معماری بی‌وزن؛ آینده زندگی در ماه و مریخ

به گزارش پایگاه خبری “ججین” به نقل از ایسنا، به مناسب هفته جهانی فضا ۲۰۲۵ در روز یکشنبه ۱۳ مهر که به نام روز «مهندسی سکونتگاه‌های فضایی» نامگذاری شده است، به معماری و طراحی خانه‌های فضایی، مصالح آنها و چالش‌ها و گام‌های برداشته شده در جهت ساخت آنها می‌پردازیم.

طراحی چنین زیستگاه‌هایی به معنای مقابله مستقیم با شرایط آب‌وهوایی شدید، تشعشات زیاد و منابع محدود است. این زیستگاه‌ها تنها برای بقا تولید نخواهند شد، بلکه فضاهایی برای شکوفایی، کاوش و جابه‌جا کردن مرزهای توانایی انسان‌ خواهند بود که با تلفیق معماری، مهندسی و فناوری، معنای جدیدی به واژه «خانه» می‌بخشند.

سفر ما برای ساخت این زیستگاه‌ها جهت آماده شدن برای آینده‌ای است که در آن بشر ردپای خود را در سراسر کیهان گسترش می‌دهد و ماه و مریخ شاید اولین قدم‌های یک ماجراجویی بسیار بزرگ‌تر باشند.

زیستگاه‌های فضایی، سازه‌های تخصصی برای زندگی و کار هستند که برای محیط‌های فرازمینی طراحی شده‌اند. هدف آنها پشتیبانی از بقای انسان با فراهم کردن محافظت در برابر دماهای شدید، تشعشعات و ریزشهاب‌سنگ‌ها است. آنها همچنین استفاده از منابع، حفظ سیستم‌های پشتیبانی از حیات و امکان پیشرفت‌های علمی را تسهیل می‌کنند. در ماه، چنین زیستگاه‌هایی ممکن است بر ماموریت‌های کوتاه‌مدت متمرکز باشند، در حالی که در مریخ، طرح‌ها با هدف پشتیبانی از اقامت‌های طولانی یا سکونتگاه‌های دائمی طراحی می‌شوند.

چالش‌های طراحی زیستگاه در ماه و مریخ

طراحی زیستگاه برای ماه و مریخ مستلزم غلبه بر شرایط سخت محیطی و منابع محدود است. در سطح ماه تغییرات دما از منفی ۱۷۳ درجه سانتیگراد تا ۱۲۷ درجه سانتیگراد متغیر است و این قمر فاقد جو بوده که زیستگاه‌ها را در معرض تابش و اثرات ریزشهاب‌سنگ‌ها قرار می‌دهد. شرایط مریخ شامل جو نازک، طوفان‌های گرد و غبار مکرر و میانگین دما در حدود منفی ۶۳ درجه سانتیگراد است. هر دو محیط نیاز به راه‌حل‌های پیشرفته در دوام مواد، تنظیم حرارتی و استفاده پایدار از انرژی دارند. طرح‌های ما همچنین باید با تفاوت‌های گرانشی سازگار شوند، زیرا گرانش ماه ۱۶.۵ درصد و مریخ ۳۷.۶ درصد از زمین است که بر پایداری ساختاری و سلامت انسان در طول زمان تاثیر می‌گذارد.

نوآوری در طراحی زیستگاه فضایی

برای طراحی زیستگاه فضایی، فناوری‌های پیشرفته باید برای مقابله با چالش‌های زیست‌محیطی و تضمین سکونت طولانی‌مدت انسان ادغام شود. مهندسان و معماران راه‌حل‌های نوآورانه‌ای را برای بهینه‌سازی مواد، سیستم‌های انرژی و پایداری برای محیط‌های قمری و مریخی توسعه داده‌اند.

درک معماری فضایی زیستگاه‌ها

معماری درست زیستگاه‌های فضایی برای بقای طولانی‌مدت انسان و اکتشافات در ماه و مریخ حیاتی هستند. این سازه‌ها مهندسی نوآورانه و فناوری‌های پیشرفته را برای مقابله با چالش‌های زیست‌محیطی ترکیب می‌کنند و در عین حال عملکرد و قابلیت سکونت را تضمین می‌کنند. برای ساخت این زیستگاه‌ها دانشمندان قصد دارند مواد هوشمند را به کار گیرند.

