Worden robots de eerste Marsbewoners?
Stuur eerst een zwerm robots naar Mars als kwartiermakers voordat er menselijke pioniers arriveren. Met dat plan bereikten Henriette Bier en Roland Schmehl dit voorjaar de tweede ronde van een ideeëncompetitie van het ESA Discovery programma.
Als het allemaal doorgaat, wacht de eerste Marspioniers na een reis van acht maanden een prachtig verblijf. Al vanuit hun Marslander zullen ze de ronde glimmende vensters zien in het Marsoppervlak. In hun ruimtepak lopen ze nog wat stram naar de ingang. Gelukkig is de zwaartekracht hier minder dan de helft dan op Aarde. Stof en zand waaien tegen hun vizier en om hun laarzen. Achter hen vormen vliegers achtvormige banen door de rode lucht. Een luik biedt toegang tot een nauwe tunnel. De gang loopt geleidelijk naar beneden en buigt naar links. Na een stuk of wat omwentelingen bereiken ze het einde van de tunnel. Dan betreden ze een eivormige ruimte met ruwe wanden (10). Bovenin, een kleine tien meter boven hen, treedt daglicht naar binnen. Deze ronde, bijna sacrale ruimte is er een van velen. Samen vormen ze het onderkomen voor de eerste generatie Marspioniers die nu een begin kunnen maken met de inrichting, het verbouwen van voedsel en wat hen verder hier naartoe dreef.
De aankomst op Mars mag lezen als sciencefiction, het achterliggende idee heeft TU-onderzoekers Henriette Bier en Roland Schmehl met studenten en collega’s wel in de tweede ronde gebracht van het ESA Discovery programma. Bier en Schmehl komen beiden uit Duitsland en wonen onder één dak. Zij ontwikkelde bij Bouwkunde methoden om robots ruimtelijke structuren te laten bouwen, die er vaak verrassend organisch uitzien. Hij doet bij de Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek onderzoek naar energieopwekking met grote vliegers (tot 100 m2 met groeiambitie) - een idee van Wubbo Ockels dat na diens dood is opgepakt.
Wortelstok
Het zal niet verbazen dat bouwende robots en energie-opwekkende vliegers de pijlers zijn van het plan Rhizome: Development of an Autarkic Design-to-Robotic-Production and -Operation System for Building Off-Earth Rhizomatic Habitats, waar behalve Bier en Schmehl acht onderzoekers en studenten bij betrokken zijn. Rizoom is de botanische term voor een wortelstok met knopen waaruit nieuwe planten ontspringen. Behalve de overeenkomst in vorm heeft de symboliek vast een rol gespeeld bij de keuze van de naam.
In de robotic building werkplaats van BK-City staan zulke kleine rizomen. Het zijn dubbelwandige halve koepels met een complexe interne structuur die door een robot in een 3D-printproces is vervaardigd. De porositeit, complexiteit en variëteit aan oppervlaktestructuren die bouwen met robots mogelijk maakt, blijven de onderzoekers inspireren. Bier roemt “hun potentiaal voor verbeterde structurele prestaties, vermindering van materiaalverbruik, verhoging van de productiesnelheid, en toename van isolatie-eigenschappen.”
Molebots
De rizomen danken hun stijfheid en draagkracht aan de interne structuur tussen binnen- en buitenwand. Op Mars gaan als eerste graafrobots aan de slag (zie 2 op tekening) om tunnels te graven in de bodem. Dat zijn molebots, grapt Schmehl. Uit de brokstukken en het materiaal die de molebots achterlaten, kan onder toevoeging van gesmolten zwavel een soort Marsbeton worden samengesteld om de wanden van de tunnels te verstevigen (5). Volgens Bier is er naast geschikt materiaal (regoliet) ook voldoende zwavel op Mars aanwezig om op die manier te bouwen. De spiraalvormige tunnels (3) vormen de interne draagstructuur. Ze creëren de holtes in de koepelvormige constructies.
De robots graven, voeren materiaal af, spuiten en 3D-printen Marsbeton, en werken samen als een zwerm (6). Dat is een samenwerkingsvorm tussen robots die geïnspireerd is op collectief gedrag in de natuur. Denk aan vogels die in formaties vliegen, of termieten die bouwwerken produceren die duizenden keren groter zijn dan zijzelf. Er is onderlinge communicatie, iedereen kent zijn rol, en het geheel is groter dan de delen. Als er hier en daar wat robots, vogels of mieren sneuvelen, maakt dat voor het resultaat weinig uit.
Het resultaat komt tot stand doordat de zwerm in gecoördineerde samenwerking eerst steeds wijdere cirkels maakt met de tunnels en langzaam aan weer kleinere tot ze elkaar tegenkomen op een meter of tien onder het oppervlak. Ze hebben dan een eivormige structuur aangelegd in de Marsbodem. Wanneer al het materiaal uit het binnenste van het ei verwijderd is (8), en er een lichtvenster aan het oppervlak geplaatst is, wordt de rizoom zichtbaar.
De robots graven, voeren materiaal af, spuiten en 3D-printen Marsbeton, en werken samen als een zwerm
Verkenning
Het zal duidelijk zijn dat de robots daar energie voor nodig hebben. Duitsers zijn niet dol op kernenergie, dus die optie verviel. Zonlicht is er niet veel, dus zonne-energie viel ook af. De luchtdichtheid is laag (minder dan een procent van aardse atmosfeer), maar de gemiddelde luchtsnelheid is hoog (windkracht 4 tot 5). Schmehl gaat met een team van studenten een hernieuwbare energiesysteem (4) ontwerpen dat geoptimaliseerd is voor gebruik op Mars.
Tien TU-studenten kunnen daar aan meedoen. Bij Bouwkunde konden twintig studenten meedoen aan een workshop Robotic Building om het ontwerp en de materialisatie van een onderkomen op Mars te verkennen.
De uitkomsten daarvan komen dit jaar in een uitgewerkt voorstel terecht voor de volgende ronde van de ESA Discovery competitie.