עתיד הנדסה אזרחית בחקר החלל והבנייה הלא-ארצית

מבוא: הנדסה מעבר לכדור הארץ

האנושות עומדת על סף עתיד רב כוכבי הלכת.העשורים הבאים יראו מאחזים קבועים על הירח, משימות מאוישות למאדים, ותשתיות מסלול שאפתניות יותר ויותר בלבן של מאמצים אלה הוא הנדסה אזרחית - אבל לא כפי שאנו יודעים זאת.במבנה Off-earth דורש חשיבה רדיקלית של חומרים, עיצוב מבני, לוגיסטיקה וניהול סיכונים.

האתגרים הסביבתיים הייחודיים של בנייה מחוץ לכדור הארץ

בנייה בחלל או על גופים שמימיים אחרים מציגה תנאים קיצוניים שאין להם מקבילה על פני כדור הארץ, הבנה של אתגרים אלה היא הצעד הראשון לפיתוח פתרונות הנדסיים קיימא.

מיקרוגרפיות וגבימיות חלקית

במסלול, הכל נמצא בטכניקות בנייה חופשיות שמסתמךות על הכבידה – שופכת בלוקים קונקרטיים, מחסנים או התיישבות – הופכים לבלתי אפשריים. על הירח (1/6 כוח הכבידה כדור הארץ) או מאדים (1/3 כוח הכבידה כדור הארץ), כוחות כבידה נמוכים יותר משנים את מכניקת הקרקע, יציבות מבנית, ואת התנהגותם של נוזלים. מהנדסים צריכים לתכנן עבור עומסים מתים מופחתים אך יש להגביר את הרגישות לתנודות ועומסים דינמיים מציוד ציוד אנושי או פעילות אנושית.

טמפרטורה קיצונית

על פני הירח, הטמפרטורה נע בין -17 ° C בלילה עד 12 ° C במהלך היום, עם רכיבה מהירה על זריחת השמש ושקיעה. חומרים חייבים לעמוד בהתרחבות תרמית התכווצות ללא סדקים או אובדן שלמות. מאדים מציע תנודות מעט יותר קלות (-125 מעלות צלזיוס עד 20 מעלות צלזיוס) אבל גם חווה סופות אבק גלובליות שיכולות לחסום אור שמש במשך שבועות, המשפיעות על כוח ותקנה תרמית.

קרינה ומיקרומטאורואידים

ללא אווירה מגן או מגנטיספרה, אסטרונאוטים ומבנים נחשפים לקרני קוסמים גלקטיים ואירועים חלקיקים סולאריים.שכבות regolith או חומרים מיוחדים מגנים נדרשים.בנוסף, השפעות מיקרומטראואידיות - נפוצות על הירח ומאדים - הביקוש עור חיצוני ואסטרטגיות תיקון.

⁇ ⁇ וכימיה

הירח ומאדים הוא חד, חודר, וכימיקלי reactive.אבק הוא טעון אלקטרוסטטי ומדביק על פני השטח, מפרקי חיתוך וציוד מזיק. regolith מכיל perchlorates שמציבים סיכונים רעילים. מהנדסים אזרחיים חייבים לבחור חומרים וציפויים המתנגדים לחסן וזיהום, ולפתח פיזור אבק עבור טכניקות בנייה וחלקים נעים.

In-Situ Resource Utilization: Building with What You Find

חומר תחבורה מכדור הארץ יקר באופן בלתי חוקי - ההערכות הנוכחיות עולה על 10,000 דולר לקילוגרם כדי להגיע לירח ו-100,000 דולר לקילוגרם למאדים.הדרך היחידה מבחינה כלכלית היא להשתמש בחומרי גלם מקומיים, אסטרטגיה הידועה בשם In-Situ Resource Utilization (ISRU).

המונחים: rising

חוקרים בסוכנות החלל האירופית ונאס"א פיתחו " בטון מטורף" עשוי מ regolith וסוכן מחייב. Sulfur בטון (שילוב regolith עם sulfur מלוטסטן) ניתן לעבד בטמפרטורות נמוכות וקבועים בתוך דקות. מלטים מוכלים באמצעות מים מופקים מפקדות קרח נחקרים גם הם. 3D-מקודמים באמצעות מבנים מדומים או אדמה מאדים נבדקו בקירות תרמיים וצפופים נבדקו בקירות דחוסים, וצפופים, וצפופים, וצפופים, וצפופים, וצפופים, אשר נבדקים על ידי קירות בית גידול תרמיים, ודחוסים על ידי קירות מחוספסים על ידי קירות בית גידול תרמיים, ודחוסים, ודחוסים, ודחוסים, ודחוסים, כמו כן, וחום, כמו כן, וחום, וחום, ושרירים, ודחוסים על ידי קירות מחוספסים על ידי קירות מחוספסים על ידי קירות בית גידול תרמיים על ידי קירות מחוספסים, ודחוסים, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו כן, וקרקע מאדים, מחוספסים על ידי קירות מתכת מחוספסים על ידי קירות מתכתי

