科学と技術の進歩のおかげで、人類は近い将来、最も近い惑星からより遠い惑星へと移動しながら、新しい惑星に住むことができるようになります。火星への人間居住のためのいくつかのミッションが現在進行中です。たとえば、すでに破産した Mars-One プロジェクトや、NASA から新たに提案されたスキームなどです。
この記事では、過酷な気候と有害な排出物から人間を保護するために、火星に地下構造を構築して使用する可能性について検討します。 Arsia Mons などの火星での最初の定住のための主要な場所は、適切な状況下で検査されました。地下空間を生成するためのトンネルの数値解析は、火星の重力における断層や接合部などの重要な不連続の多様な空間的方向性を考慮して行われました。地表近くの火星の岩石のトンネリングは、主要な障害や不安定性に対して脆弱ではないと結論付けられました。地下構造物は、火星に人間を住まわせ、危険な宇宙線や太陽光線に対して断熱材を作り、適切な深さの負荷岩塊を形成することで、過酷な温度から保護するための最良の選択肢の 1 つにランク付けされると判断されました.
はじめに:
NASA は新しい提案を発表しました。さらに、スペース X の社長は、ファルコン ヘビー ロケットを開発することで、人類絶滅のリスクと闘うためのいくつかの兆候を示しました。現在、さまざまな国で、GDP 所得の数パーセントが幅広い科学技術の研究開発に費やされています。研究開発予算の約 1/10,000 が他の惑星の支配に関する調査に費やされていることを考えてみてください。そこに人間を収容することは非常に合理的です。この余裕は、関連する科学の専門知識を獲得するための基礎を作成するだけでなく、地球上での潜在的な絶滅から人類を救うために、他の惑星への定住をスピードアップすることもできます.
現在、人間が準備したロボット マシンを火星に着陸させ、安定化基地を経由して惑星を征服し、そこに居住することが話題になっています。月や、最近では彗星の鉱物資源の採掘についての認識でさえ、さまざまな政府によるいくつかの声明や政策宣言につながっています。この記事では、火星の地面の下に人間の避難所を建設する可能性を高めようとしました。火星表面では、場所によっては-100℃以下の厳しい環境条件が発生しています。一方で、人間に住みやすい環境を提供するシェルターを建設するための地球に匹敵する建設資材の不足も問題です。
表層の岩石を掘削し、採掘された空間を断熱材で隔離して、掘削空間に居住可能な暖房を作り出すというアイデアは斬新なアイデアです。岩石の掘削は、太陽光、原子力、または電気を動力源とする機械で構成されるさまざまな可搬型機器を介して行われる可能性があります。この機械は、ハンドヘルド掘削機からマイクロまたはミニ サイズのトンネルボーリング マシン (TBM) まで、サイズが異なる場合があります (図 1 を参照)。 Space X による Falcon Heavy などのロケット技術の発展により、必要な装置の出荷は実現可能に見えます.
火星の環境設定と重力
火星の重力
火星の通常の表面重力加速度は 3.72076 m/s2 に相当することが検出されており、約 0.059 m/s2 または 1.6% の地球規模の変化と変化範囲が許容されます。 MGM2011 の重力加速度の最大量は、北平原の低地に位置するホユトラ クレーターの最下部 (北緯 81.6°、西経 169.3° の座標) に位置しています。最小量は、タルシス楯状火山の最南端に位置するアルシア モンスの端 (座標 8.4°S、121.4°W) に位置しています (Hirt et al., 2012)。
火星の地形と温度
火星の地形は、1996 年に打ち上げられたマーズ グローバル サーベイヤー (MGS) の機器であるマーズ オービター レーザー高度計 (MOLA) によって測定されました。マッピング ミッションを完了するのに 4 年半かかりました。オービターによる火星の地形学的研究により、火星の北半球では標高が低く平坦であり、クレーターがほとんど存在しないことが示されました。北半球には大きな楯状火山が存在します。顕著な樹枝状水路形状と巨大な洪水水路、およびクレーターのある高地が南半球と赤道で発生し、北半球とはまったく異なる形態です (Bargery et al., 2011)。
火星の気候と温度に関する研究により、35 億年前の火星の天候は、原始地球と同様に暖かく湿気が多かったことが示されました。火星の大気中の二酸化炭素と水の相互作用により、ほとんどの CO2 を使用して炭酸塩岩が形成されました。地球のプレートテクトニクスのように、火星には二酸化炭素を大気中に戻す回復プロセスは存在しません。その結果、火星の大気は非常に低い気温によって衰弱し、火星の極に永久凍土の形で凍った水が存在するか、破壊的な深さに閉じ込められます.
