Alto livello di radiazioni
Sulla Terra, la radiazione solare non è solitamente considerata un fattore pericoloso che colpisce gli esseri umani. A causa della magnetosfera terrestre, la maggior parte delle radiazioni ionizzanti viene catturata prima che raggiunga la superficie. Gli effetti delle radiazioni su Marte, tuttavia, sono molto evidenti. Circa 4,2 milioni di anni fa Marte perse il suo campo magnetico e da allora è stato bombardato da forti radiazioni.
Comparazione delle radiazioni subite dall'uomo in vari ambienti rispetto a Marte. Fonte: Application of Architecture for Future Marian Habitats.
Per proteggere gli astronauti da una grave esposizione alle radiazioni, la NASA ha creato un limite al numero di rem che un astronauta non può superare. Ciò include un range compreso tra 100 e 400 rem a seconda dell'età e non più di 50 rem in un periodo annuale. Sulla Terra la dose normale di radiazioni a cui è esposto un essere umano è 0,62 rem. Gli esseri umani esposti a così tante radiazioni ridurranno drasticamente il tempo trascorso su Marte, insieme ad una maggiore possibilità di problemi di salute potenzialmente letali. Per gli esseri umani, questi livelli di radiazioni possono causare problemi estremi ai sistemi corporei. Un'elevata esposizione per un lungo periodo di tempo può portare a:
- Cancro
- Morte di cellule/tessuti non rigenerabili
- Danno genetico
- Impatto sulla fertilità
- Soppressione della funzione immunitaria
Poiché su Marte non esiste una protezione naturale contro le radiazioni, sarà necessario progettare gli habitat, in cui vivranno gli esseri umani, con uno scudo che li protegga.
Temperature fredde estreme
Quando Marte perse il suo campo magnetico perse anche gran parte della sua atmosfera e quindi iniziò a raffreddarsi velocemente e non riesce più a trattenere il calore.
La temperatura superficiale può variare da 3° Celsius durante il giorno a -91° Celsius durante la notte, sebbene le temperature possano diventare anche più basse nelle diverse stagioni su Marte.
Queste condizioni sono inospitali per gli esseri umani e per qualsiasi altra vita vegetale da utilizzare come raccolto. Sebbene le temperature siano estremamente basse, il trasferimento di calore è basso a causa della scarsa densità dell’atmosfera di Marte. La progettazione architettonica dell'habitat deve garantire la conservazione e la produzione di calore in caso di basse temperature utilizzando un adeguato isolamento. Altrimenti, l’acqua necessaria per l’habitat potrebbe congelare, le piante utilizzate come cibo potrebbero morire e i membri dell’equipaggio non sarebbero in grado di produrre il calore necessario per mantenerli in vita.
Produzione e conservazione delle risorse come aria, cibo ed acqua
Per sostenere la vita umana, gli elementi costitutivi sono ossigeno, acqua e cibo. A differenza della Terra, Marte non ha nessuno dei due prontamente disponibile. Negli ultimi dieci anni, sono state fatte scoperte che hanno portato gli scienziati a credere che ci sia acqua liquida su Marte, tuttavia, questa non è ancora facilmente disponibile poiché ci vorrà del tempo per individuare questi “laghi” e iniziare gli scavi. L'unica fonte d'acqua confermata su Marte si trova nei suoi poli sotto forma di ghiaccio.
Lo scavo del ghiaccio da utilizzare come acqua per una colonia è una soluzione a lungo termine per creare una colonia indipendente. Tuttavia, poiché gli esseri umani inizieranno a colonizzare Marte, prima che si riesca ad utilizzare il ghiaccio, questo è un obiettivo improbabile a breve termine. L’habitat in cui vivranno gli esseri umani deve essere costruito per essere sostenibile in ogni aspetto e per mantenere quanta più acqua possibile.
Senza ossigeno non c’è possibilità di sopravvivenza per l’uomo. Tuttavia l'ossigeno costituisce meno del'1% dell'atmosfera marziana totale. Allo stesso modo dell’acqua, non esiste un modo diretto per catturare questo ossigeno. La progettazione dell'habitat deve essere efficace nel mantenere questo prezioso elemento, ma anche progettare qualcosa di nuovo per produrlo.