مواد هوشمند چه هستند؟

مواد هوشمند به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به شیوه‌ای خاص به محیط واکنش نشان دهند. آن‌ها شکل، رنگ یا استحکام خود را در پاسخ به محرک‌هایی از جمله دما، فشار، نور یا تابش تغییر می‌دهند. این فناوری‌ها، از پلاستیک‌های خودترمیم شونده که ترک‌ها را به خودی خود ترمیم می‌کنند تا آلیاژهای حافظه‌دار که خم می‌شوند و دوباره صاف می‌شوند، برای تحمل محیط بی‌رحم فضا ضروری هستند.

ما بر روی مواد سبک و بادوام مانند آلیاژها و کامپوزیت‌های با استحکام بالا تمرکز می‌کنیم تا در برابر محیط‌های سخت فضایی مقاومت کنند. رگولیت که خاک سست موجود در ماه و مریخ است نیز از طریق استفاده از منابع در محل(ISRU) برای ایجاد اجزای سازه‌ای با استفاده از چاپ سه‌بعدی، مورد استفاده مجدد قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، آجرهای رگولیت چاپ شده، محافظت در برابر اشعه و یکپارچگی سازه را افزایش می‌دهند.

ارسال مصالح به فضا با موشک و فضاپیما پرهزینه است. بنابراین نانوشبکه‌ها و ماژول‌های بادشونده در دسترس هستند. ساختارهای نرم و سبک وزن را می‌توان فشرده کرد تا پرتاب شوند و سپس در فضا باد شوند. این ماژول‌ها بدون اینکه حجیم باشند، بسیار محکم هستند، زیرا پلیمرهای سخت‌شده با تابش و منسوجات هوشمند هستند. در عین حال، می‌توان با کمک نانوشبکه‌ها که بسیار قوی و سبک هستند، سازه‌هایی با کمترین جرم و بیشترین میزان استحکام ساخت. ماژول‌های بادی، فضای داخلی انعطاف‌پذیری را فراهم می‌کنند و جرم اولیه بار را کاهش می‌دهند.

ساختمان‌هایی که سازگار می‌شوند و تغییر شکل می‌دهند

مسکن‌های ساکن را می‌توان با استفاده از مواد هوشمند به فضاهای پویا و زنده تبدیل کرد. آلیاژهای حافظه‌دار برای تغییر شکل اجزای سازه‌ای مانند درهای زیستگاه که می‌توانند خود را ببندند یا پنل‌های عایق که می‌توانند تغییر کنند، ایده‌آل هستند زیرا ساختار آنها با تغییرات دما تغییر می‌کند. مانند عینک آفتابی برای خانه مریخی شما، پوشش‌های ترموکرومیک و الکتروکرومیک برای مدیریت نور و گرما تغییر رنگ می‌دهند.

تشعشعات فضایی یک خطر مرگبار است. حفاظ‌های سنتی باید متراکم و حجیم باشند. راه‌حل‌های هوشمند، مانند بلوک‌های ساختمانی متشکل از میسلیوم، ماده‌ای سبک و عایق طبیعی ارائه می‌دهند که در محل تشکیل می‌شود. از سوی دیگر، پلیمرهای خودترمیم شونده، با آب‌بندی ریزترک‌ها به طور مستقل از تشعشعات یا برخورد شهاب‌سنگ‌های ریز، بدون نیاز به دخالت انسان، ساختار ایجاد می‌کنند.

طرح‌هایی که برای زیستگاه‌ها ارائه شده‌اند، حفاظت در برابر تشعشع، هندسه ساختاری پایدار و تعادل اکولوژیکی را در اولویت قرار می‌دهند. لایه‌های محافظ مبتنی بر رگولیت یا پلی‌اتیلن، میزان قرار گرفتن در معرض اشعه کیهانی را کاهش می‌دهند و ایمنی خدمه را افزایش می‌دهند. سیستم‌های حلقه بسته، استفاده مجدد از منابع را بهینه می‌کنند و از عملیات پایدار پشتیبانی می‌کنند. به عنوان مثال، طرح‌های مدولار امکان گسترش یا پیکربندی مجدد زیستگاه را فراهم می‌کنند و با نیازهای ماموریت و رشد جمعیت سازگار می‌شوند.

علیرغم شرایط نامساعد محیطی، زیستگاه‌های فضایی باید به دمای داخلی پایدار نیز دست یابند. کنترل جریان گرما به صورت پویا از طریق پوسته‌های هوشمند با قابلیت انتشار حرارتی متغیر، حاصل می‌شود. چنین موادی با قابلیت تغییر ویژگی‌های حرارتی خود در پاسخ به محیط، گرمایش و سرمایش مکانیکی را به حداقل می‌رسانند. زیستگاهی را در نظر بگیرید که در شب عایق‌بندی شده و در روز مریخی، خود را خنک می‌کند.

