Een ruimte-habitat in het klaslokaal bouwen Teach article

Vertaald door Dave Lommen. Wat is er nodig om op de maan of zelfs op Mars te leven? Erin Tranfield stelt een interdisciplinaire les-activiteit voor om de leerlingen hierover aan het denken te zetten – en ze meteen een hoop over wetenschap te laten leren.

Artistiek concept van
mogelijke koloniën op
toekomstige Mars-missies.
Klik voor een grotere figuur

Figuur met dank aan NASA

Planeet Aarde voldoet aan de levensvoorwaarden voor biljoenen organismen, waaronder mensen. De zuurstof die we nodig hebben zit in de lucht om ons heen, de atmosfeer beschermt ons tegen straling, drinkwater kan in de rivieren en meren gevonden worden en voedsel is bijna overal zomaar beschikbaar.

Op Aarde zijn er cycli waarin de afvalstoffen van de ene soort gebruikt worden door een andere soort, zodat de afvalstoffen niet tot hoge niveau’s opstapelen. Een voorbeeld hiervan is de complexe koolstofcyclusw1, waarin zuurstof en koolstofdyoxide om de beurt geproduceerd en gebruikt worden door plant- en diersoorten.

De cyclus van recyclebaar
materiaal aan boord van het
ISS

Figuur met dank aan NASA

In de ruimte zijn echter geen van de voorwaarden voor het overleven van mensen voorhanden. Daarom moeten we, om te kunnen leven en werken in de ruimte, alles meebrengen wat we nodig hebben en moeten we manieren bedenken om het afval dat we produceren te recyclen of af te voeren. En dit moeten we doen, terwijl we het gewicht van mee te nemen materialen beperken en we moeten back-up veiligheidssystemen inbouwen (redundantie).

Gewicht moet geminimaliseerd worden, omdat het erg duur is om iets naar de ruimte te transporteren. Het kost momenteel zo’n $ 17.000 om 1 kg naar het Internationale Ruimtestation (International Space Station, ISS) te brengen (gebaseerd op de gemiddelde kosten van $ 450 miljoen voor een lancering, waarbij shuttles een gemiddelde van 26.000 kg aan lading en astronauten meenemen). Het kost nog veel meer om 1 kg naar de maan of Mars te brengen.

Een foto van de Aarde,
genomen door ESA-astronaut
André Kuipers vanuit het
raam van de Soyuz-capsule

Figuur met dank aan NASA

Bij zulke kosten en met alle bijkomende moeilijkheden van een ruimte-missie moet elke kilogram gerechtvaardigd worden. Bovendien is voor elk systeem in de ruimte back-up materiaal nodig. Op dit moment zijn er op het ISS drie niveau’s van deze redundantie, voor het geval er iets misgaat met het primaire systeem en een back-up systeem nodig is.

Uw leerlingen aan het denken zetten over het ontwerpen van een habitat voor de maan of Mars kan een goede manier zijn voor het analyseren van de uitdagingen van leven en werken in de ruimte. Ook illustreert het de kritieke rol van de cycli op Aarde voor het overleven van alle organismen. Het is een activiteit die geschikt is voor leerlingen van alle leeftijden (zie de suggesties voor de verschillende leeftijdsgroepen, onder).

De introductie van de activiteit zal zo’n twee uur duren, waarna nog zeker twee uur nodig zijn voor het ontwerp van de habitat, afhankelijk van de complexiteit. Er zijn zo’n vijf tot 15 uur nodig om een habitat te bouwen, afhankelijk van het aantal betrokken leerlingen en de complexiteit van hun habitat. Als de leerlingen echt enthousiast zijn, willen ze misschien zelfs nog meer tijd investeren.

Als u klaar bent, stuurt u dan een foto van de volledige ruimte-habitat naar editor@scienceinschool.org. We zullen een selectie van de foto’s op de website van Science in School plaatsen.

Figuur met dank aan
NASA/JPL-Caltech

Een ruimte-habitat ontwerpen

Begin met uw leerlingen te vragen na te denken over wat mensen nodig hebben om efficiënt te leven en werken op Aarde. Hoe kunnen we in de ruimte aan deze voorwaarden voldoen? En hoe kunnen we het meest efficiënt ruimte-faciliteiten bouwen, zo duurzaam en zo licht mogelijk? Zie het kader hieronder voor ideeën met links naar verdere bronnen, waaronder veel bronnen van het European Space Agencyw2. Verdere achtergrond-informatie kan gedownload worden in PDF of Word® formaatw3.

