Voor zover we weten is de aarde de enige planeet met leven. Waarschijnlijk gaat dat veranderen als in de komende eeuwen het grootste project ooit ingang wordt gezet: de dorre wereld Mars veranderen in een groen paradijs. Deel 3 in een serie.
Op een dag zal Mars niet meer een dorre, levenloze wereld zijn,maar net als de aarde krioelen van leven. Welke uitdagingen staan ons te wachten voor we er in zullen slagen deze verre wereld bewoonbaar te maken voor de mens? Deel twee in de serie.
Op een dag,enkele eeuwen in de toekomst,zal Mars niet meer een rode,maar net als de aarde een groene planeet zijn. Hoe? Bekijk dit eerste deel van de documentaire.
Op symphonyofscience.com vind je mooie videoclips over triomfen van de wetenschap.
Samengesteld uit documentaires van visionaire wetenschappers als Carl Sagan, Richard Dawkins en Richard Feynmann.
In de nieuwste clip speelt astronoom Neil Degrasse Tyson de hoofdrol.
Volgens Degrasse Tyson moeten we nog verder de ruimte in.
…
Toegegeven: sinds de laatste Space Shuttle buiten gebruik is genomen, is het praktische nut wat klein, maar toch geeft NASA haar dromen voor bemande ruimtevaart niet op. Zoals blijkt uit dit prototype astronautenwoning, gefotografeerd in het Mars-achtige woestijnlandschap van Arizona. De habitat kan binnen een decennium worden getest in de ruimte en kan op een dag dienen als huiselijk verblijf voor astronauten op de maan of Mars.
Deze tests, afgerond afgelopen maand, bestonden onder meer uit logeerpartijtjes in deze coole ruimtekeet en het runnen van simulaties van werk dat in een enkele dag verricht wordt.
Het opblaasbare design werd ontwikkeld tijdens de universitaire ontwerpwedstrijd XHab. Het uiteindelijke ontwerp kan volledig opblaasbaar zijn of kan een kleine hard omhulsel rond een opgeblazen buitenkant hebben. Harde omhulsels zijn lastiger te transporteren maar blokkeren gevaarlijke kosmische straling veel beter. Opblaasbare habitats zijn makkelijk te vervoeren en licht, beide absoluut essentieel voor ruimtereizen.
Pies wordt beschermschild tegen kosmische straling
Verre ruimtemissies en een lang verblijf in de ruimte zijn zeer riskant. Denk alleen maar aan de vernietigende kosmische straling die kanker kan veroorzaken en straling van zonnevlammen, die astronauten in een oogwenk kunnen doden door de vernietigende deeltjesvloed. De verpakking voor lading wordt daarom dual-use en kan urine in water veranderen door voorwaartse osmose. Dit water kan in de vorm van ijs als beschermlaag op de muren van de ruimtehabitat worden aangebracht om zo de bemanning extra te beschermen.
Veelzijdige verblijfplaats
De ruimtekeet kan van grootte veranderen en zo worden aangepast voor gebruik op de maan, Mars, een asteroïde of als vrij zwevend ruimtestation. Erg nuttig, want zo kunnen veel verschillende missies dezelfde keet gebruiken. De ruimtekeet zal na 2020 worden getest in de vrije ruimte of gekoppeld aan het internationale ruimtestation ISS. Belangrijke eis is dat de ruimtekeet makkelijk met aanwezige materialen gerepareerd kan worden. In een omloopbaan om, zeg, Titan wordt het wat lastig om even wat onderdelen te halen. Ook kan de ruimtekeet worden gebruikt om de bemanning die ruimtetelescopen repareert in onder te brengen. Nu weten we wel dat NASA beweert dat er met de geavanceerde James Webb telescoop echt helemaal niets mis kan gaan, dat de gecompliceerde constructie zonder problemen zich ontvouwt, maar toch is een dergelijk plan B erg handig op een miljoen kilometer afstand van de aarde. Ook kan met meerdere van deze ruimtehabitats een ruimteschip worden samengesteld dat op reis kan naar Mars of verder.