火星の天気は、地球と比較して、年間の季節を通して大きく異なります。地軸が傾いているため、南半球の季節は北半球よりも厳しい (NASA のウェブサイト)。火星の最高気温は、夏の正午の赤道位置で華氏 70 度 (摂氏 20 度) 近くに達することがあります。最低気温は、極点で約華氏 -225 度 (摂氏 -153 度) に達することがあります。中部に位置する緯度では、平均気温が摂氏マイナス 50 度近く、夜間は摂氏マイナス 60 度になることもありますが、夏の正午には最高気温が摂氏 0 度になることもあります。 Mars Odyssey THEMIS (熱放射イメージング システム) 装置とアリゾナ州立大学の NASA チームによって編成された、火星表面の温度変化の動画のスクリーンショットが (図 2) に示されています。映画へのリンクは画像の下にあります (Mars Odyssey と ASU 大学の THEMIS チーム)。
火星の主な岩石成分と同等の工学的特性
火星は地球と同じように、地殻、マントル、コアを持っています。現在のモデルは、主に鉄、ニッケル、および約 15 ～ 17% の硫黄で構成されるコア セクションを示しています (Kavner et al., 2001)。そのコアは部分的に流動状態にとどまり、軽元素が地球のコアのほぼ 2 倍の量で集中しており、コアはケイ酸塩マントルに囲まれています (Fuller and Head, 2002)。古代の火星の地殻では、地殻活動がなかったため、地殻の再処理は地球ほどには発生しませんでした (Zuber, 2001)。リモートセンシングスペクトルデータから得られたデータ、および同様に火星の隕石から得られたデータは、地殻および表面物質がほとんど玄武岩のままであるか、主に火山活動のために玄武岩から考案されていることを示しています (McSween et al., 2009)。
マーズ オポチュニティ ローバーはメリディアニ平原で堆積岩を発見しました。これらの調査結果からのデータは、火星の表面がレゴリスと玄武岩の土壌に囲まれていることを示しています。火星模擬土壌の機械的特性と支持力に関するいくつかの研究は、地球からの類似の土壌に関するアナログ研究方法によって行われました (ElShafie et al., 2012)。これらの調査の結果は、火星の表面での浸透性、安定性、および交通能力を見つけることに適用できます。表面はしばしば火山岩で覆われています。それにもかかわらず、土壌の形をした堆積物は、薄い層から厚い層の形で発生します。
土壌層の下の岩盤の深さに関する重要な情報はありません。しかし、岩石が硬い火成岩の場合は、シールド マシンやブラストではなく、小型の TBM がさらに役立ちます。場所によっては、弱い火砕岩で岩石が構成されている場合は、発破用の掘削機を地面に外側に固定する必要があります。典型的には、切断物を運び、ドリルビットから熱を取り除くために水が適用されます。したがって、この問題に対して新しい戦略または手法が提案されます。
火星の初期のシェルターに代わる地下構造
赤道直下の場所には、火山岩 (玄武岩など) からの自然の洞窟がいくつか存在し、さらに開発または掘削することができます。 Fogg (1997) と Cushing らによって以前に推奨された重要な意見。 (2007) は、アルシア モンス火山 (図 3 を参照) 内で、オデッセイが自然の洞窟または溶岩洞を明らかにしたことです。初期の火星入植者は、これらの自然のシェルターを利用して、放射線や微小隕石から身を守ることができました。地熱エネルギーの存在は、Arsia Mons 近くの赤道地域で結論づけられている (Fogg, 1997)。 Arsia Mons は、人間の行動のためのより多くのスペースを提供するために、自然の洞窟を追加で掘削できる最初の定住の良い候補であると結論付けることができます.