Un primo passo per scoprire se sarà possibile convertire la CO2 marziana in aria respirabile è stato già intrapreso con la missione del rover Perseverance che ha uno strumento al suo interno chiamato MOXIE che ha raccolto la CO2 marziana dividendo elettrochimicamente le molecole di ossigeno e anidride carbonica.
Il MOXIE viene caricato sul rover Perseverance. Fonte: https://mars.nasa.gov
l risultato è stato sorprendente. Lo strumento è stato impiegato 16 volte e complessivamente è riuscito a creare 122 grammi di ossigeno e, al massimo della sua efficienza, ha raggiunto i 12 g/h (il doppio di quanto preventivato). La purezza dei campioni era pari al 98% o superiore garantendo così un'ottima qualità in caso sia di utilizzo come propellente o per la respirazione umana (miscelato con gli altri gas come l'azoto).
L’implementazione di progetti come MOXIE consentirebbe alla colonia di essere autosufficiente nella creazione di nuovo ossigeno e avrebbe maggiori probabilità di sopravvivere a scenari in cui l’ossigeno potrebbe scarseggiare.
Sebbene la produzione di ossigeno sia importante, lo è anche preservare l'ossigeno attualmente prodotto. Troppa CO2 nell'habitat, può creare un accumulo nel tempo, che alla fine creerà un ambiente ricco di questo elemento che può essere mortale per gli esseri umani.
Dovranno quindi essere incorporati nell'habitat dei controlli ambientali in modo da minimizzare il problema. Essere in grado di avere più sistemi MOXIE che non solo creano ossigeno dall’atmosfera di Marte, ma purificano l’aria dell’habitat consentirebbe a molteplici forme di ossigeno di rifornire una colonia.
Una soluzione potrebbe anche essere usata per un duplice scopo: rifornire ossigeno ma anche cibo per i coloni. Questa soluzione è la coltivazione di piante.
Le piante hanno infatti la capacità di purificare l’aria, l’acqua e anche di fornire cibo per l’uomo. Incorporando le piante nell’architettura dell’habitat si creerebbe un ecosistema che imita quello della Terra. Le piante sarebbero in grado di farsi carico della creazione di ossigeno e CO2 insieme ad altri strumenti come MOXIE. Ciò fornirebbe una fonte stabile di ossigeno per l’habitat che non soffrirebbe di guasti meccanici. Alcune piante acquatiche sono in grado di purificare l'acqua in cui vivono. L'edificio potrebbe essere progettato in modo tale che i canali per il trasporto delle acque reflue viaggino in modo da arrivare alle radici delle piante che diventerebbero così un primo filtro prima della vera purificazione. Queste acque reflue, in cultura idroponica, sarebbero anche in grado di fornire alle piante le sostanze nutritive di cui hanno bisogno per crescere e diventare cibo per l’uomo.
L'aggiunta di piante nella progettazione dell'habitat, ad esempio attraverso giardini pensili, sarebbe in grado di preservare e creare molte risorse contemporaneamente.
Effetti sociali e psicologici
Il primo equipaggio su Marte sarà quello che testerà quali effetti psicologici peseranno su una persona dopo aver lasciato il proprio pianeta natale. Anche se gli astronauti scelti per questa missione saranno mentalmente forti, non è chiaro come reagirà il cervello umano. Potremo iniziare da colonizzare la Luna ma non sarà mai uguale ad una vera separazione come sarà vivere su Marte dove la Terra apparirà come un puntino nello spazio.
Sebbene siano stati condotti studi psicologici sugli astronauti che hanno trascorso giorni sulla Luna o mesi nello spazio, nessuno ha sperimentato cosa potrebbe volere il primo essere umano marziano.