Bron:
NASA Tests a Versatile Habitat for Long-Term Missions, MIT Technology Review (2011)
Aanrader: Fotogalerij: A Deep-Space Home for Astronauts
Stel je bent een hoogbegaafde alien met reisplannen. Helaas voor je, ben je een octopus en is je thuiswereld een eindeloze oceaan. Naar uit recent onderzoek blijkt, hebben wij als aardbewoners de nodige mazzel gehad. Wat als intelligent leven op grote schaal voorkomt, maar de buitenaardse wezens niet in staat zijn van hun planeet te ontsnappen? Een aantal scenario’s.
Om aan een planeet als de aarde te kunnen ontsnappen, moet een enorm hoge ontsnappingssnelheid bereikt worden (op aarde: 11,2 km per seconde) of moet het ruimtevaartuig tijdens de reis omhoog versnellen, bijvoorbeeld via een raket of elektromagnetische versnellingsrail. Om voldoende snelheid te krijgen moet er heel veel energie in een kleine plaats geconcentreerd worden. Dat vereist geavanceerde, sterke materialen, dus behoorlijk wat technisch vermogen.
Oceaanplaneet
Als een wereld geheel overdekt is met een oceaan, zijn intelligente ruimtewezens zwaar gehandicapt. Metaalbewerking en het bereiken van hoge temperaturen in het algemeen, is in een waterrijke omgeving vrijwel onmogelijk. Erg veel meer water dan nu is er niet voor nodig om een oceaanplaneet te vormen. De gemiddelde hoogte van het land op aarde is maar een paar honderd meter. De zeeën zijn gemiddeld 3790 meter diep. Als er tien procent meer water was geweest, waren er slechts enkele eilandjes geweest.
Metaalarme superaarde
Planeten en grote manen differentiëren bij hun ontstaan. Bij dit proces scheiden de zware en lichte bestanddelen van de planeet zich van elkaar. Het metaal zakt naar beneden, de kern in, terwijl lichter gesteente naar boven komt drijven en de mantel en korst vormt. Hoe groter de planeet, hoe sterker dit proces plaatsvindt. In feite zitten er van nature in de korst van de aarde nauwelijks zwaardere metalen dan aluminium en wat ijzer. Alleen door een meteorietenbombardement meer dan drie miljard jaar geleden is de aarde voorzien van metalen als goud en uranium.
Sterren onzichtbaar
Stel dat op een buitenaardse planeet de atmosfeer veel dichter is dan die op aarde of, wat ook kan, veel vochtiger. Sluierbewolking zou dan de sterren en in extreme gevallen zelfs de zon onzichtbaar maken. Er is zelfs veel kans dat wezens op een dergelijke planeet gebruik maken van geluid in plaats van licht, zoals vleermuizen op aarde of dolfijnen onder water. Een buitenaards wezen dat niet in staat is om sterren waar te nemen zal nooit de behoefte voelen op reis te gaan, of uit proberen te zoeken wat er achter de lichtjes schuil gaat.
Wat denken jullie? Hopeloze zaak? Of zouden er toch manieren zijn waarop ondernemende aliens kunnen ontsnappen van dit soort werelden?
In plaats van miljarden euro’s aan instrumenten de ruimte in te sturen kunnen we ook een enkele robot sturen of microbe aan de ruimte aanpassen die zichzelf kan vermenigvuldigen. Wat is er nodig, is dit idee technisch haalbaar en wat zijn de gevaren?
Zichzelf vermenigvuldigende robotmijnwerkers
Zou het niet handig zijn om net als een boer zijn akker, de ruimte, bijvoorbeeld de asteroïdengordel, vol te kunnen zaaien en daarna te kunnen oogsten? Het is niet meer nodig om dure bemande ruimtevluchten te plannen. Sterker nog: de robotwerkers kunnen zichzelf kopiëren, waardoor er na verloop van tijd een leger van honderdduizenden nijvere robotinsecten hun metalen kaken in de asteroïden zet. Kortom: voor de kosten van een enkele ruimtemissie beschik je over een enorm productieve mijnoperatie, die voor tientallen miljarden per jaar aan waardevolle ertsen oplevert.
