Wat is er voor nodig om een ​​zelfvoorzienende Marskolonie te stichten?

• NASA wil robots gebruiken om Marsgrond in raketbrandstof om te zetten
• Nanomaterialen kunnen planten helpen op Mars te groeien
• De Refabricator verandert plastic afval in handige gebruiksvoorwerpen
• 3D-geprinte lichaamsdelen voor gewonde astronauten
• Is een Marskolonie echt de beste manier om de mensheid te redden?

Vanaf het moment dat we ons realiseerden dat er andere planeten waren, heeft de mensheid ervan gedroomd om de ruimte te verkennen. In 1969 zetten we de eerste stap op de maan en sindsdien hebben we verschillende ruimtestations in een baan om de aarde gebracht en onbemande missies naar een aantal planeten gestuurd in ons zonnestelsel en daarbuiten. De volgende fase is echter nog altijd de meest uitdagende: een kolonie vestigen op Mars.

De reden dat Elon Musk in 2002 SpaceX oprichtte was om de mensheid een tweede kans te geven. Hij gelooft niet dat NASA ons snel genoeg naar Mars kan brengen, waardoor het voortbestaan van de mensheid onzeker blijft en een enkele catastrofale gebeurtenis – zoals de inslag van een asteroïde of een kernoorlog – elk spoor van ons bestaan voor altijd zou kunnen uitwissen.

Om onafhankelijk te kunnen zijn en het menselijk leven voor onbepaalde tijd te kunnen ondersteunen, zou een Marskolonie toegang moeten hebben tot hernieuwbare water-, zuurstof-, voedsel- en energiebronnen. Kunnen we dat met de technologie die we op dit moment tot onze beschikking hebben?

NASA wil robots gebruiken om Marsgrond in raketbrandstof om te zetten

NASA-ingenieurs hebben onlangs bekendgemaakt dat ze werken aan een installatie voor mijnbouw en chemische synthese waarmee we water, zuurstof en raketbrandstof kunnen produceren met middelen die op Mars te vinden zijn. De systemen worden door verschillende teams binnen NASA ontwikkeld en moeten uiteindelijk door autonome robots bestuurd worden. Met deze systemen zouden mensen op een dag op de Rode Planeet kunnen wonen en werken. “Officieel staat het bekend als een in-situ systeem voor resourcebenutting (ISRU), maar we noemen het een stof-tot-stuwkracht-fabriek, omdat het stof in raketbrandstof verandert”, schrijft Kurt W. Leucht, teamleider bij het Swamp Works Lab in het John F. Kennedy Space Center van NASA in Florida.

Voordat het systeem naar Mars wordt gestuurd, wordt de apparatuur eerst op het maanoppervlak getest om te controleren of alles naar behoren werkt. Van Marsgrond, ook bekend als regoliet, wordt aangenomen dat deze sporenhoeveelheden water bevat. Deze ontdekking inspireerde NASA-ingenieurs om technologie te ontwikkelen waarmee ze water uit de regoliet kunnen onttrekken en dit vervolgens via elektrolyse in waterstof en zuurstof kunnen splitsen. De waterstof wordt vervolgens met koolstof uit de atmosfeer gecombineerd om methaan te produceren – wat gebruikt kan worden als raketbrandstof.

De eerste stap omvat het uitgraven van de regoliet. Voor dit doel heeft NASA het autonome mijnbouwvoertuig RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) ontwikkeld. De robotachtige graafmachine is uitgerust met twee emmertrommels die tijdens het graven in tegengestelde richting draaien en is specifiek ontworpen om zijn werk in lage zwaartekracht te doen. Eenmaal uitgegraven, wordt de regoliet getransporteerd naar een verwerkingsfaciliteit waar het in een oven verwarmd wordt zodat de watermoleculen via een condensatiebuis verzameld kunnen worden.