מים כמשאבים בסיסיים

קרח מים קיים במכתשים ירחיים צללים לצמיתות ומתחת לפני השטח מאדים.פלט וטיהור מים תומכים במערכות תמיכה בחיים, הגנה מפני קרינה (מים הם סופגן מצוין של קרינה), ויכול להיות מחולק על ידי אלקטרוליזה למימן וחמצן לדלק טילים.מהנדסים אזרחיים חייבים לתכנן, אחסון ורשתות הפצה שפועלות באופן אמין בסביבות דלת-כבידה, טמפרטורות נמוכות.

ייצור מתכת ומוצרים גמישים

ברזל, אלומיניום, טיטניום וסיליקון קיימים בירח ומאדים regolith. Novel smelting תהליכים, כגון molten-salt אלקטרוליזה או התגובות המrmite, יכול לחלץ מתכות ללא צורך גדול בסגנון כדור הארץ בסגנון לכלוך.המתכות האלה ניתן להאכיל ישירות לתוך מדפסת 3D כדי ליצור רכיבים מבניים, לתקן חלקים, להפחית באופן דרמטי את הצורך עבור צינורות מקודמת כדור הארץ כבר סימולציה של צינורות 1F:

עיצוב אינטגרטורי עבור שטחים נוספים

מבנים מחוץ לאוזן חייבים לשרת פונקציות מרובות: הגנה מפני קרינה ומיקרו-מטאורואידים, ויסת לחץ פנימי, מתן בידוד תרמי, ושילוב פעילויות אנושיות – כל זאת תוך כדי שהוא בנוי עם ציוד מוגבל בסביבה עוינת.

אדריכלות מודולרית ואינטגרטיבית

הפתרון המיידי ביותר הוא גישה היברידית באמצעות מודולים קשיחים משוגרים מכדור הארץ בשילוב עם מודולים מנופחים.In מנופחים מציעים יחס נפח גבוה-to-mass וניתן להרחיב לאחר הנחיתה עם שחיקה פנימית.מודול הפעילות הרחבה של Bigelow Aerospace (BEAM) בתחנת החלל הבינלאומית הוכיח את יכולתם של מבנים מנפחים.

כיפתים גיאודות וידויים

עבור חללים פנימיים גדולים - אזורים חקלאיים, אזורי נופש, או התנחלויות בקנה מידה עירוני - עיצובים גיאודות או ארכאיים להפיץ עומסים ביעילות תחת לחץ פנימי וקרקע חיצונית overburden. כי הכבידה נמוכה יותר, טווחים יכולים להיות גדולים יותר מאשר על פני כדור הארץ, אבל ניתוח סופי זהיר קבע נדרש כדי לקחת בחשבון רכיבה על אופניים תרמיות וסידורים שונים של הקרן.

בתי מלון ב-Crediting

שכבת עבה של regolith (2-3 מטרים על הירח, 1-2 מטר על מאדים) מספקת הגנה שווה ערך לאטמוספירה של כדור הארץ.הגישה הפשוטה ביותר היא לחפור תעלה, מקום מודול בית גידול, ולהכסות אותו בחומר שנחפר. עיצובים מתקדמים יותר כרוכים בקשתות מכוסות 3D על קפסולה לפני מקום, ואז מחלחלים עם regolith של נאס"א.

קרנות ב-Lolow Gravity

ירח ו Martian regolith הוא רופף, יבש, וקומפקטי מאוד.תחת כוח הכבידה נמוך, תכונות נושא מופחת, אבל כך הם עומסים. קומפקטיות דינמי עם רולרים רוטינג (מתפתח עבור יישומי הירח) או מוצקה כימית באמצעות כונני פולימר יכול ליצור יסודות פלטפורמה יציבה עבור בתי גידול ומשטחי נחיתה. helical ערמות - מברגים ארוכים מעוות לתוך הקרקע - עשויים לספק עוגן ללא צורך רופף בחומרים עמוקים.

אוטומציה של בנייה ורובוטיקה

נוכחות אנושית על הירח או מאדים תהיה בתחילה מסוכנת מדי או יקרה עבור בנייה ידנית.רובוטים ומערכות אוטומטיות יבצעו את רוב הכנת האתר, עיבוד חומרי, ייצור, והשלמת העבודה.