پوسته‌های خورشیدی که برق تولید می‌کنند و به افراد داخل گرما می‌دهند، در آینده بخشی از خانه‌ها در فضا خواهند بود. سلول‌های خورشیدی لایه نازک و نانوپوشش‌ها می‌توانند برای مهندسی این مواد به منظور تنظیم میزان انرژی دریافتی آنها هنگام برخورد نور استفاده شوند.

تمام سطوح در فضا کارآمد به حساب می‌آیند. با افزودن فتوولتائیک‌های انعطاف‌پذیر به دیوارهای خارجی زیستگاه، سقف‌ها می‌توانند به منابع انرژی تبدیل شوند. چنین پوسته‌های هوشمندی که انرژی را جمع‌آوری می‌کنند، علاوه بر تأمین انرژی سیستم‌های پشتیبانی از حیات، محافظ حرارتی نیز ایجاد می‌کنند. این مفهوم، زیستگاه‌ها را از طریق ادغام معماری و عملکرد، به اکوسیستم‌های خودکفا تبدیل می‌کند.

با هوش مصنوعی، مواد هوشمند حتی قدرتمندتر هم می‌شوند. زیستگاه‌های خودمختاری که ناهنجاری‌ها را حس می‌کنند و به طور خودکار خود را ترمیم می‌کنند، توسط مؤسسات تحقیقات فناوری فضایی ناسا، مانند HOME و RETHi، در حال ایجاد هستند. یک ماژول زنده را تصور کنید که بدون دخالت انسان، خستگی ساختاری را حس می‌کند و بر اساس آن تغییر شکل می‌دهد.

هدف از زندگی در فضا صرفا بقا نیست. مواد هوشمند به سلامت جسمی و روانی نیز خدمت می‌کنند. کامپوزیت‌های حافظه‌دار، فضاهای داخلی قابل تنظیمی ایجاد می‌کنند که امکان حفظ فضای شخصی و تنوع را فراهم می‌کنند و طرح‌های روشنایی تطبیقی، الگوهای روز و شب زمین را شبیه‌سازی می‌کنند. حتی سیستم‌هایی وجود دارند که روشنایی هوشمند را با کشاورزی هیدروپونیک ادغام می‌کنند تا غذای تازه را به محیط‌های کوچک و با آب و هوای کنترل‌شده برسانند.

برای حمایت از سلامت روان، معماران بر شبیه‌سازی نور طبیعی، فضاهای تفریحی و محفظه‌های مدولار که امکان گسترش زیستگاه را فراهم می‌کنند، تأکید دارند. جاذبه در مریخ، تقریبا ۳۸ درصد از جاذبه زمین است که این نشان از لزوم ایجاد امکانات ورزشی برای کاهش آتروفی عضلات و کاهش تراکم استخوان دارد.

مدیریت انرژی و منابع

سیستم‌های تولید برق مؤثر و بازیافت منابع، عملکرد زیستگاه را تضمین می‌کنند. پنل‌های خورشیدی که برای مقاومت در برابر گرد و غبار تقویت شده‌اند، به عنوان منابع اصلی انرژی در مریخ و ماه عمل می‌کنند. سیستم‌های پشتیبانی حیات، هوا، آب و زباله را بازیافت می‌کنند و وابستگی به مأموریت‌های تأمین مجدد را به حداقل می‌رسانند. به عنوان مثال، الکترولیزرها مولکول‌های آب را تجزیه می‌کنند و اکسیژن و هیدروژن قابل تنفس را برای ذخیره انرژی تولید می‌کنند.

چاپ سه‌بعدی با رگولیت مریخ به جای حمل مواد خام امکان‌پذیر است. مواد هوشمند در قلب استفاده از منابع در محل قرار دارند. رگولیت را می‌توان توسط ربات‌های مجهز به هوش مصنوعی و چسب‌های هوشمند به سازه‌های عایق و بادوام تغییر شکل داد و برنامه‌هایی مانند MMPACT ناسا در حال حاضر در حال بررسی این فرآیندها هستند.