De resterende regoliet wordt vervolgens door de RASSOR weggevoerd om te worden gebruikt voor het 3D-printen van allerlei soorten objecten en structuren. Het onttrokken water wordt gezuiverd met behulp van een meertrapsfiltersysteem en verschillende deioniseringsbedden. Het water kan naast drinkwater bovendien gebruikt worden om raketbrandstof te produceren. De H2O-moleculen worden met behulp van een elektrolyseerder eerst gesplitst in waterstof- en zuurstofmoleculen, waarna de gassen samengeperst en vloeibaar gemaakt worden. Met behulp van een chemisch proces dat de Sabatier-reactie wordt genoemd wordt de waterstof vervolgens gecombineerd met koolstof uit de Marsatmosfeer om methaangas te produceren. De robotfabriek zou dus drie verschillende eindproducten kunnen leveren die nodig zijn om op Mars te kunnen leven: water om te drinken, zuurstof om te ademen en methaan voor brandstof.

Nanomaterialen kunnen planten helpen op Mars te groeien

Naast water, zuurstof en brandstof hebben de kolonisten natuurlijk ook eten nodig. En hoewel Mars – vergeleken bij alle andere planeten in het zonnestelsel – nog het meest op de aarde lijkt, zijn er nog steeds een aantal grote verschillen waardoor er onder andere geen planten kunnen groeien. De zwaartekracht is op Mars bijvoorbeeld lager dan op de aarde, er is minder zonlicht en de ultraviolette straling is vele malen hoger. Tel daar lage oppervlaktetemperaturen, gebrek aan water en een zeer dunne atmosfeer (die voornamelijk uit koolstofdioxide bestaat) bij op en het wordt al gauw duidelijk dat Mars een zeer onherbergzame omgeving is. Een mogelijke oplossing is terravorming – wat eigenlijk inhoudt dat we Mars ‘naar onze hand zetten’ door de samenstelling van de atmosfeer stap voor stap te veranderen. Dat zou betekenen dat we de planeet zouden moeten opwarmen door een broeikaseffect in gang te zetten. Dit zou wellicht mogelijk zijn door de CO2 poolkappen van Mars te laten verdampen of cyanobacteria te introduceren. Of dit überhaupt mogelijk is weten wetenschappers niet zeker. Dat het een extreem lang proces zal zijn – van wel duizenden jaren – daar is geen twijfel over. Maar misschien zijn er dankzij nanotechnologie andere mogelijkheden.

Onderzoekers aan de Universiteit van Melbourne hebben onlangs bekendgemaakt dat ze planten met nanomaterialen kunnen bewerken om ze nieuwe functionaliteit te geven, zoals efficiënter gebruikmaken van zonlicht, waardoor ze op een dag op Mars zouden kunnen groeien. Dankzij de uitgebreide vasculaire netwerken van planten kunnen wetenschappers deze met niet-eigen materialen modificeren. De vasculaire netwerken stellen planten in staat om water en moleculen opgelost in vloeistoffen gemakkelijk te absorberen, alleen is dat met nanomaterialen als metaal-organische raamwerken (MOF’s) niet het geval, omdat deze net te groot zijn om door de wortels opgenomen te worden. De Australische onderzoekers slaagden er echter in om dit probleem te omzeilen door planten MOF-precursors toe te dienen. Deze konden wel door de wortels opgenomen worden waarna de planten ze uiteindelijk in afgewerkte nanomaterialen om wisten te zetten.

Om dit mogelijk te maken, mengden de onderzoekers eerst metaalzouten en organische linkers met water. Daarna plaatsten ze de planten in deze substantie. De planten waren vervolgens in staat om deze precursors in hun weefsels te transporteren en ze te gebruiken om twee verschillende soorten fluorescerende MOF-kristallen te laten groeien. Deze MOF’s kunnen vervolgens worden gebruikt als een soort coating om planten te helpen schadelijke UV-stralen om te zetten in licht dat ze kunnen gebruiken voor fotosynthese. “Omdat we overwegen gewassen in de ruimte of op Mars te kweken waar je geen atmosfeer hebt en waar ze worden gebombardeerd door UV-stralen, kan dit nuttig zijn”, zegt Joseph Richardson, de hoofdonderzoeker van het project. “Dat komt omdat het niet alleen de planten beschermt tegen de UV-stralen, maar het deze UV ook omzet in bruikbare energie. Vooral als je verder weg bent van de zon is het moeilijker om het licht op te vangen dat je nodig hebt voor fotosynthese”.

