещ на SpaceX Пол Уустър казва, че се опитват за по-малко от 500 долара за кг, или 225 долара за фунт (5)

Ще смаже ли хидростатичното налягане тръбата?

Сухият пясък тежи 100 фунта на кубически фут, така че на 8 фута дълбочина на Земята хидростатичното му налягане е 800 psf или 5,5 psi. Гравитацията на Марс е само 3/8 от тази на Земята, така че при 8 фута на Марс налягането е само 2,0 psi. Тръбата ще бъде под налягане до 8 psi, така че има коефициент на безопасност от четири срещу смачкване.

Проблем със сенченето

Фигура 3 показва проблем със сенките с огледалата. Ако оранжериите се допират, както е на фигура 3А, огледалата ще се засенчват едно друго. По този начин огледалата трябва да бъдат разтворени като в 3B или да бъдат поставени на наклон, както в 3C. Точен дизайн трябва да изчака избора на сайт за колонията. Ако разстоянието е три пъти по-голямо от диаметъра на тръбата, тогава тръбите с жилищните помещения могат да бъдат поставени между тръбите за оранжерия и колонията ще бъде със същия размер като преди. (Без коефициент четири, приложен към оранжерийната площ. Отново трябва да се определи точен дизайн.)

Фигура 3.

Проблем със сенченето

Фигура 4. Термичен дизайн

Термичен анализ

Фигура 4 показва типичен раздел. Изолацията не е уточнена, но повечето изолации (аерогел, дъсчена пяна и др. Са R10 на инч, така че R50 би изисквал изолация от около 5 инча, което изглежда разумно. (4) Половината от тръбата, пълна с пясък, осигурява топлинна маса (стабилизиране на

температура от ден до нощ.) Средната температура на Марс е -50 ° F, а оранжерията работи 80 ° F, така че

T е 130 F.

Помислете за раздела един крак в хартията. Площта на изолацията е 2x 8 фута х 1 фут = 50 sf. Загубата на топлина на ден е 50 x 130 ° T x 1/50 x 24 = 3100 btu. Входът е 16 sf x 317 btu / час sf x 10 hr дневна светлина = 51 000 btu / ден. Това е повече от загубата, така че топлината трябва да се отвежда през радиатори (не е показана). (Нивото на вход се определя от изискването за фотосинтеза на растенията, за което се предполага, че произвежда максимален растеж при нормално ниво на инсолация на Земята.)

Масата на изолацията не се изчислява, защото почти сигурно ще се произвежда на Марс. Изолацията е лека, но обемна, така че не може да бъде донесена от Земята. Няма да има място в капсулите за кацане. За първите оранжерии пластмасата ще бъде поставена и разпенена на място, а за колонията първите колонисти ще произвеждат фибростъкло или ергел от марсиански пясъци. Определянето на най-добрия метод със сигурност би представлявало интерес.

Оранжериите осигуряват кислород и храна за хиляда колонисти. Ако има тримесечна прашна буря и оранжериите замръзнат, тогава колонистите умират, което е недопустимо. Оранжериите трябва да стоят топли по време на най-лошия случай на прашна буря от няколко месеца.

Как системата ще остане топла в пясъчна буря?

Почвата на Марс е -50 ° F. Тогава Т в началото на охлаждането = 80 - (-50 °) = 130 ° F. В края е само 32 - (-50)

= 82 ° F, а средно е 106 ° F. Средната загуба на ден е 50 ft.² x 1/50 x106 ° F x 24 = 2500 btu на ден.

В нормален ден температурата ще варира само градус от ден на нощ. Пясъкът в полукръглото дъно на къщата има обем 1 фут х ½ х х ⁸² = 100 фута3. При 100 lb / ft3 тежи 10 000 lb с топлинна маса от 0,2 btu / lb = 2000 btu / F °. Това стига до 130 btu / hr загуба x 12 hr / 2000 btu / F ° = 0,8 F °.

Марсийските прашни бури могат да продължат няколко седмици, но е необходимо да се намери най-лошият случай, който може да е много по-дълъг.