موادی که در محیط‌های نامساعد سخت می‌شوند و با گذشت زمان از نظر ساختاری تغییر می‌کنند، می‌توانند با ترکیب با ژئوپلیمرهای هوشمند یا پروتئین‌ها در یک بازه زمانی بسیار کوتاه، مهندسی شوند. در طول پخت، برخی از مواد حتی با واکنش به فشار و دمای محلی، خود را ترمیم می‌کنند تا قوی‌تر شوند. با استفاده از گرد و غبار مریخ به تنهایی و یک چاپگر هوشمند می‌توان شهرهایی را در مریخ ساخت.

آینده برای زیستگاه‌های فضایی چگونه خواهد بود؟

معماری فضایی، نقطه تلاقی نوآوری و ضرورت آماده‌سازی سکونتگاه برای زندگی در ماه و مریخ است. این زیستگاه‌ها فراتر از نیازهای بقا هستند و به عوامل محیطی، فیزیکی و روانی حیاتی برای سکونت طولانی‌مدت می‌پردازند. با ادغام فناوری‌های پیشرفته مانند استفاده از منابع در محل، چاپ سه‌بعدی و سیستم‌های پشتیبانی حیات، محدودیت‌های منابع را کاهش داده و پایداری را افزایش می‌دهند.

تلاش‌هایی که در زمینه توسعه زیستگاه‌های قمری، مانند برنامه آرتمیس ناسا انجام می‌شود، نشان‌دهنده همکاری‌های بین‌المللی و پیشرفت‌های فناوری است. استراتژی‌ها شامل استفاده از سنگ‌ و خاک ماه برای ساخت و ساز، استفاده از مناطق قطبی برای دسترسی به آب و به‌کارگیری طرح‌های مدولار و قابل توسعه برای سازگاری با نیازهای در حال تحول است.

در مریخ، تمرکز به سمت پرداختن به تشعشعات شدید، چالش‌های جوی و رفاه روانی تغییر می‌کند. سازگاری‌ها، از جمله سازه‌های عایق‌بندی شده مبتنی بر رگولیت، سیستم‌های مقاوم در برابر گرد و غبار و پیشرفت‌های زیست فناوری برای زندگی مستقل، راه‌حل‌های کلیدی برای زیستگاه‌های آینده هستند. مفاهیمی مانند خانه یخی مریخ، نمونه‌هایی از طرح‌های نوآورانه برای محافظت و استفاده از منابع هستند.

ابزارهای نوظهور مانند رباتیک خودکار، هوش مصنوعی و مواد پیشرفته، رویکرد ما را به معماری فرازمینی تغییر می‌دهند. همانطور که ما فراتر از سیاره خود را کاوش می‌کنیم، این نوآوری‌ها به تعریف مجدد زندگی پایدار ادامه می‌دهند و ما را قادر می‌سازند تا در سخت‌ترین شرایط نیز پیشرفت کنیم.

اگرچه پتانسیل فناوری‌های نوظهور غیرقابل انکار است، اما مهم است که چالش‌های دنیای واقعی را قبل از پذیرش گسترده آنها، پشت سر بگذاریم. آزمایش مداوم برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد این سیستم‌ها، به ویژه در محیط‌های سخت یا غیرقابل پیش‌بینی، ضروری است.

ما سیستم‌های هوشمند و توانمند می‌خواهیم، ‌اما با افزایش پیچیدگی، خطر شکست نیز بیشتر می‌شود و فراتر از عملکرد، باید تأثیرات زیست‌محیطی و پیامدهای اخلاقی به‌کارگیری این نوآوری‌ها را در مقیاس جهانی نیز در نظر بگیریم.

مصالح هوشمند به سرعت در حال تبدیل شدن به واحدهای سازنده‌ خانه‌های نسل بعدی در خارج از کره زمین هستند، این دیگر یک داستان علمی تخیلی نیست. آن‌ها معماری مقاوم، کارآمد و حساس به شرایط را ارائه می‌دهند، از پوسته‌های سبک و انعطاف‌پذیر گرفته تا محافظ در برابر اشعه و حتی قابلیت‌های خودترمیمی.

مواد هوشمند به ما این امکان را می‌دهند که همزمان با ورود به عصر فضا، خانه‌هایی خارج از زمین بسازیم، خانه‌هایی که در سخت‌ترین شرایط، دوام می‌آورند، سازگار می‌شوند و زندگی انسان را پرورش می‌دهند. موادی که می‌توانند فکر کنند، حس کنند و التیام یابند، برای آینده سکونتگاه‌های فضایی، مهندسان، معماران و آینده‌نگرها ضروری هستند.