De Refabricator verandert plastic afval in handige gebruiksvoorwerpen

Naast water, voedsel en zuurstof zullen toekomstige kolonisten ook allerlei materialen, gereedschappen en uitrusting nodig hebben om de barre omstandigheden van de Rode Planeet te overleven. Hier kan 3D-printtechnologie een uitkomst bieden. De Refabricator is een apparaat ontwikkeld door het technologiebedrijf Tethers Unlimited. Het is in feite een 3D-printer en een plastic recycler in één. De Refabricator werd onlangs tijdens een bevoorradingsmissie aan het International Space Station (ISS) geleverd om afvalplastic te smelten en om te zetten in gebruiksvoorwerpen. Zodra je een stuk gebruikt plastic in de machine doet, wordt er 3D-printfilament van gemaakt waarmee vervolgens nieuwe voorwerpen geprint kunnen worden.

Hoewel de Refabricator aan boord van het ISS ongetwijfeld van pas zal komen, is dat niet waar de echte waarde van de machine ligt. Deze technologie heeft de potentie om een ​​revolutie teweeg te brengen in de ruimteverkenning en brengt ons een stap dichterbij een zelfvoorzienende Marskolonie. De kolonisten zouden nog maar een paar basis-items mee hoeven nemen die nodig zijn om de kolonie te starten. Ook onderdelen die al eerder 3D-geprint zijn en niet langer bruikbaar of nodig zijn kunnen met de Refabricator weer tot filament verwerkt worden waarmee de bemanning vervolgens nieuwe producten kan printen. “De Refabricator is een belangrijke stap in de richting van onze visie om een ​​echt duurzaam productie-ecosysteem in de ruimte te implementeren”, zegt Rob Hoyt, CEO van Tethers Unlimited. “Astronauten zouden deze technologie kunnen gebruiken om voedselveilige gebruiksvoorwerpen te produceren en plasticafval om te zetten in grondstoffen om de volgende generatie ruimtesystemen mee te bouwen. Wij denken dat het hergebruik van het afval de kosten en risico’s voor NASA- en privé-exploratiemissies zou kunnen verminderen”.

Recent onderzoek gepubliceerd door NASA in The International Journal of Advanced Manufacturing Technology toont aan dat 3D-printers normaal werken in de ruimte en voorwerpen produceren die net zo goed zijn als die op aarde gemaakt worden. Het onderzoek is het resultaat van een vier jaar durend experiment waarin NASA-ingenieurs met 3D-printers op aarde (in gesimuleerde microzwaartekracht) en ook aan boord van het ISS (in zero-G) gereedschappen en andere voorwerpen produceerden. Deze hadden allemaal een vergelijkbare laagdikte, laaghechting, relatieve sterkte en relatieve flexibiliteit. En hoewel er wel bepaalde discrepanties waren, menen de wetenschappers dat deze te wijten zijn aan veranderingen in de productieprocesinstellingen en niet aan de invloed van de (micro)zwaartekracht.

3D-geprinte lichaamsdelen voor gewonde astronauten

3D-printtechnologie maakt overigens nog veel meer toepassingen in de ruimte mogelijk. Op een dag kunnen we met deze technologie ook huid-, bot- en lichaamsdelen printen om bijvoorbeeld gewonde astronauten mee te behandelen. De Europese Ruimtevaartorganisatie bracht onlangs een aantal vooraanstaande experts op het gebied van 3D-bioprinting en regeneratieve geneeskunde bij elkaar voor een tweedaagse workshop in het European Space Research and Technology Centre of ESTEC – het technische en administratieve ‘hart’ van de Europese Ruimtevaartorganisatie – in Noordwijk. Tijdens de workshop werd onderzoek gedaan naar de haalbaarheid van het gebruik van 3D-bioprinting voor het in de ruimte produceren van biomaterialen als huidweefsel of zelfs hele organen. In tegenstelling tot standaard 3D-printers, die plastic of metalen gebruiken om 3D-voorwerpen te produceren, maken 3D-bioprinters gebruik van speciale ‘bio-inkt’ van menselijke cellen om weefsels te produceren. Deze technologie is onlangs in de geneeskunde al gebruikt om onder andere pezen, bindweefselbanden en verschillende organen te printen.