Dit klinkt te mooi om waar te zijn, althans op het eerste gezicht. Inderdaad zitten er aan dit idee nog de nodige haken en ogen, maar in principe is het heel goed mogelijk. Er is namelijk al behoorlijk veel onderzoek gedaan naar autonome robots die in staat zijn zichzelf te vermenigvuldigen.
Wat is er nodig?
In tegenstelling tot hier op aarde moet een autonome mijnwerkersrobot in staat zijn alle – of vrijwel alle – materialen die hij gebruikt zelf te fabriceren uit de grondstoffen in de omgeving. Een goede energiebron en een ertssmelter zijn dus eerste vereiste. Ook moeten uit de aanwezige grondstoffen de gewenste atomen of verbindingen kunnen worden gesorteerd. Tot slot moeten uit deze verbindingen de materialen kunnen worden vervaardigd waar de robot uit bestaat.
Dat is nog niet alles. Er mag namelijk geen kwaliteitsverlies optreden bij het kopiëren van essentiële onderdelen. Immers, als bijvoorbeeld een bepaald onderdeel een precisie heeft van een micrometer, dan zal met dit onderdeel nooit iets preciezer kunnen worden gefabriceerd dan een micrometer. Bij elke kopie ontstaat er meer speling, dus worden de kopieën elke generatie slechter. Er zal dus in de natuurkundige trukendoos moeten worden getast om dit probleem op te lossen. Met bijvoorbeeld lasers kan je dingen maken die nauwkeuriger zijn dan de onderdelen waar de laser uit bestaat. In levende wezens gaat dat goed, omdat ze op moleculair niveau werken. Atomen kunnen niet slijten.
Ook moet het ontwerp goed bestand zijn tegen energierijke kosmische straling en micrometeorieten. Dat is ook de reden waarom er in ruimtevaartuigen heel ouderwetse computers worden gebruikt. Die zijn zo grof gebouwd, dat hun werking niet al teveel verstoord wordt als een kosmisch geladen deeltje inslaat.
Zouden we al een automatische mijnwerkerrobot kunnen bouwen?
Het voornaamste probleem is voldoende intelligentie inbouwen. Asteroïden bestaan uit meerdere soorten materiaal met waarschijnlijk nog onbekende materiaalsoorten. Door de grote afstand van de aarde is tele-operatie niet of nauwelijks mogelijk. Eventueel kunnen de robots vanaf een centraal brein worden bestuurd dat dan uiteraard op aarde kan worden gefabriceerd.
Een belangrijk ander probleem is de energievoorziening. Op de maan is er heel veel zonlicht. Ook kunnen op de maan robots makkelijk worden bestuurd. Nadeel is dat de maan niet erg rijk is aan gewilde delfstoffen. Metaalasteroïden zoals Kleopatra zijn dat wel. Vele kubieke kilometers massief metaal is uiteraard de droom van iedere mijnbouwer. Het vervelende is dat metaalasteroïden zich ver van de zon bevinden. De zonneconstante, een maat voor de sterkte van het zonlicht, is in de asteroïdengordel maar ongeveer een kwart tot een zestiende zo groot als op de aarde en de maan. Misschien dat dus in een eerder stadium grote hoeveelheden zonnepanelen op de maan worden gefabriceerd en naar de asteroïden worden gestuurd. Silicium zonnepanelen kunnen van silicium en spoortjes andere elementen worden gemaakt, die op de maan net als op aarde overvloedig aanwezig zijn.