Per creare un ambiente su Marte che sia di supporto per gli esseri umani, deve esserci un habitat che cerchi di adattare gli aspetti della Terra per essere attinente ad un nuovo mondo. L'architettura marziana deve creare spazi che cerchino di portare interazioni sociali e costumi su Marte per connettere l'equipaggio. Ancora più importante, deve essere progettato in modo tale da confortare le persone che ci vivono e ricordare loro casa. Una nuova “casa” dovrebbe essere realizzata dall’equipaggio che vive al suo interno. Gli spazi che condividono non dovranno essere freddi e sterili ma dovrebbero favorire la creazione di nuovi ricordi e poter essere decorati dall'equipaggio per adattarsi alla loro visione di "casa".
Camera da letto realizzata su analog Chapea. Fonte: NASA
Non tutto potrà concentrarsi sul lavoro ma occorreranno spazi condivisi dove legare ancora di più i vari coloni in esperienze comuni e condivise.
Una cosa molto importante da ricordare ed inserire nelle abitazioni marziane sarà la luce che dovrà essere calda per ricordare il sole della Terra. La luce avrà un fattore psicologico molto importante insieme alle piante: due elementi terrestri che ci rallegrano il cuore e lo spirito.
Disegnare un habitat
Sono stati studiati due diversi sistemi: una struttura riutilizzabile di assemblaggio modulare (Lavapolis) e una struttura prefabbricata poggiata su un telaio (Hexamars).
Lavapolis, è costituito da cilindri gonfiabili sostenuti alle estremità da anelli di alluminio, dove sono presenti le camere stagne. I cilindri sono realizzati in materiale pneumatico con un diametro di 9 metri. Per future espansioni aggiuntive i cilindri possono essere collegati all'habitat senza dover fare depressurizzare la struttura esistente.
Disegno dell'habitat Lavapolis. Fonte: NASA
L'habitat è organizzato in uno schema lineare e dovrebbe essere situato all'interno di un tunnel lavico in modo da proteggere la base dalle radiazioni.
Hexamars, é una struttura prefabbricata costituita da a nucleo centrale e moduli secondari che si irradiano dal nucleo. I moduli, a forma di sfera, saranno parzialmente sepolti sotto la superficie. Verranno utilizzati elementi strutturali intercambiabili per la costruzione di questo habitat che avverrà in 5 fasi. La struttura si potrà espandere aggiungendo altri moduli collegandoli attraverso camere di equilibrio.
Disegno dell'habitat di Hexamars. Fonte NASA
Dopo attente valutazioni i due sistemi sono stati inglobati in un unico progetto denominato M.A.R.S. che combina i pregi di entrambi.
M.A.R.S.
Il modello più efficiente in termini di lancio e facile da implementare per il trasporto all'esterno sarebbero le strutture spaziali gonfiabili.
Le strutture gonfiabili sono disponibili in una varietà di dimensioni e forme. Oltre ad un ampia gamma di possibilità di configurazione grazie a tubi, vesciche e membrane che permettono un elevato livello di versatilità combinandosi ed integrandosi all'interno della struttura comune insieme ad elementi più compatti come le camere di equilibrio, portelli e finestre.
Foto modulo gonfiabile ed anelli. Fonte: NASA
In conclusione, le strutture gonfiabili offrono un habitat vivibile e sicuro per l'equipaggio.
Luogo dove realizzare la base
La selezione di un sito appropriato è fondamentale a lungo termine per il successo della base su Marte. Un sito equatoriale è il più economico accessibile dall'orbita bassa di Marte e semplifica le manovre di rendez-vous.
Il sito scelto per Lavapolis è alla base del Ceraunius Tholus, una catena montuosa larga 115 km e alta 8 km, dove si trova un cratere da impatto che ha un canale lavico largo 2 km e facilmente accessibile.
La massa termica regola la temperatura interna e l'ambiente è protetto dalle frequenti tempeste di polvere inoltre la roccia lavica basaltica può essere lavorata per realizzare pannelli strutturali in vetro che potranno essere utilizzati per sigillare e pressurizzare i segmenti gonfiabili.
Assemblaggio modulare
Un modulo (M.A.R.S.) è costituito da cilindri gonfiabili sostenuti alle estremità con anelli di alluminio.
Gli anelli sono composti da 8 segmenti, larghi 90 centimetri, che si uniscono insieme per formare un cerchio di 9 metri di diametro e sono distanziati di 9 metri dal centro.