Ще има ядрена централа. Ядрен генератор е необходим, защото слънчевите клетки не функционират без светлина, както по време на буря. Може ли нейният изход да се използва за работа с нагреватели? Атомна централа за 1000 души, произвеждаща 2kWe на глава от населението, произвежда 2MWe, което е 6 820 000 btu на час. (8MW топлинна мощност и

2MWe електрическа мощност с 25% ефективност. Топлинната мощност на генераторите е 27 милиона btu / hr.) Има 187 000 фута оранжерии, губейки средно 2500 btu на ден на фут, или 104 btu на час фут. Тогава 187 000 фута губят 19,4 милиона btu на час, в сравнение с 27 милиона btu на час от генераторите. Генераторите наистина могат да затоплят оранжериите.

Следва проблемът с производството на кислород. В прашна буря растенията няма да извършват много фотосинтеза. Изходът им трябва да бъде направен чрез производство на кислород от генератора. В добри моменти храната и кислородът също трябва да се съхраняват.

Животът на колонистите е изложен на риск, ако анализът на прашната буря е грешен. Трябва да се внимава с тези изчисления.

Ядрен генератор

С любезното съдействие на Франк Уилямс

Производството и разпределението на електроенергия ще бъде комбинация от ядрени реактори на базата на уран и минимална система от батерии и супер кондензатори за съхранение и изравняване на натоварването. Подходящите изпълнения на ядрени реактори ще бъдат независими от условията на околната среда, като по този начин ще осигурят постоянна мощност за дори тежки условия, например прашни бури, които могат да продължат няколко седмици и следващия период на изкопаване от получените дюни.

Ние предлагаме мащабиран подход, а не единичен монолитен 2 мегават електрически (MWe) реактор

(средно 2 kWe на член от колонията). Има много причини за това.

Въвеждане с течение на времето: реакторите могат да бъдат пуснати в експлоатация като начално оборудване за изграждане на площадка.

o Преди пристигането на човека роботизираните мисии могат да създават първоначално оборудване

o Реакторите могат да бъдат пуснати с вълни от хора, докато колонията расте

Елиминира режим на повреда в една точка

o Макар че е малко вероятно пълният отказ на голям реактор, вземането на единичен голям реактор за ремонт ще има значително отрицателно въздействие върху колонията

o Големите реактори по принцип са по-трудни за ремонтиране на основни проблеми, просто поради по-големите им размери и маси на компоненти

Стартирането на роботи е по-лесно за по-малките реактори преди пристигането на човека.

o По-малките реактори могат да бъдат проектирани така, че да се самозапускат

По-малките реактори са по-лесни за проектиране и работа като предимно самомодернизиращи се системи.

o Самомодерните реактори стават по-малко термично (и впоследствие електрически)

ефективни с увеличаването на техния размер и мощност

Няколко по-малки реактори могат да се експлоатират като комплекти за покриване на вариациите в дневните, седмичните или месечните нужди на мощността

o Изискванията за мощност варират във времето.

o Реакторите трябва да бъдат проектирани за нуждите на пикова мощност или значителна енергия

трябва да се въведе система за съхранение и изплащане.

o Използването на множество реактори, които могат да бъдат доставени онлайн при необходимост и / или активно модерирани според нуждите, ще сведе до минимум необходимостта от всяко ниво на електрическо натоварване и система за съхранение на енергия

По-малките реактори могат да бъдат поставени в близост до нуждите на енергия

o Малки реактори с умерено количество екраниране могат да бъдат поставени много по-близо до нуждите на оборудването и мощността, отколкото един голям реактор

Понастоящем основният реактор се предвижда да бъде еволюция на реактора Kilopower на НАСА, показан на фигура 5. Еволюцията ще доведе до реактор със 100 kWe от максимума на предвидения в момента дизайн от 10 KWe. (НАСА вярва, че сегашният дизайн на Kilopower Reactor може да се развие до 10 kWe.) Разработеният дизайн ще замени единичната, цилиндрична силно обогатена урана (HEU) сърцевина с едно централно ядро, обградено от концентрични пръстени HEU. Между централното ядро ​​и следващия пръстен на HEU ще има няколко елемента: модератори на абсорбтор на борен неутрон, неутрални модератори на берилиев оксид, нагревателни метали с натриев метал и дистанционери, които имат висок коефициент на термично разширение (CTE). Боровият централен цилиндър в центъра на централния HEU цилиндър (както в Kilopower Reactor) и борните елементи

между централната сърцевина на HEU и концентричния слой на HEU ще бъде отстранен при стартиране на реактора и отново поставен при изключване на реактора. Високите разделителни стойности на CTE между осигуряват самомодернизиране на реактора, позволявайки му да работи в близост до максимум без постоянен човешки мониторинг.