Zie ook: Mijnbouw op near-earth asteroids en Een ruimtekei als thuis
Callisto factsheet
Grootte: 4820 km doorsnede (iets groter dan de maan)Zwaartekracht: 0,13 maal die van de aarde, vergelijkbaar met de maan
Atmosfeer: luchtdruk minder dan 10−10 atmosfeer, 99% CO2, 1% moleculaire zuurstof
Temperaturen: -172 graden (gemiddeld)
Daglengte: vrijwel geheel tidally locked met Jupiter
Lengte jaar: een omloop om Jupiter duurt 16,6 dagen; een jaar op Jupiter duurt 11,86 jaar
Waardevolle grondstoffen: water, kooldioxide, zwaveldioxide, ammoniak
Pluspunten: weinig straling aan de oppervlakte, enorme voorraden waterijs, gesteente aan de oppervlakte waaruit materialen zijn te winnen
Gevaren: nauwelijks magnetisch veld, geen atmosfeer, nauwelijks zonnestraling
De omgeving
Callisto is gevormd door het langzaam opslokken van de stofdeeltjes rond Jupiter. Callisto staat te ver weg van Jupiter om beïnvloed te worden dor de magnetosfeer of de getijdekrchten. Astronomen denken daarom (en vanwege de vele kraters op de maan) dat het landschap op Callisto meer dan 4,5 miljard jaar oud is. Dit is slechts honderd miljoen jaar minder oud dan de aarde.
Callisto is dan ook bezaaid met kraters, in de buurt van de maximaal denkbare dichtheid. Op sommige plekken is Callisto bezaaid is met bizarre pieken, die wel wat weg hebben van de ijspilaren in Patagonië. Op plekken waar geen inslagen zijn (of de inlagen zeer oud) is Callisto bedekt met donker materiaal, vermoedelijk koolwaterstoffen en mineralen. Callisto is nooit opgewarmd, waardoor ijs en gesteente op het oppervlak nooit zijn gescheiden, behalve lokaal bij zware inslagen. Bij de extreem lage temperaturen op Callisto is ijs overigens zo hard als graniet.
Op grond van magneetveldwaarnemingen vermoeden astronomen dat Callisto net als de maan Europa een onderaardse oceaan kent, waarin mogelijk leven voor kan komen. Omdat Callisto alleen door radioactiviteit wordt verhit, zijn de omstandigheden voor dit leven veel minder gunstig dan in Europa. Al was het maar omdat de buitenste schil naar schatting 100 km dik is.
Transport van en naar Callisto
Alle ruimtevaartuigen die op dit moment worden gebruikt maken gebruik van raketvoortstuwing. Wat dan telt is delta v – de totale hoeveelheid versnelling en vertraging die nodig is. Beide kosten evenveel raketbrandstof. Ruimtevaartuigen kunnen remmen in de atmosfeer van Jupiter (wat door de sterke zwaartekracht van Jupiter alsnog veel brandstof kost om vanaf Jupiter naar Europa te reizen) of gebruik maken van magneetremming op het enorme magnetische veld, wat brandstof bespaart. Een reis van de aarde naar het Jupitersysteem kost om en nabij de zes jaar als gebruik wordt gemaakt van passieve voortstuwing (planetary flyby).
Hoe bewoonbaar is Callisto?
Het oppervlak van Callisto is vrijwel luchtledig en kent temperaturen van honderdzeventig graden onder nul. De straling is niet zo sterk als op Europa, maar de basis zal beschermd moeten worden voor micrometeorieten. Het ligt dus voor de hand de basis ondergronds te vestigen. Het kan interessant zijn dit ijs in de vorm van een enorme fisheye lens te smelten, waardoor het uiterst schaarse zonlicht op Callisto (3% van dat op aarde) kan worden benut en geconcentreerd. De zwaartekracht is onvoldoende voor een permanent verblijf van de mens. De lage zwaartekracht betekent dat permanente bewoners in een zwaartekrachtsmolen moeten slapen of door een medische behandeling aan de lage zwaartekracht aangepast raken. Mogelijk bevinden zich op het oppervlak van Callisto radioactieve ertsen die als energiebron zijn te gebruiken. Als het lukt om helium-3 kernfusie te realiseren, kunnen de overvloedige helium-3 voorraden op Jupiter geoogst worden.
Een prettige kant aan Callisto is dat het oppervlakte zowel veel waterijs als gesteente bevat, met vermoedelijk de nodige stikstofverbindingen. Dit betekent dat als voldoende energie beschikbaar is, in principe de basis zelfvoorzienend kan worden.
