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新太空建筑设计:外太空建筑的六大挑战

时间:2020-05-27 17:43:06

人类对于外太空建筑的设计还主要聚焦在以轨道空间站或火星勘测队项目为核心的工程上,而这些工程绝大多数由欧洲 ESA 或美国 NASA 等政府机构委托修建。不过近年来,逐渐有更大范围的群体开始关注这一话题,如建筑师或社会学家为代表的各行业专家,以及部分企业家和投资人等(并非全都抱有善意)。这些新出现的团体开始参与21世纪新太空竞赛,挑战外太空建成环境设计难题。
科技的迅猛发展、世界人口的膨胀以及气候变化危机等问题的出现正好促使人类思考地球之外的生活会是怎样。随着这种趋势的发展与思考的积聚,社会上开始出现打破传统桎梏、探索全新领域的机遇(如 NEOM)以及支持这类研究的新组织(如 SATC 和 SICSA)。虽然目前还没有人登上火星,但以 MARS-ONE 和“火星城市科学”(Martian City Science)为代表的一系列持续性项目和模拟实验业已开展,借此探讨外太空新人类王国的设计、建造和居住等未来性课题。
在基辅召开的未来建筑会议上,我们获得机会与各家世界领衔的建筑公司展开交流,讨论他们在这一课题上形成的大体思路和面临的具体挑战。许多人认为这项主题脱离现实,在他们看来,人类尚未有能力在地球上建设出高度完备的文明体,更遑论在外太空开始新的文明。尽管如此,仍然有另一部分人赞同在外太空居住的想法,他们认为这一做法将带来巨大的潜在机遇,使各项产业发展成熟,走向更加发达的未来——在这一条件下,我们就可以凭借新的科技、新的方式来思考解决当下的各种问题。
对于正在研究外太空建筑设计的人来说,现在主要面临六项挑战:
3. 极端环境
火星环境异常极端,没有可供呼吸的空气,表面重力极小,没有磁场,大气也非常稀薄,因此辐射水平相当高。
从建筑视角来看,建筑师应当思考如何建立能够储存空气的特殊封闭空间以及保护人类免遭辐射侵害的建筑壳体或构造。现在有四种建筑构造被认为是最适合火星基地的建造方法:坚实的金属或塑料结构、可扩展结构、地下管道以及砖石结构。
建造过程本身将非常低效甚至危险。以月球为例,其表面覆盖着一层由锋利的细小颗粒形成的轻薄的月球尘埃层,宇航员一旦呼吸过度,这些颗粒就会被吸入体内,进而划伤肺部。这层月球尘埃带有静电,会附着在装备和宇航服表面,使得月球上的建设工作如同在一个充满超强石棉的工地上进行建造一样。这种工作环境更适合于机器人而不是人类自身。
1. 用水效率
Bjarke Ingels 在迪拜针对他的空间原型火星“城市”谈到:我们人类在地球上拥有15亿立方米水资源,然而在火星上却只有500万立方米,因此我们必须达到超高效的水资源利用效率。火星上没有现成的水资源,饮用水将通过加热当地土壤中冰块的方式获得,冷凝之后又将埋存在土壤中,再覆上土层。生产出的一部分水将被储存起来,而另一部分将用于分解制造氧气。
这将促使我们重新考量当下正被想当然进行着的各种水资源相关环节,这些环节涵盖广泛,小到如直接利用的基础功能,大到农业消耗或畜牧养殖等次级工序——当然农业也会受到用地减少等因素的挑战,而基于养殖的肉食方式或许将被淘汰。不使用水的建造也将成为主要的生产方式,同时废水处理相比新水再生也将变得更加容易。
2. 再生能源
火星上没有化石可供利用,所以我们将不能使用化石燃料,因此火星能源必将是可再生的。太阳能、风能以及核能将成为化石能源的替代品。作为探讨了如何利用火星资源的众多项目之一,MARS-ONE 生命支持单元项目提出使用轻便灵活的覆膜太阳能光伏电池板来转化电能,这种光伏电池板可以卷起来整理好,便于从地球运输到火星。
4. 如何回收
另一个有关外太空建筑及建造的巨大挑战是思考怎样更加明智地利用资源。在火星上,移动仅一公斤重的物品就需要耗费大量火箭燃料,因此根本没有过度消耗或浪费的余地。所有的配置及建造必须尽可能高效。这意味着我们应该把所有环节看成一个整体系统,无论我们把它称作循环经济还是可持续性,抑或是循环式生命支持系统,它都必须是100%无浪费的。
5. 成本效益
受极端环境和无法处理废物的条件所限,建筑师必须利用在地材料及机器人技术或人工智能来优化施工过程。鉴于每5吨的月球有效载荷将花费1亿美元的成本,一栋平均50吨重的地球房屋的载荷将耗费10亿美元成本,并需要往返月球10次才能完成配送。如果我们掌握如何从月球表面获取建造材料,那么相同重量条件下将负载50辆机器探测器,并建造一处月球前哨基地。
ZA Architects 在“火星殖民计划”中提出了一种太阳能机器人,用于为人类在抵达月球之前挖掘建造居住场所。这种机器人可以选择火星表面存在六方柱玄武岩的区域,将玄武岩移除,由此获得教堂一样的岩洞空间,然后在空间中利用玄武岩纤维编织出网状结构,从而在洞穴内各种高度建造出不同楼层。
在 NASA 测试中,智能空间工厂成功验证了生物高分子和玄武岩复合材料可以作为超强度建造材料使用,这些地球上储量丰富的材料可以取代占据全球碳排放量9%的混凝土和钢材,成为更具有可持续性的替代建材。
有关外太空建筑的概念、结构及类型的更多详细信息,请参照 Joanna Kozicka 博士论文——关于如何在极端条件下将火星基地建造成人类栖息场所的建筑问题。
6. 可居住性
JoannaKozicka 明确指出:在每一个孤立的封闭环境中都会发生社会心理问题,这些问题包含了各种生理及心理疾病,范围涵盖了从头痛、睡眠障碍到情绪崩溃等方方面面。她所进行的科学研究表明:一些建筑性策略将为人类福祉带来巨大影响——其中最重要的是有一个宽阔舒适的基地、和煦的阳光、美丽的景观、与自然的接触、灵活宽敞的室内空间,同时还要有适当的隔离,由此分隔开热闹与安静、明亮与黑暗、公共与私密、工作与居住的场所。
另一家应对这项挑战的公司“宇宙飞船”(Spacecraft)正在研究各种以人为本的课题(如微型社会),希望能借此提升人类生活品质,并将技术系统同人机界面结合起来。他们的设计内容丰富,从宇航员的互动游戏延伸到温室设计集成,乃至“月球漫步者”——一个基于空间及空间元素与人类行为密切相关的前提下设计出的行走式月球基地。幸运的是,借助南极、沙漠、地下或深海等现有的封闭式生态系统,我们已经能够在地球上搭建一系列模拟环境,从而在派人前往外太空之前就对许多以人为本的设计假设完成测试和验证。

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