Swarm Robotics ו-Cooperative Construction

רובוטים קטנים ופשוטים רבים שעובדים בצוותים יכולים להשיג משימות מורכבות כגון חפירת תעלות, ערימה של שקיות regolith או מבנים של אסטלינג truss מבנים.כל רובוט מתקשר עם אחרים ועם בקר מרכזי, להסתגל לתנאים משתנים.

ייצור אוטונומי ותוספת

(מקטעים רובוטיים גדולים, דומים לאלה המשמשים כרייה אך מותאמים לכובד ראש נמוך ואבק חודרני, יחפור יסודות ואסוף regolith. אלה המצאות להאכיל מערכות הדפסה תלת מימדיות ניידים שמפגמות קירות, רצפות ותמיכה בעמודות.דפסת אפס-גרביט כבר נבדקה על טיסות פרבוליות, ו-F של סוכנות החלל האירופית:0D3DR על גבי תא ה-F לעג.

תקשורת וטלוויזיות

עבור משימות הדורשות אינטואיציה אנושית, מפעילי כדור הארץ או במסלול ישתלטו על רובוטים באמצעות טלובוטים בזמן אמת - עם עיכובים חד-פעמיים משמעותיים (1-2 שניות לירח, 4-24 דקות למאדים) אוטונומיה משותפת (שם הרובוט מטפל בהימנעות מההתנגשות המקומית בזמן שהמפעיל מדריכים ברמה גבוהה מדי) הוא תחום מרכזי של מחקר.

מערכות תמיכה בבני אדם ו-Life Support

הנדסה אזרחית בחלל משתרעת מעבר לפגזים וקרנות.בית גידול חייב לתמוך במערכת תמיכה סגורה לחיים המחזרת אוויר, מים ובזבוז, ושומר על סביבה נוחה לבריאות הצוות ולפרודוקטיביות.

שילוב של מערכות מכניות ומבניות

קידודים ותנודות, צינורות מים, וכבלי נתונים חייבים להיצמד דרך קירות ותקרה ללא שילוב של יושרה מבנית או הגנה על קרינה. לוחות מכוונת מראש - בדומה ללוחות מבניים של כדור הארץ - מפותחים עם רכיבים של תמיכה בחיים.

שיקולים אקוסטיים ופסיכו-חברתיים

(בסביבותיה ממותקים וממתכת יכולים להפוך לתאי הד.אין ממעריצים, משאבות ומכונות חייבים להיות מכווצים, ומרחבים פרטיים הניתנים לצמצום הלחץ במהלך משימות תאורה טבעית, צמחים וחלונות מציאות מדומה הם חלק מהצוות של מהנדס האזרחי ליצירת פנים בריאותיות מבחינה פסיכולוגית.

תפקיד מרכזי של מהנדסים אזרחיים בתוכניות חלל

באופן מסורתי, מהנדסים אזרחיים התמקדו גשרים, סכרים ובניינים.עבור החלל, הם חייבים להיות מומחים בסביבה קיצונית, ISRU, רובוטיקה ושילוב מערכות.

• (ב) ⁇ :0) בחירה והערכה: 1FLT:1 הערכת יציבות הקרקע, קרח תת-קרקעי, וזמינות השמש באמצעות חשונות מרחוק ומרובעים.
• (FLT:0) בדיקות אוויריות וההסמכה: FLT:1 פותח סטנדרטים עבור בטון מבוסס רגולציה, מורכב, ו בדים מנופחים תחת ואקום וקרינה.
• (FLT:0) ניטור בריאותי של ספקטרום 1: 10) חיישנים Embedding כדי לזהות סדקים, דליפות או עייפות על פני מחזור חיי הגידול.
• (FLT:0) ניהול סיכונים וניהול סיכונים: FLT:1 מבטיח עמידה בהסכמי חלל בינלאומיים ופרוטוקולים בטיחותיים למשימות מאוישות.
• (ב) תכנון מחזור חיים:0) 1 (FLT:1) תכנון התרחבות, תיקון, וביטול בסופו של דבר - הכל במסגרת מגבלות של כלכלה סגורה.

תוכניות האוניברסיטה מציעים כעת קורסים ייעודיים בהנדסה אזרחית בחלל, וסוכנויות כמו נאס"א ו- ESA לגייס באופן פעיל בוגרי רקע בהנדסה גיאוטכנית, מדעי חומרים ורובוטיקה.

מחקרים: מיזמים מתוכננים ומושגים

כמה פרויקטים גדולים מעצבים את מפת הדרכים לתשתיות מחוץ לאוזן.אלה אינם מדע בדיוני – הם נמצאים תחת התפתחות פעילה.