I cilindri sono realizzati in materiale pneumatico e si collegano con due anelli del diametro di 9 metri.
I travetti del pavimento spaziano per la lunghezza del cilindro e si collegano ad un raggio che attraversa l'anello. Questa trave trasporta i carichi del pavimento e del soffitto.
Le altezze sono variabili a seconda delle esigenze funzionali e potranno essere facilmente modificati al variare delle esigenze.
Cilindri aggiuntivi potranno essere collegati all'habitat senza dover depressurizzare la struttura esistente. Il sistema impiega grandi capacità espandibili utilizzando componenti riutilizzabili, leggeri e modulari e connessioni, che richiedono uno spazio minimo di imballaggio.
Disegno cupole su Marte che formano una specie di basilica. Fonte NASA
All'esterno la composizione modulare assomiglierà ad una Basilica romana creando un senso di architettura tradizionale.
Sviluppo successivo
Saranno necessarie ulteriori ricerche sul M.A.R.S. soprattutto riguardo ai materiali specifici da utilizzare in base alla forza della struttura, al peso dei materiale ed alla pressione dell'aria.
Inoltre dovrà essere considerato importante il gas per gonfiare i vari moduli sia per la massa imballata sia per il volume dispiegato.
Lo sviluppo delle connessioni di progettazione, la possibilità di sigillare un tubo e creare ingressi separati oltre alla vivibilità stessa della struttura da parte dei coloni.
Creazione del progetto “un anno su Marte”
Dati i molti problemi strutturali, psicologici ed ambientali per creare un habitat su Marte la NASA ha deciso di creare un fax simile sulla Terra in 3D conosciuto come Mars Dune Alpha.
In questo habitat vivranno 4 volontari per un anno ed è stato costruito presso il Johnson Space Centre in Houston in Texas.
L'esperimento denominato CHAPEA (Crew Health and Performance Exploration Analog) fa parte delle missioni della NASA per preparare gli esseri umani all'esplorazione di Marte.
"Possiamo davvero iniziare a capire come li supportiamo con ciò che forniamo loro, e queste saranno informazioni davvero importanti per prendere quelle decisioni critiche sulle risorse," ha detto Grace Douglas, ricercatrice capo degli esperimenti CHAPEA, durante un tour stampa dell'habitat.
La NASA monitorerà questi primi 4 volontari per un anno a cui succederanno un altro equipaggio per un altro anno e successivamente l'ultimo concludendo l'esperimento.
Ciascun equipaggio dovrà effettuare diverse attività e missioni come operazioni robotiche, operazione extra veicolari e mantenimento dell'habitat.
Il primo equipaggio è stato selezionato dalla NASA nel 2021 ed è composto da:
Kelly Haston, comandante - membro registrato della Nazione Mohawk delle Sei Nazioni del Grand River in Canada, è un ricercatore con esperienza nella costruzione di modelli di malattie umane. Ha guidato progetti innovativi basati sulle cellule staminali che derivano più tipi di cellule per lavorare sull'infertilità, sulle malattie del fegato e sulla neuro-degenerazione.
Nella foto Kelly Haston – Fonte: NASA
Ross Brockwell, ingegnere di volo - ingegnere strutturale e amministratore dei lavori pubblici. Il suo lavoro si concentra sulle infrastrutture, sulla progettazione degli edifici, sulle operazioni e sulla leadership organizzativa.
Nella foto Ross Brockwell. Fonte: NASA
Nathan Jones, ufficiale medico - È un medico certificato di medicina d'urgenza, specializzato in medicina pre-ospedaliera. Attualmente lavora come medico di medicina d'urgenza, direttore medico d'urgenza e medico tattico presso lo Springfield Memorial Hospital. Jones è anche professore associato di medicina d'urgenza presso la Southern Illinois University School of Medicine.
Nella foto Nasthan Jones. Fonte: NASA
Anca Selariu, ufficiale scientifico - microbiologo della Marina degli Stati Uniti. La sua esperienza spazia dalla scoperta e produzione di vaccini virali, alla trasmissione di prioni, allo sviluppo di terapie geniche e alla gestione di progetti di ricerca sulle malattie infettive.