地球から採取された添加剤または結合剤を含む火星で発生する天然素材を使用して、これらの空間を密閉し、外部の過酷な低温に対する断熱材を提供できます。強力なロケットで運べるミニTBMを火星に適用することで、地下空間の拡張が可能です。これらの TBM は、地上の専門家が遠隔操作できます。 TBM を火星に持ち込めない状況では、ポータブル ドリルを火星に持ち込んで、電気エネルギーで駆動することができます。ただし、これらのポータブル ドリルでは、大容量のスペースを掘削する際の生産性は低いままです。
火星の岩石のトンネルのモデリング
火星の岩石の円形トンネル法を調べるために数値解析を行った。この数値解析では、火星の重力と火星の岩石の潜在的な断層または節理の影響を考慮して、岩石の破損確率を特定しました。この研究では、円形のトンネル形状でモデル化された火星の地下構造の周りの岩石安定性グラフが取得されました。応力分布を計算して、円形トンネル周辺の岩盤の崩壊と断層すべりの可能性に関する基本的な理解を得ました。応力成分は、Kirsch (Jaeger et al., 2009) による 2-D 解析ソリューションを使用して計算されました。
一次鉛直応力 p2 は表土圧であると仮定されました。初期の水平応力 p1 は、垂直応力の k 倍であると仮定されました。係数 k は、0.25、0.5、1.0、1.5、または 2.0 と仮定されました。応力成分は、x 軸から y 軸まで b で傾斜する接合面上の主応力または法線およびせん断応力に変更されました。この計算で使用された方程式を確認するには、2017 年の Tunneling and Underground Space Technology ジャーナルに掲載された主な記事を参照してください (Morteza Sheshpari、藤井義明、および谷拓也）。岩石の内部摩擦角または接合面の摩擦角を 30° と仮定して、岩石の破壊またはジョイントの滑りを防止するための結合力を計算し、初期垂直応力で正規化して表示しました (図 4)。 K のさまざまなシナリオにおけるより多くの数値解析図とグラフについては、読者はメインの記事を参照できます。図の負の値は、岩石または接合部の開口部の引張破壊を防ぐために必要な引張強度を示します。
銀河宇宙線と太陽粒子事象への曝露
他の惑星では、宇宙線からの大量の放射線が人体に害を及ぼす可能性があります。地球の表面には大気と磁気シールドが存在しないためです。銀河宇宙線 (GCR) と予期しない太陽粒子イベント (SPE) で放出された粒子との長時間の接触は、がんや死を引き起こす可能性があります (Reitz et al., 2012)。宇宙ミッション、特に地球低軌道の外での飛行では、宇宙飛行士は銀河宇宙放射線 (GCR) と太陽粒子イベント (SPE) 放射線の両方にさらされます。データは、過去の SPE 放射線強度が、保護されていない宇宙飛行士にとって致命的な強度で発生した可能性があることを示しています (Battersby, 2005)。宇宙からの GCR と弾力性のある SPE はガンマ線と中性子を生成し、火星の土壌の分子結合を断ち切ることができます (Gifford, 2014)。中性子は火星で最も透過性の高い放射線であり、5 ～ 10 t/m2 の質量で止めることができます。言い換えれば、表土の岩が 2 ～ 4 m あると、その浸透と浸透を止めることができます。
結論
他の惑星への植民地化は避けられず、現在発生していない場合でも、地球上の人類の絶滅を引き起こす可能性のある今後の自然災害または人災を考慮すると、すぐに発生するでしょう.他の惑星での人間の植民地化の多様な特徴に R&D 予算のごく一部を当てることで、近い惑星への定住方法を開始し、時間をかけて前進させることができます。火星での凍った形の水の発生、その近距離、および最近の近距離での観測により、この惑星は定住の良い候補として指名され、人間の他の主要および基本的な条件を維持しています.
スペースXのファルコンヘビーなどの大型ロケットや、大林組の宇宙エレベーター（2050年までに建設予定）などの宇宙エレベーター、低地で栄養植物を育てる科学など、多様な技術開発。重力により、この目的を達成しやすくなります。火星に人間を収容する最も実用的な方法の 1 つは、アルシア山にあるような火星の岩石層にある自然の洞窟を利用し、地下の掘削方法でそれらを拡張することです。これらのタイプの地下構造は、火星の過酷な環境と、危険な GCR および SPE 放射に対して達成可能な優れたシェルターを作成します。
あらゆる種類のエネルギーを動力源とする可搬型の掘削または掘削ツールを適用して、現在の洞窟を開発したり、希望する着陸場所に新しい洞窟を建設したりできます。これらのポータブル掘削ツールは、ハンドヘルド ドリラーから、頑丈なロケットで持ち上げることができる小型または大型の TBM までさまざまです。 TBM は掘削に液体を必要とせず、遠隔操作が可能です。この研究で説明された数値解析は、円形のトンネリングが火星の重力と温度で深刻な岩石の不安定性を引き起こさず、ジョイントと断層の発生のさまざまな状況を可能にすることを示しています。掘削エリアには最小限の支援が必要であり、監視と工学的判断によって回避することができます。