Наградата е предоставена от NASA GRC, използването не представлява и одобрение от НАСА.

Фигура 5. Космическият ядрен реактор на НАСА, показващ преобразуването на стерлинговата енергия

системи.

Ранното поставяне на първите няколко реактора ще използва атмосферни системи за отхвърляне на топлина, както в момента предвижда концепцията на НАСА за използване на Kilopower реактор, както е показано на фигура 6. След пристигането на хората и могат да инсталират реакторите, те ще използват по-здрава система за охлаждане от поставяне на топлинните тръби за отхвърляне на топлина в марсианската повърхност, което ще позволи постоянен радиатор по време на всички условия на околната среда.

С любезното съдействие на НАСА GRC. Използването на това изображение не представлява одобрение на този документ от НАСА.

Фигура 6. Концепцията на НАСА за инсталации тип Kilopower Reactor на Марс.

Очаква се масата на отделните реакторни и топлинни системи за преобразуване да бъде от порядъка на 4000 кг всяка.

Това ще позволи тези реактори да бъдат изстреляни от Земята като част от по-големи, по-компресивни мисии

а не като самостоятелни мисии за един реактор с 2 MWe, който лесно може да има маса

по-голямо от 18 000 кг. Това дава допълнителна гъвкавост на мисията с развитието на колонията.

Маса генератори

Около двадесет генератора от 100kWe са необходими за 2MWe за колония от 1000 души. Те тежат 4000 кг всеки, за обща маса от 80 000 кг или 176 000 паунда.

Алтернатива за правило на палеца

Генераторът от 100 кВт тежи около 4000 кг и масата нараства с квадратния корен на продукцията. (6) По този начин по-големите генератори осигуряват една и съща мощност за по-малка маса. Два един MWe генератора ще позволят един да бъде ремонтиран или презареждан. Всяка маса би била 10,5 х 4000 кг = 13 000 кг, така че общият да бъде

26 000 кг или 57 000 паунда, една трета от 176 000 паунда по-горе. Ясно е, че най-добрият брой генератори е небрежна тема, тъй като има потенциал да намали значително цената на колонията.

дискусия

По-голямата част от масата, внесена от Земята, е ядрени генератори и строителен материал за оранжериите. Междувременно повечето колонисти са фермери, изследователи или изследователи. Земеделските стопани са заменени от роботи и изследователите могат да бъдат заменени също, като роботите носят материал за изследване на изследователите. Това оставя повечето колонисти безработни. Решението е тези хора да работят за изграждането на инфраструктура за милионите жители в крайна сметка и да направят материали за оранжериите от марсиански материал. Пикочните мехури са пластмасови, получени от петрол и затова трябва да бъдат внасяни от Земята, но кевларовите влакна могат да бъдат заменени от влакна от фибростъкло, направени от марсиански пясък. Пясъкът може да се използва и за направа на изолация от фибростъкло или аерогел. Импортирането на машини за производството на тези материали ще бъде по-евтино, отколкото вносът на самите материали. Голяма част от масата на Земята са ядрените генератори, така че подобренията също са много важни. Може би много от частите могат да бъдат направени на Марс.

По този начин колонистите преминават от земеделие и проучване към строителство и производство и като повече пристигат, те са наети по същия начин. В крайна сметка колонията е завършена и колонистите няма да имат какво да правят, така че може да работят при тераформиране. Тераформиращият Марс е труден, тъй като няма известен източник на азот или въглероден диоксид, който да стабилизира атмосферата и чиста кислородна атмосфера е опасна в случай на пожар, но ако се намери източник на нереактивни газове, колонистите могат да станат тераформери.

Предполага се, че добър предмет за изследване ще бъде производството на изолационен и конструктивен материал за оранжериите и други конструкции и тежките части на генераторите. Подробният термичен анализ на топлинните характеристики на парникови газове също е от значение, както и максималната продължителност на бурите.

Атмосферата на Марс е CO2. Много растения на Земята растат по-бързо при по-голяма плътност на CO2. Ако растенията растат по-бързо, тогава ще са необходими по-малко оранжерии, което ще спести пари от вноса от Земята. Слънчевата светлина също може да се концентрира до повече от нормалното на Земята. Предполага се, че е осигурена нормална за Земята инсолация, тъй като земните растения са еволюирали за това. Но дали растенията ще растат по-бързо с повече светлина? Ами ако им бъдат осигурени както повече CO2, така и слънчева светлина? Би било интересно да разберете.