Nu kunnen de leerlingen beginnen met het ontwerpen en zelfs het bouwen van hun eigen ruimte-habitat. Eerst zullen ze moeten bedenken of ze hun habitat op de maan of op Mars willen bouwen, want de voorwaarden zijn verschillendw4.

De leerlingen moeten in gedachten houden dat er op de maan grotere temperatuur-verschillen zijn en dat er geen beschermende atmosfeer is, maar dat de maan dichter bij de Aarde is. De temperatuur-verschillen op Mars zijn kleiner en Mars heeft een atmosfeer, maar Mars is veel verder weg van de aarde. Een Mars-habitat zal dus veel onafhankelijker moeten zijn dan een maan-habitat.

Een opblaasbaar habitat zoals hier afgebeeld, met een doorsnede van 16 m, zou kunnen voorzien in de eisen van zo’n twaalf astronauten die leven aan werken op het oppervlak van de maan. Afgebeeld zijn trainende astronauten, een basis-operaties-centrum, een maanmobiel onder druk, een kleine cleanroom, een volledig ingericht levenswetenschappen-laboratorium, een maanlander, senelogisch (maan-geologisch) werk, hydroculturen, een kantine, privé-vertrekken voor de bemanning, apparaten voor het verwijderen van stof na maan-oppervlak-werk en een luchtsluis
Figuur met dank aan NASA

Activiteit voor leerlingen van 7-10 jaar

  1. Begin met te bespreken wat mensen nodig hebben om op Aarde te overleven en extrapoleer dat naar wat mensen in de ruimte nodig hebben. Wat is noodzakelijk om te overleven in de ruimte en wat kunnen we weglaten om gewicht en geld te besparen?
  2. Bespreek hoe deze voorwaarden van belang zijn voor het ontwerp en de constructie. Neem twee van de behoeften waarin de habitat moet voorzien (zie de lijst in het kader hieronder) en neem ze mee in het ontwerp van een planetair habitat voor ten minste twee personen.
  3. Bouw een model habitat met karton en sterke plakband. De habitat kan van kamer-formaat of van tafelblad-formaat zijn. De websites van Worldflower Garden Domew5 en Geo-Domew6 kunnen van nut zijn voor uw ontwerp. Decoreer de habitat om er een leefbare plaats van te maken, bij voorbeeld door kleur of ramen toe te voegen.
  4. Bespreek met de groep wat elke leerling mee zou nemen als ze zich zouden moeten beperken tot een persoonlijk item (b.v. een familiefoto, muziek-opname of boek)..

Activiteit voor leerlingen van 10-14 jaar

  1. Net als de voorgaande groep, maar neem nu vier tot zes van de voorwaarden voor een ruimte-habitat (zie het kader hieronder) en neem ze mee in een ontwerp voor ten minste vier personen.
  2. Houd meer rekening met het gewicht van de habitat en de bijkomende kosten.
Een basis op de maan zou maan-zuurstof kunnen produceren, langdurig oppervlakte-onderzoek kunnen uitvoeren en problemen kunnen aantonen voordat mensen aan een verkenningsreis naar Mars beginnen. Omdat de maan zo dichtbij is, op slechts enkele dagreizen van de aarde, is zij geschikt voor het testen van systemen die de maandenlange retour-reizen naar Mars mogelijk moeten maken
Figuur met dank aan Pat Rawlings en Faisal Ali / SAIC
Artistieke impressive van een
maan-mijn-faciliteit voor het
oogsten van zuurstof uit de
vruchtbare vulkanische
bodem in de oostelijke Mare
Serentitatis (Zee der
Rustigheid) op de maan. Klik
voor een grotere figuur

Figuur met dank aan NASA /
Pat Rawlings (SAIC)

Activiteit voor leerlingen van 14-19 jaar

  1. Net als de eerste groep, maar in plaats van een kartonnen model, gebruiken de leerlingen nu ontwerp-softwarew7 om hun visie van een habitat te creëren. Neem ten minste acht van de voorwaarden voor een ruimte-habitat (zie het kader hieronder) voor vier personen in overweging.
  2. Neem een beschrijving van de voor de habitat benodigde technologie mee, b.v. een electrolyseer-machine om zuurstof uit water te halen of een Sabatier-reactor om koolstofdioxide te splitsen in methaan en waterw8, technologie die nu wordt getest in het ISSw9.
  3. Neem in het ontwerp onderdelen mee die voor een gevoel van welbehagen zorgen, zoals ramen, een likje verf of ontspanningsruimtes.
  4. Vergelijk wat de verschillende teams gedaan hebben en kijk of iedereen de ontwerpen goed vindt. Er zijn waarschijnlijk verschillen van mening over wat men aantrekkelijk vindt. Bespreek hoe men een habitat voor diverse culturen kan ontwerpen.
 