מחנה הבסיס של נאס"א

תוכנית ארטמיס שואפת להחזיר את בני האדם לירח ולבסס בסיס קבוע ליד הקוטב הדרומי.בסיס יכלול מודולים ההרגל, ריבור מחודד, ותשתיות פני השטח כגון כריות נחיתה, כבישים ורשתות חשמל.הבסיס הראשוני מתמקד בשימוש במודולים prefabricated שהושקו מכדור הארץ, אך בשלב מאוחר יותר לשלב מבנים regolith מודפסים 3D עבור צוותים והרעיון כולל "כוח" עבור שטח גרעיני.

SpaceX Starship

ספינת החלל של SpaceX מיועדת כמערכת שיגור מלאה שניתן יהיה לבצע עד 100 אנשים למאדים.הנפח הפנימי הגדול של הרכב (כאלף מ'3) ניתן לחלק לתוך תאות פרטיות, אזורים משותפים, מעבדות, וחממות. כי ספינת הכוכבים עצמה תנחת על מאדים, בית הגידול הראשון הוא למעשה הספינה עצמה מאוחר יותר יהיה כרוך בתוספות וריבורת מטוסים מרובים על מנת להפחית את המשאיות האזרחיות.

כפר הירח של ESA

החזון של סוכנות החלל האירופית ל"כפר מוון" הוא התיישבות לא-ממשלתית, רב-תכליתית שיכולה לכלול מתקני עיבוד משאבים מדעיים, מסחריים ותיירות.אלמנטים מרכזיים כוללים ⁇ מודפסים תלת-ממדיים מכוסים בתחנות עיבוד משאבים, ורשת כוח מבוזרת באמצעות מקורות סולאריים וגרעין.

אחריות ופעולות ארוכות טווח

בניית בית גידול חד פעמי הוא רק ההתחלה. עבור התיישבות לשגשג, תשתיות חייבות להיות נוקשות, מתרחבות ובסופו של דבר הסתמכות עצמית.

מעגל חומרים סגור-Loop Materials

פסולת תעובד בחומרי גלם: פסולת אורגנית שהוצבה או בשימוש ביולוגיים, מתכות ממוחזרות ופלסטיקים שבורים. מהנדסים אזרחיים יעצבו מתקני מיחזור שמתאימים לטביעת הרגל של בית הגידול ופועלים עם אנרגיה מינימלית והתערבות אנושית.המטרה היא להתקרב לבזבוז אפס - צורך בעת ביצוע משימות חוזרות על מיליארדים.

הדרך ליעילות עצמית

ככל שההתנחלויות יגדלו, התלות על פני כדור הארץ תקטין.בייצור החלל ייצור חומרי בנייה, חלקי חילוף ואפילו מזון ישירות מהמשאבים המקומיים.בסופו של דבר, בתי גידול חדשים עשויים להיבנות לחלוטין מחומרי ISRU – מלכודת מגפיים אמיתית.זה דורש ממהנדסים אזרחיים לתכנן את ההתרחבות שלב, שבו כל מודול או מבנה חדש ניתן ליצור מהתפוקה של אלה הקודמים.

גירוש ו Legacy

גם בעולמות אחרים, מבנים יש חיים סופיים.תכניות חייבות לטפל כיצד לדחות בבטחה בתי גידול מיושנים, להחתים אזורים מזוהמים, ולשמר חפצים היסטוריים לדורות הבאים של חוקרים.המאמץ ההנדסי ל"לא להשאיר שום עקבות" על סביבות פריזטיות כמו הקוטבים הירחיים יהיו מתוחכמות כמו הבנייה המקורית.

מסקנה: הגבול הבא של הנדסה אזרחית

הנדסה אזרחית עוברת מהפכה שקטה.המיומנויות והידע הדרושים כדי לתמוך בחיים על פני כוכב לכת אחר הם מניעים חדשנות בחומרים מדע, אוטומציה ועיצוב מערכת שגם ישפר את הבנייה על כדור הארץ - מבניינים חסרי ניסיון לאסון ועד אתרי בנייה אוטונומיים.עתיד של הנדסה אזרחית ב חקר החלל אינו פנטזיה מרוחקת; הוא תוכנן, נבדק וממומן כיום מהנדסים אשר מחבקים את הגבול הזה יעזור לכתוב פרק הבא של הציוויליזציה האנושית, בית גידול אחד, פעם אחת, רשת תמיכה אחת, חיים אחת, אחת, אחת, אחת, ומערכת חיים אחת, אחת, אחת, ומוסמך זמן אחת, היא מעוצבת, ומומנת.