Bouwen op Mars: de Ice Hab

Nu de plannen om mensen naar Mars te sturen steeds concreter worden, vond de studente bouwkunde Layla van Ellen het een uitdaging te onderzoeken hoe een habitat op Mars zou kunnen worden ontworpen. Welke materialen op Mars kunnen worden gebruikt in welke samenstelling en met welke technieken kan er worden gebouwd? Aan welke eisen moet een habitat voldoen om de bewoners niet alleen te beschermen tegen straling en lage temperaturen, maar ook een prettig leefbare omgeving te verschaffen? Op 1 februari 2018 studeerde Layla van Ellen af bij de faculteit Bouwkunde van de TU Delft, op haar master thesis Building on Mars: Research on In-Situ Resource Utilisation (ISRU) for a sustainable habitat. Op alle vakgebieden scoorde haar afstudeeronderzoek een 10. Een uniek resultaat voor een uniek stuk werk.

Uitdagingen op Mars

Momenteel worden de mogelijkheden onderzocht om mensen naar Mars te sturen. Deze ambitieuze doelstelling vraagt om een breed scala aan nieuwe technologieën, innovaties en een frisse blik op de huidige uitdagingen waarmee we op aarde worden geconfronteerd. Dit geldt ook voor het vakgebied architectuur en bouwtechnologie.

In-Situ Resource Utilisation (ISRU)

Om mensen naar Mars te sturen, moeten er een aantal moeilijkheden worden overwonnen. Ten eerste is er overal op Mars een sterke ioniserende straling waartegen een goede afscherming vereist is. Een geschikt afschermingsmateriaal is H2O, waarvan een dikte van minstens 325 mm nodig is voor een effectieve afscherming. Aangezien het zeer kostbaar is om de benodigde hoeveelheid water vanaf de aarde naar Mars te transporteren, is er gekeken naar het gebruik van lokaal beschikbare materialen. Dit proces wordt In-Situ Resource Utilisation (ISRU) genoemd. Andere uitdagingen zijn de extreem lage temperaturen (van 20 °C tot -153 °C) en het ultrafijne stof op het oppervlak van Mars. Op basis van deze overwegingen werd de onderzoeksvraag geformuleerd: Welke in situ materialen en vormingstechnieken zijn geschikt om de buitenstructuur van een duurzame habitat op Mars te bouwen die de bemanning beschermt tegen de vijandige omgeving?

IJs als bouwmateriaal

Uit literatuuronderzoek blijkt dat ook ijs een uitstekende afscherming tegen straling biedt. Bovendien is ijs op verschillende dieptes onder het oppervlak van Mars aanwezig; lokaal wordt ijs al op 30 cm diepte gevonden. Het ijs op Mars bestaat uit H2O met verschillende zouten waaronder natriumchloride (NaCl). In de arctische gebieden hier op aarde worden ijs en sneeuw al eeuwenlang gebruikt als bouwmateriaal. Het beroemdste voorbeeld is de iglo die gebouwd wordt door sneeuwblokken in een halve bolvorm te stapelen. Andere ijsstructuren zoals ijshotels en paleizen worden voor recreatieve doeleinden gebouwd. Deze structuren zijn echter allemaal tijdelijk van aard en hun vormvrijheid en maximale overspanning zijn beperkt. Recent zijn er experimenten uitgevoerd door de TU Eindhoven om grotere bouwwerken met grotere overspanningen te maken met pykrete, ijs dat is versterkt met houtpulp. Aangezien hout niet op Mars wordt aangetroffen, moet het ijs worden versterkt met behulp van andere, lokaal beschikbare materialen.

Versterkingsmaterialen getest

Om die reden werd er een aantal experimenten uitgevoerd om de haalbaarheid te testen van het gebruik van ijs als bouwmateriaal op Mars. Deze omvatten een mengtest, een smelttest en een druksterktetest. De experimenten zijn gedaan met behulp van verschillende variabelen (zoals verschillende versterkingsmaterialen in verschillende hoeveelheden) en in diverse testomgevingen. De resultaten waren hetzelfde voor alle drie de testen: de toevoeging van zand (analoog voor Mars regolith) of plastic (als missie afval) verbetert de bouweigenschappen van ijs niet. Het toevoegen van natriumchloridezout verbetert echter de algehele bouweigenschappen aanzienlijk. Uit de resultaten van de experimenten blijkt dat tot 1,5% NaCl de druksterkte verhoogt van gemiddeld 1 MPa tot 4 MPa. Een hoger percentage natriumchloride leidt niet tot een verdere toename van de druksterkte. De experimenten gaven ook aan dat hoe kouder de testomgeving (tot -70 °C), hoe hoger de druksterkte van het NaCl-ijs is. Hoe warmer de omgeving (tot +25 °C), hoe plastischer het NaCl-ijs zich gedraagt.

Bouwen met robottechnologie

Een verdere uitdaging is dat een habitat op Mars semiautomatisch moet worden gebouwd. Bij deze studie is ook onderzoek gedaan naar het gebruik van robottechnologie voor de constructie van de habitat, vanaf het delven van het ijs tot en met het daadwerkelijke bouwen van de habitat. Een beknopte analyse toont bovendien aan dat het gebruik van additive manufacturing een groot potentieel heeft voor de assemblage van de habitat. Voor dit onderzoek is een eerste serie studies en experimenten uitgevoerd om additieve productietechnieken (3D printing) in te zetten voor natriumchloride-ijs. Het belangrijkste resultaat is dat de ijsstructuur een grotere algehele sterkte heeft als gevolg van het laag voor laag bevriezen van het ijs. Deze techniek biedt ook het voordeel dat eventueel tijdens de bouwfase ontstane scheuren direct worden gerepareerd doordat deze worden opgevuld door water, dat vervolgens uitzet bij bevriezen. Hierdoor wordt bovendien een sterkere structuur gecreëerd. De experimenten gaven ook aan dat het ijs veel sneller bevriest dan het sublimeert, in overeenstemming met de strikte eisen die aan de duur van de bouwtijd worden gesteld door de algehele planning van de missie. De planning wordt op zijn beurt bepaald door de afstand van de aarde tot Mars, die een keer per 26 maanden minimaal is.