Considerations for designing a space habitat

Voorwaarden voor op Aarde

Wat verwachten we voor ons dagelijks leven op Aarde?

  • Bescherming tegen de elementen – een huis en kleding
  • Schoon drinkwater en sanitaire voorzieningen
  • Lucht die we kunnen inademen
  • Gezonde voeding
  • Medische voorzieningen
  • Voldoende tijd voor slaap en ontspanning
  • Een gevoel van welbehagen.

Voorwaarden voor een planetaire ruimte-habitat

Veel van de voorwaarden voor een ruimte-habitat lijken op die voor op Aarde, maar sommige zijn specifiek voor de nieuwe omgeving.

  • Bescherming tegen straling, micro-meteorieten, stof, het vacuüm van de ruimte en de extreme temperatuurs-omstandigheden
  • Een flinke reductie in het water-gebruik, meer water-hergebruik en –recyclingw10. Hiertoe behoren ook hygiënische voorzieningen die zeer weinig water gebruiken – voor de astronauten om hun kleren en zichzelf te wassen; een toilet
  • Lucht die ingeademd kan worden – een manier om oude lucht te recyclen (voorziening van zuurstof, verwijdering van koolstofdioxide en vervuilingen) of een toevoer van nieuwe luchtw11
  • Gezonde voeding – die meegebracht en opgeslagen danwel in de habitat geproduceerd wordt
  • Medische faciliteiten voor kleine problemen zoals een snee, uitslag, infecties, tandpijn en wagenziekte en voor de serieuzere problemen zoals gebroken botten, niersteen en een hartaanval
  • Slaapvertrekken
  • Bewegings-faciliteiten voor het onderhoud van het hart- en vaatsysteem, de spieren en het skelet
  • Een temperatuur-reguleringssysteem om te compenseren voor de extremen in temperatuur. De oppervlakte-temperatuur op de maan varieert van -270 °C in kraters die continu in de schaduw liggen tot boven de 121 °C in de volle zon op de maan-equatorw12
  • Een communicatie-systeem (contact met mission control en met familie en vrienden op Aarde)
  • Recycling of verwijdering van vloeibaar afval (urine) en vast afval (rotzooi in het algemeen, ontlasting)w10, w11, w13. Dit moet worden gedaan onder de richtlijnen van de planetaire beschermingw14
  • Een monitoring-systeem voor de levensonderhouds-systemen (monitoring van lucht- en water-kwaliteit, metingen van stralingsniveau’s)
  • Een ruimte om eten te bereiden en te consumeren
  • Ruimtes voor onderzoek (geologie, biologie, chemie enz.). Dit is een voorwaarde om een langdurig verblijf in de ruimte te verantwoorden..

Veel van deze overwegingen waren ook belangrijk voor het ontwerp van het ISS. Zie voor meer details Hartevelt-Velani & Walker (2008).

Mogelijke uitbreiding: psychologie

Elke bemanning op een lange missie, bijvoorbeeld naar Mars, wordt geïsoleerd van geliefden en met andere bemanningsleden in een beperkte ruimte gezet. Training in conflict-management is cruciaal, net als het verbeteren van ons begrip van hoe mensen reageren onder stress, in een beperkte ruimte over lange tijdw15.

De mentale gesteldheid van elk individu is erg belangrijk, aangezien het de mentale gesteldheid van de groep beïnvloed en uiteindelijk het succes van de hele missie. Goede mentale support voor de bemanning is daarom van belang.

Op Aarde hebben mensen een gevoel van welbehagen nodig, inclusief interacties met andere mensen, om goedgehumeurd en productief te blijven. Om hierin te voorzien heeft een ruimte-habitat, in aanvulling op de bovengenoemde punten, het volgende nodig:

  • Privacy voor elk bemanningslid, al is het maar een kleine ruimte
  • Een gemeenschappelijke ruimte voor interactie en ontspanning
  • Kleur in de habitat, gekozen door elke bemanning voor de lancering
  • Levende dingen, zoals planten of vissen. Zijn er ethische bezwaren?
  • Ramen. Het naar buiten kunnen kijken is een belangrijker psychologische factor. Vanaf Mars is dit lastiger dan vanaf de maan, omdat de Aarde er slechts uitziet als een van de vele kleine sterren in de hemel.