Nella foto Anca Selariu. Fonte: NASA
Mars Dune Alpha ha le dimensioni di un campo e mezzo di calcio ed è stato creato utilizzando lavacrete, un tipo di cemento polimerico non restringibile.
Ci sono quattro alloggi privati per l'equipaggio, postazioni di lavoro dedicate, una stazione medica e aree comuni.
Foto area di lavoro in Dune Alpha. Fonte Nakamura reuters
La fornitura d'acqua sarà limitata e il team dovrà coltivare le proprie verdure a foglia per il cibo come parte della propria missione.
Foto cultura idroponica su Dune Alpha. Fonte Nakamura reuters
Per simulare la gravità minore del Pianeta Rosso ci sarà un tapis roulant curvo sul quale gli astronauti cammineranno sospesi a delle cinghie indossando pesanti tute spaziali.
Inoltre indosseranno attrezzature per la realtà virtuale per simulare come effettuare ogni attività su Marte.
"Abbiamo pensato ad alcuni diversi tipi di passeggiate spaziali che pensavamo sarebbero state realistiche rispetto a ciò che gli astronauti avrebbero fatto sulla superficie di Marte," ha detto in una nota Raina MacLeod, vice project manager della CHAPEA presso il Johnson. “Avremmo fatto loro svolgere lavori di geologia, e poi probabilmente avrebbero svolto alcuni compiti di costruzione e poi anche di esplorazione. Quindi, queste sono le tre categorie che stiamo esaminando per CHAPEA: geologia, costruzione ed esplorazione”.
Foto dell'area "esterna" marziana dove si addestreranno gli equipaggi. Fonte: Nakamura reuters
Durante la missione, i membri dell’equipaggio controlleranno un drone simile a un elicottero e un robot itinerante lavorando in coppia all’interno dell’habitat per azionare a distanza i robot, ispezionando aree remote, raccogliendo campioni di roccia e documentando informazioni geologiche.
“L’elemento robotico è un’attività molto interessante che stiamo includendo per il nostro equipaggio. È sempre positivo avere compiti davvero stimolanti, soprattutto in uno studio di lunga durata per mantenere l’equipaggio entusiasta,” ha affermato MacLeod. “Ma queste attività potrebbero anche essere molto realistiche in quanto i futuri astronauti su Marte potrebbero utilizzare droni e rover a pilotaggio remoto per espandere il raggio di ricognizione”.
CHAPEA aiuterà la NASA a comprendere meglio i rischi e i compromessi in termini di risorse che potrebbero essere affrontati su Marte per supportare al meglio la salute dell’equipaggio mentre l’agenzia inizia a progettare e pianificare missioni su Marte di lunga durata.
Foto area medica all'interno di Dune Alpha. Fonte: Nakamura reuters
“Il nostro obiettivo è capire davvero che, con le limitazioni delle risorse che metteremmo in atto per una missione su Marte e con le prestazioni che ci aspettiamo che siano in grado di completare a livello cognitivo e fisico, siamo in grado di supportarli adeguatamente," Ha detto Douglas.
Tutte le comunicazioni tra i membri dell'equipaggio e il mondo esterno verranno ritardate di circa 20 minuti in ciascuna direzione per simulare il tempo impiegato dai messaggi per viaggiare da Marte alla Terra. Ciò rappresenterà una sfida unica per i membri dell'equipaggio perché la risoluzione dei problemi con le squadre al controllo della missione comporterà un ritardo di circa 40 minuti tra ogni messaggio.
La disposizione della base prevede un'area di lavoro, un soggiorno e una zona cucina, camere da letto private, bagno, area medica, centro comunicazioni, palestra, camera di equilibrio e un'area "esterna" che imita la superficie marziana.
Foto spazio riposo all'interno di Dune Alpha. Fonte: Nakamura reuters
All'interno dell'habitat, l'equipaggio mangerà razioni simili a quelle della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), anche se senza la possibilità di scegliere una percentuale dei loro menu, come gli attuali astronauti.