Voordelen van een kolonie op Callisto
Callisto kent enkele grote voordelen. De maan bevindt zich buiten het gevaarlijkste deel van Jupiters magnetosfeer. De maan bestaan voor een groot deel uit water, een eerste levensbehoefte voor alle aardse levensvormen. Het ijs kan gesplitst worden in waterstof en zuurstof om te ademen. De maan bestaat uit een mengsel van ijs en gesteente, wat in principe alle vereiste grondstoffen oplevert. Een basis op Callisto zal – als er leven aanwezig is – vermoedelijk veel interessante wetenschappelijke kennis opleveren. Omdat Callisto niet zo diep in Jupiters zwaartekrachtput zit als de andere drie grote manen, is de maan makkelijker te bereiken en te verlaten dan de andere grote manen van Jupiter. Dit maakt Callisto interessant als bevoorradingsbasis voor expedities naar de buitenplaneten.
Gevaren op Callisto
Callisto kent geen beschermende atmosfeer en wordt voortdurend getroffen door meteorieten. De maan draait op veilige afstand om Jupiter, de planeet met het krachtigste en dodelijkste magneetveld in het zonnestelsel, dus de straling aan het oppervlak bedraagt ‘slechts’ 0,1 millisievert per dag. Ter vergelijking: de dagelijkse stralingsdosis in Nederland bedraagt 0,005 millisievert per dag; de hoogste natuurlijke achtergrondstraling ter wereld is 0,7 mSv per dag in het Noord-Iraanse kustplaatsje Ramsar en lijkt de lokale bevolking niet aan te tasten. Er is minder zonne-energie dan op aarde. Een basis zal dus haar eigen energie op moeten wekken met behulp van kern(fusie)energie. De zwaartekracht is erg laag; kolonisten zullen dus voortdurend zware oefeningen moeten doen of ’s nachts moeten doorbrengen in een zwaartekrachtscentrifuge.
Hoe zou een kolonie op Callisto er uit zien?
Een kolonie met wetenschappelijke doelen of om ruimteschepen te bevoorraden zal vermoedelijk onder het oppervlak gevestigd zijn. Energiegebrek is een belangrijke issue. Mogelijk kan helium-3, gewonnen op Jupiter, worden gebruikt om een kernfusiecentrale mee aan te drijven (gesteld, dat netto energie uit kernfusie tegen die tijd gerealiseerd is). Mogelijk wordt Callisto een knooppunt waarvandaan de helium-3 mijnoperaties op Jupiter worden geleid.
Hoe is Callisto tot leefbare wereld om te bouwen?
Jupiter tot miniatuurzon ombouwen, zoals aliens in Arthur C. Clarke’s Space Odyssey-cyclus deden, is met onze huidige techniek (helaas?) niet haalbaar. Als het belangrijkste doel is om Europa en Ganymedes bewoonbaar te maken, zal Callisto overigens te ver weg liggen om de maan te smelten. Meer perspectief biedt waarschijnlijk de oceaan op honderd kilometer diepte. Deze zou ingezaaid kunnen worden met aards onderzees leven en net als Europa, door zwemmende menselijke wezens met kieuwen bewoond. Omdat er in Callisto alleen radioactieve energie vrijkomt, is er waarschijnlijk nauwelijks tot geen energie beschikbaar. Deze moet dus kunstmatig aangevoerd worden, bijvoorbeeld via een fusiereactor die op helium-3 werkt. Waarschijnlijk is het nog het slimste, in de dikke sorbetachtige ijskorst van het maantje een gangenstelsel aan te leggen. Een bestaan als ijsmollen dus.
De maan blijkt veel meer water te bevatten dan eerder werd aangenomen. Zal het mogelijk zijn om ook uit deze bron water te winnen voor maankolonies?