“We vragen wat astronauten nodig hebben op de korte, middellange en lange termijn en welke stappen nodig zijn om 3D-bioprinting zo te ontwikkelen dat het nuttig kan zijn in de ruimte. We creëren een stappenplan en een ontwikkelingstijdlijn met als doel dat deze groep in de toekomst een wetenschappelijke werkgroep wordt en de ontwikkelingen voortzet”, zegt Tommaso Ghidini, hoofd materiaaltechnologie bij ruimte-organisatie ESA. Elke toekomstige kolonie op Mars zal uiteindelijk te maken krijgen met medische noodsituaties. Dan zullen de kolonisten een manier moeten vinden om elke mogelijke verwonding of ziekte zelf te behandelen. “In het geval van een medische noodsituatie is een snelle terugkeer naar huis niet haalbaar en dan moeten patiënten ter plaatse behandeld worden. Daarom evalueren we de haalbaarheid en toegevoegde waarde van verschillende 3D-printtechnologieën en bioprintweefsels in toekomstige verkenningsmissies”, vertelt projectmanager Sandra Podhajsky van de Life Sciences Group van OHB System.

De kolonisten zullen ook uiteindelijk ook operaties moeten kunnen uitvoeren in de ruimte, waarbij de toegang tot chirurgische apparatuur en personeel uiterst beperkt zal zijn. “Operaties voor het transplanteren van 3D-geprint weefsel moeten we ook heroverwegen. Een steriele omgeving, chirurgische gereedschappen en opgeleid personeel zullen waarschijnlijk niet beschikbaar zijn – net zoals eenmalige chirurgische materialen die op aarde worden gebruikt”, zegt prof. Michael Gelinsky, hoofd van het Center for Translational Bone, Joint & Soft Tissue Research aan het Academisch Ziekenhuis van de Technische Universiteit in Dresden. Mogelijke oplossingen voor deze uitdagingen zijn bijvoorbeeld robotchirurgen. Maar omdat telegeneeskunde door de communicatievertraging tussen de aarde en Mars waarschijnlijk onmogelijk zal zijn, zouden de robots uitgerust moeten worden met kunstmatige intelligentie zodat ze autonoom kunnen opereren.

Is een Marskolonie echt de beste manier om de mensheid te redden?

Niet iedereen vindt dat een kolonie op Mars op dit moment onze topprioriteit zou moeten zijn. Sommigen gaan zelfs zo ver dat ze Musk beschuldigen van elitarisme en bekritiseren hem omdat hij aan een oplossing werkt die alleen ‘de uitverkorenen’ zou redden, terwijl de rest van de mensheid verloren zou gaan. “Ik vind het een gevaarlijk waanidee. Mars is een vijandiger omgeving dan de top van Everest of de Zuidpool. Bovendien is het vinden van oplossingen voor de klimaatverandering hier op aarde veel belangrijker dan terravorming op Mars”, zegt Martin Rees, kosmoloog aan Cambridge University. Hoewel hij geen probleem heeft met het idee van ruimteverkenning door particuliere bedrijven, is Rees ervan overtuigd dat er andere manieren zijn om de mensheid te redden en dat het geld beter besteed kan worden.

Zelfs in het geval van een kern- of natuurramp is de aarde nog steeds beter geschikt voor menselijk leven dan Mars. Zelfs als we een nucleaire winter zouden veroorzaken – het absolute worstcasescenario – schatten wetenschappers dat de oppervlaktetemperaturen op aarde hoogstens met 9 tot 11 graden Celsius zouden dalen, terwijl de gemiddelde temperatuur op Mars 60 graden onder het nulpunt ligt! Sommigen menen zelfs dat er geen enkel scenario is waarin een kolonie op Mars een betere oplossing zou zijn dan bijvoorbeeld een bunker in Nieuw-Zeeland.

De kolonisatie van Mars is een van de grootste uitdagingen ooit. Aanvankelijk werd dit als pure sciencefiction afgedaan, maar deze droom lijkt elke dag dichter bij de realiteit te komen. Om dit te bereiken is er echter nog veel werk aan de winkel. We zullen op allerlei gebieden, zoals levensondersteuning, kunstmatige intelligentie, voedselvoorziening en geneeskunde, aanzienlijke vooruitgang moeten boeken. Het is moeilijk om op dit moment in te schatten hoe lang het zal duren – en of het überhaupt ooit mogelijk zal zijn. Maar het is een doel dat het nastreven waard is. De toekomst van de mensheid hangt er wellicht vanaf.