Om meer te leren over het leven op het ISS, waarvoor deze overwegingen van belang zijn, zie ook Hartevelt-Velani c.s. (2008).

Beperkingen aan het ontwerp

Wanneer een ruimte-habitat wordt ontworpen, moet men er rekening mee houden dat het:

  • Veilig is – dit is de belangrijkste overweging
  • Robuust is – sterk, betrouwbaar, duurzaam, zonder dat het veel onderhoud nodig heeft
  • Licht is – een gemiddelde koelkast weegt 100 kg en is geen optie voor een ruimte-habitat
  • Gelanceerd kan worden – de verschillende onderdelen moeten in een beschikbare raket passen. Denk aan gewicht, vorm en energie-benodigdheden
  • Effectief zijn – het moet doen waarvoor het ontworpen is
  • Betaalbaar zijn – ruimte-onderzoek is duur, dus alle geldbesparende stappen die genomen kunnen worden zonder dat de effectiviteit en veiligheid erop achteruit gaan, moeten genomen worden.

Een effective habitat ontwerpen

Hoe kunnen we voldoen aan de voorwaarden voor een ruimte-habitat met alle genoemde beperkingen? Dit kan door:

  • Een modulaire constructie-systeem te gebruiken, te beginnen met essentiële onderdelen, waarna ‘kamers’ toegevoegd kunnen worden wanneer die nodig zijn voor een bepaald doel (b.v. onderzoek of ruimte voor een grotere bemanning)
  • Technieken te ontwikkelen die de grondstoffen op de maan of Mars gebruiken, b.v. door maan-bakstenen of maan-cement te maken, of door ondergrondse grotten op Mars als habitat te gebruiken
  • Recycling (lucht, water, afval, onderdelen van het landingsgestel voor de constructie, de zuurstof en waterstof in overgebleven raket-brandstof om water te produceren)
  • Zo veel mogelijk dingen verkleinen, alle gereedschappen, stopcontacten e.d. standaardiseren
  • Vertrekken met meerdere mogelijkheden maken, bijv. door inklapbare tafels, zodat de ruimte voor andere dingen gebruikt kan worden

Met dank aan

De schrijfster will graag Scott Hovland van het European Space Agency bedanken voor nuttig commentaar en advies.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • NASA heeft een problem-based-learning module over space habitats ontwikkeld. Startend vanuit een ‘afgesloten kamer’ introductie-activiteit worden vier inhoudsgebieden aangeboden, over ‘leven in een afgesloten container’, ‘gezonde keuzes’, ‘lucht en water’ en ‘afval of schat’. Hierin worden achtereenvolgens ecosystemen, menselijke voeding en gezondheid, recycling van lucht en water en afvalverwerking behandeld. Zie: www.nasa.gov/audience/foreducators/son/habitat
  • Het door de EU betaalde project CoReflect heeft een les-eenheid over het ontwerpen van een maan-habitat voor 10- tot 12-jarigen ontwikkeld. Deze is beschikbaar in het Engels en in het Nederlands. Zie: www.coreflect.org/nqcontent.cfm?a_id=15089
  • Om meer te leren over een mogelijke bemande missie naar Mars, zie: http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/mars/mars_crew.html
  • De ISS leskits van NASA zijn gratis beschikbaar voor lagere en middelbare schoolleerlingen (8-10 en 12-15 jaar) in alle talen van de ESA lidstaten. Ze bieden les-activiteiten, achtergrondmateriaal voor docenten en leerlingen en nog veel meer.
  • De ISS leskit voor de lagere school bevat activiteiten zoals het bouwen van een model van het ISS van gerecycled huishoudelijk materiaal, het plannen van de hoeveelheid water en het gewicht aan overige op een ruimte-missie mee te nemen materialen en het creëren van een astronauten-menu. Zie: www.esa.int/SPECIALS/Education/SEMN3A5KXMF_0.html
  • De ISS leskit voor de onderbouw van de middelbare school biedt video’s, achtergrondmateriaal en interactieve materialen online over het bouwen van het ISS, leven en werk aan boord, alsmede klas-activiteiten zoals het onderzoeken en filteren van zoetwater uit de eigen omgeving, het ontwerpen van een ruimtestation-toilet, het bestuderen van de effecten van de omgeving op materialen en het ontwerpen en bouwen van een handschoenenvak zoals die gebruikt worden aan boord van het ISS. Zie: www.esa.int/SPECIALS/Education/SEMTBS4KXMF_0.html
  • Educatieve DVD’s over het ISS voor leerlingen van 12 tot 18 jaar die concepten zoals de effecten van gewichtloosheid op het menselijk uitleggen aan de hand van simpele demonstraties zijn ontwikkeld met de hulp van Europese astronauten tijdens hun missies aan boord van het ISS. De gratis materialen kunnen worden gedownload of op DVD besteld. Zie: www.esa.int/esaHS/SEMZTFYO4HD_education_0.html
  • ESA’s lesmaterialen over het ISS bevatten ook het 3D onderwijsgereedschap ‘Spaceflight challenge I’ voor middelbare scholieren. Dit kan gebruikt worden in een avontuurlijk rollenspel of als interactieve oefeningen. Het bevat onderwerpen die het hele Europese curriculum voor de natuurwetenschappen omvatten, met wetenschappelijke uitleg en achtergrond-informatie. Om de software te downloaden of een gratis exemplaar te bestellen, zie: www.esa.int/esaHS/SEM3TFYO4HD_education_0.html
  • ESA’s ‘lesson online’ voor lagere en middelbare scholieren en hun docenten bevatten tekst, korte video’s en grafische bestanden. Onderwerpen zoals ‘leven in de ruimte’, ‘straling’, ‘zwaartekracht en gewichtloosheid’ en ‘insecten in de ruimte’ wordt behandeld. Zie: www.esa.int/SPECIALS/Lessons_online
  • Simuleer een vlucht over het oppervlak van Mars met Google Mars: www.google.com/mars
  • Hier is een selectie van eerdere Science in School-artikelen die met de ruimte te maken hebben