Ice Hab voor Mars

Ten slotte is er een habitat, de Ice Hab ontworpen om te beoordelen of de technische bevindingen bruikbaar zijn en voldoen aan de algemene habitatvereisten. Er zijn twee gescheiden modules ontworpen, rekening houdend met zowel kwantitatieve als kwalitatieve criteria. De psychologische behoeften van de bemanning zijn zorgvuldig meegewogen in het ontwerp voor de binnenruimte. De twee belangrijkste activiteiten, werken en wonen, worden zowel fysiek als mentaal gescheiden door beide functies in verschillende modules te plaatsen. Daarom kan ook de bemanning beide functies scheiden om ‘het werk niet mee naar huis te nemen’ of omgekeerd. Het woongedeelte omvat zowel sociale, gemeenschappelijke ruimtes als privévertrekken voor elk bemanningslid. Het algemene ontwerp is zodanig dat interactie met collega’s noodzakelijk is, maar een moment alleen zijn is ook mogelijk via verschillende routes en gangen binnen de Ice Hab. Dit helpt ook om verveling te voorkomen. Het ontwerp is dus gebaseerd op twee modules die aan elkaar zijn gekoppeld met een kas waar verschillende planten kunnen groeien. De kas wordt omgeven door een extra laag ijs en kan dus als schuilplaats dienen tijdens periodes van verhoogde ioniserende straling, zoals bij een sterke zonnewind.

Twee bouwtechnieken

De twee modules zijn geoptimaliseerd met het parametrische programma Rhinoceros waardoor het ijs altijd onder compressie staat omdat ijs sterk is in compressie en zwak in trek. Dit resulteert in twee koepels die ook een grote weerstand bieden tegen de inslag van middelgrote meteorieten. De Ice Hab gebruikt twee verschillende bouwtechnieken met ijs om te voldoen aan zowel de duurzaamheidseis van een Klasse IV-habitat als aan de vereisten voor redundantie. De eerste techniek, op basis van additive manufacturing, is bijna volledig onafhankelijk van materialen van de aarde. De andere techniek gebruikt een opblaasbaar plastic membraan gevuld met ijs om te voorkomen dat het ijs sublimeert in de atmosfeer.

Vervolgonderzoek

Het ontwerp van de habitat voldoet goed aan de gestelde eisen. Toekomstige studies zullen ook te maken hebben met de kracht die nodig is om met ijs te bouwen, omdat het ontwerp op dit moment de energie-eisen overtreft. Dit onderzoek heeft de belangrijkste onderzoeksvraag beantwoord door de ontdekking van een nieuw potentieel bouwmateriaal, natriumchloride-ijs, evenals een specifieke techniek om het ijs te verwerken via additive manufacturing. Verder onderzoek is nodig om de toepasbaarheid van deze resultaten in de praktijk te bepalen. Niettemin is er een stevige basis gelegd om het bouwen met zout-ijs verder te onderzoeken, met als doel de bouw van een veilige habitat op Mars.

Tekst en beeld Layla van Ellen

Hemelhoge ambities

Regelmatig krijg ik potentiële afstudeerders binnen met hemelhoge ambities. Meestal moet je dat als hoofdmentor flink bijstellen. Toen Layla van Ellen mij mailde met een verzoek om te praten over bouwen op Mars kreeg ik weer een gevoel van ‘weer iemand die niet begrijpt dat zo iets niet kan’.
Praten met Layla was een unieke ervaring, een zeer gemotiveerde studente die precies begreep wat de problemen waren, alle technische obstakels zag en begreep en de wil en drive had om deze te overwinnen. Tijdens het afstuderen heeft ze alle verwachtingen, die ik en de andere mentoren hadden, overtroffen. Layla was eigenlijk op diverse fronten bezig, en deed in haar eentje een onderzoeks- en ontwerpproject met alle kenmerken van lucht- en ruimtevaart, civiele techniek, scheikunde, natuurkunde en materiaalkunde erin, zonder het uitgangspunt van bouwkunde, bouwen voor echte mensen met echte behoeften, uit het oog te verliezen. Dit resulteerde in een uitzonderlijk stuk werk dat feitelijk vrijwel alle velden van techniek bevatte die de TU Delft heeft, geplaatst in een buitenaardse bouwkundige context.
In het proces heeft ze een unieke bijdrage geleverd aan het probleem van wonen op Mars. Dit vervat in een volledig maar zeer goed leesbaar verslag en een uitzonderlijke goede presentatie. De afstudeercommissie, aangevuld met een externe Amerikaanse gasthoogleraar, had na een kort beraad de conclusie dat op alle vakgebieden alleen een 10 als cijfer kon worden gegeven. Een uniek resultaat voor een uniek stuk werk.

Tekst Fred Veer, universitair hoofddocent materiaalkunde, Faculteit Bouwkunde TU Delft .

Dit artikel is gepubliceerd in ArchitectuurNL 2 2018

Gerelateerd

• Promotieonderzoek Michiel Smits: The Rural Housing Studio
• World Elephant Centre – Marta Rota
• Aquatic Village afstudeerproject James Moya Jessop
• Preview magazine ArchitectuurNL 2 2018
• Futuro en andere futuristische huizen