Onderzoekers vonden water in parels van vulkanisch glas uit maangesteente dat astronauten van de Apollo-11 missie meenamen, samen met andere op aarde veel voorkomende vluchtige elementen. De gehaltes bleken zelfs overeen te komen met die op aarde (1).De hoeveelheid aangetroffen water is daarmee honderd maal hoger dan tot nu toe gedacht. Om een indruk te geven: de hoeveelheid water in maangesteente is hiermee ongeveer 0,04 procent (2). Zou al dit water de maan bedekken, dan was dit voldoende voor een oceaan van meer dan 700 m diepte.
Gevolgen
Deze ontdekking heeft een aantal verstrekkende gevolgen. Ten eerste is dit aanvullend bewijs dat de maan en de aarde een vergelijkbare geologische oorsprong hebben.
Interessanter is dat de ijsafzettingen in de Shackleton krater op de zuidpool wel eens van vulkanische oorsprong kunnen zijn.
De interessantste implicatie is dat er diep onder de maankorst in holtes waarschijnlijk de nodige “pockets” met water bevinden. Dit zou de overlevingskansen van een maankolonie aanmerkelijk vergroten. Ook wordt het aantal vestigingsplaatsen nu veel groter. Niet alleen de polen, maar ook gebieden dichter bij de maanequator worden zo interessant als waterwinnings- en vestigingsgebied. Voorstanders van een kolonie op de maan zullen dit nieuws waarschijnlijk met gejuich ontvangen.
Lees ook: Stad op de maan
Bronnen
1. Parts of moon interior as wet as Earth’s upper mantle, Case Western Reserve University
2. Earth’s bulk water content likely exceeds that of all other terrestrial planets combined, Northwestern University
Als het aan Dr. Behrokh Khoshnevis van de University of Southern California ligt, zijn er straks geen bouwvakkers meer nodig. Je huis ontwerp je dan gewoon op de computer. NASA kijkt niet voor niets met grote interesse naar deze volkomen nieuwe constructiemethode.
Het bouwen van huizen heeft nogal wat middeleeuwse trekjes. Alleen de prijzen en het oerwoud aan ambtelijke bouwvoorschriftenop eenentwintigste-eeuws niveau. Vandaar dat Behrokh Khoshnevis een radicale oplossing bedacht.
3D-printers zijn al bij veel mensen bekend en dalen steeds meer in prijs. Het meest gebruikte type bouwt blokje voor blokje een driedimensionaal object op. Khoshnevis heeft een techniek ontwikkeld om nog een stapje verder te gaan: contour crafting. Als de 3D-printer opgeschaald wordt tot een structuur van tientallen meters groot, zijn de mogelijkheden eindeloos.
Zonder menselijk toezicht kunnen enorme gebouwen geconstrueerd worden. Alles wat nodig is is een voldoende sterk, plastisch bouwmateriaal (zeer snel hardend beton, bijvoorbeeld) en een grote 3D-printer die de bouwinstructies uit kan voeren. De techniek is in feite niet veel anders dan in een 3D-printer wordt toegepast, maar dan op veel grotere schaal. Het verschil is dat niet in pixels, maar door continue voegwerk wordt gewerkt. Het apparaat lijkt meer op een plotter dan op een printer.
Als met meerdere materialen wordt gewerkt, kan je er ook dingen als ramen en elektrische leidingen mee produceren. Je uploadt je ontwerp in een computer, deze stuurt de printer aan en na ongeveer een dag rolt het complete huis uit de printer.
Er zijn plaatsen waar bouwvakkers uiterst schaars zijn of hun verwachte levensduur akelig kort. Het bekendste voorbeeld is uiteraard de ruimte. NASA ziet veel in Khoshnevis’ speeltje om een complete maanbasis te printen. Regoliet (maanstof) kan namelijk makkelijk samen worden gesinterd door het te verhitten, in een keukenmagnetron bijvoorbeeld. De gehele maan is bedekt met een laag regoliet van ongeveer een centimeter dik. In diverse toekomstscenario’s wil men helium-3 uit de regoliet winnen. Het afvalproduct kan dan direct in maanbebouwing verwerkt worden.
Bron
1. Contour Crafting: ContourCrafting.com
2. Lunar habitat: NASA