Author(s)

Erin Tranfield promoveerde in mei 2007 bij het Department of Pathology and Laboratory Medicine aan de University of British Columbia, in Vancouver, Canada. Ze werkte twee jaar bij het NASA Ames Research Center in Moffett Field, Californië, V.S., waar ze onderzoek deed naar de effecten van maanstof op de menselijke fysiologie en pathologie. Erin werkt tegenwoordig bij het European Molecular Biologie Laboratory in Heidelberg, Duitsland, aan een drie-dimensionale reconstructie van de spoelfiguur van de mitose, m.b.v. hoge-resolutie elektron-tomografie.

Erin was een schrijver van Luna Gaia – a closed loop habitat for the moonw16, een studenten-onderzoeksrapport van de International Space University (ISU)w17 in 2006. Ze is nu adjunct-staf aan de ISU. In de zomer van 2011 was zij de voorzitter van de levenswetenschappelijke afdeling van het twee-maandelijkse ruimtestudies-programma van de ISU in Graz, Oostenrijk.


Review

Twee uitdagingen die docenten in het natuurwetenschappelijk onderwijs soms tegenkomen zijn het relevant maken van wetenschappelijk onderwijs voor de leerlingen en het integreren van de natuurwetenschappen. Deze activiteit geeft een praktische invulling voor beide uitdagingen.

Om een ruimte-habitat te bouwen moeten de leerlingen nadenken over hun dagelijkse benodigdheden, daarvan de belangrijkheid evalueren en vervolgens mogelijke oplossingen bedenken (relevantie), waarbij ze hun kennis in de verschillende natuurwetenschappen moeten gebruiken (integratie). Vanwege de noviteit van de activiteit denk ik dat het een hoop interesse en enthousiasme oproept bij de leerlingen. Dit is natuurlijk een voordeel, maar het betekent ook dat strak de vinger aan de pols gehouden moet worden om het project binnen een redelijke tijd af te ronden.

De activiteit kan gebruikt worden in geïntegreerde lessen in de natuurwetenschappen of om verschillende onderwerpen te combineren. Als niet alle studenten alle vakken gekozen hebben, dan kunnen leerlingen met verschillende achtergronden in teams gezet worden. Alhoewel het belangrijkste onderwerp van de activiteit de basisbehoeften voor leven zijn, kan het ook gebruikt worden om de culterele en gedrags-aspecten van samen leven in een beperkte ruimte te bespreken.

De activiteit kan uitgebreid worden tot een langer project dat verder gaat dan het klaslokaal. Wellicht kan het een wedstrijd tussen teams worden die moeten voldoen aan criteria zoals een maximaal gewicht en grootte van de habitat, het aantal mensen en de duur van de missie. Andere leerlingen kunnen beoordelen welk habitat het best aan de criteria voldoet.


Paul Xuereb, Malta




License

CC-BY-NC-SA