"La separazione della zona giorno dall'area lavoro è stata molto intenzionale," afferma Scott M. Smith, co-investigatore del CHAPEA. "Questo è stato uno dei commenti che i progettisti hanno sentito dagli equipaggi della ISS... quando vivi in ufficio, avere letteralmente la capacità di separarti fisicamente era importante."
Foto simulatore del sistema di ossigeno su Dune Alpha. Fonte: Nakamura reuters
I ricercatori testeranno regolarmente la risposta dell’equipaggio a situazioni stressanti, come la limitazione della disponibilità di acqua o guasti alle apparecchiature.
L'equipaggio farà analizzare il sangue, l'urina, la saliva e le feci, monitorerà il comportamento e misurerà le prestazioni fisiche. Verranno valutati la massa corporea e la composizione, lo stato nutrizionale, la funzione del sistema immunitario, le funzioni cognitive e il microbioma.
I membri dell'equipaggio potranno parlare regolarmente con gli psicologi durante tutta la missione, anche se saranno soggetti al ritardo di comunicazione.
Foto schema della struttura di Dune Alpha. Fonte; Nakamura reuters
I risultati di CHAPEA e le conoscenze acquisite dall'esperimento potrebbero avere un impatto sulle future missioni della NASA, comprese quelle sulla superficie di Marte.
CHAPEA non è l'unico
In tutto il mondo si sta lavorando su aree diverse, e la NASA e altre agenzie spaziali stanno costruendo un mosaico di conoscenze che si spera comprenda un’intera missione su Marte.
Prendiamo ad esempio il grande progetto degli Emirati Arabi Uniti per Mars Science City, un hub di 176.000 metri quadrati da 136 milioni di dollari proposto per la costruzione nel deserto fuori Dubai. Destinato come luogo in cui l'emirato avrebbe sviluppato la tecnologia per un'eventuale missione su Marte, è stato progettato anche da Bjarke Ingels Group, con edifici stampati in 3D.
All’estremità opposta della scala, la Mars Desert Research Station nello Utah è gestita dall’organizzazione no-profit The Mars Society e popolata – con grande successo – da un team di volontari che hanno simulato un totale di sette anni e mezzo su Marte nel corso di due decenni.
Foto Mars Desert Research Station Utah. Fonte: mdrs.marssociety
Non va dimenticato il progetto Argentino Solar54, di cui alla nostra immagine di copertina, situato nella provincia di La Rioja. Il suolo e le montagne sembrano venire direttamente da Marte. La prima fase di progetto è stata firmata ad Ottobre del 2020 acquistando un terreno di 5 ettari. Il sistema comprenderà una struttura modulare replicabile per un facile trasporto, assemblaggio e installazione il tutto nel rispetto dell'ambiente.
Forse l’analogo più citato oggi è Mars-500, una collaborazione tra l’Agenzia Spaziale Europea e l’Istituto russo per i problemi biomedici. Situato a Mosca e costruito tra il 2007 e il 2011, ha avuto tre simulazioni culminate in una missione di 520 giorni all'interno di un finto habitat su Marte dal 2010 al 2011, che ha preso in considerazione il viaggio su Marte e ritorno, nonché la discesa e l'atterraggio.
Lo stesso istituto russo ha già collaborato con la NASA su SIRIUS (Ricerca scientifica internazionale in una stazione terrestre unica), una serie di analoghi di isolamento e confinamento a Mosca che studiano le dinamiche degli equipaggi multiculturali.
HERA (Human Exploration Research Analog), nel frattempo, ha condotto sei missioni di confinamento e isolamento all'interno di un modulo spaziale simulato di 60 metri quadrati.
Foto esterno HERA. Fonte: NASA
La NASA guarda all’Antartide e alla Concordia – una base di ricerca più isolata della stessa ISS – come un analogo dell’ambiente ostile dello spazio.
Mentre i dati continuano ad affluire da tutti questi esperimenti qui sul pianeta a Terra, la NASA esaminerà anche il programma Artemis, che mira a riportare gli esseri umani sulla Luna, per ottenere maggiori informazioni in aree come le radiazioni che potrebbe essere l’ostacolo più difficile sulla strada verso Marte, data la sua propensione a causare tumori e altri impedimenti fisiologici e psicologici.
GOOGLENEWS
