بقدر ما قد يكون أمرًا مخيفًا مثل إرسال البشر إلى كوكب آخر لأول مرة ، فإن الوصول إلى هناك يمثل نصف التحدي فقط. المشكلة الكبرى هي كيف يمكن للبشر أن يتواجدوا على سطح كوكب به جو غير قابل للتنفس ، وإشعاع كوني ، ودرجات حرارة سطح متجمدة على بعد ملايين الأميال من المنزل.
محتويات
- فرصة سانحة
- لماذا الأكسجين مهم جدا
- الاستفادة مما هو متاح
- كيفية بناء آلة أكسجين
- نريد فقط معرفة ما إذا كان يعمل
- محطة ماكموردو للمريخ
- مكافأة المريخ غير متوقعة
أردنا أن نعرف كيف ستشرع في إعداد كوكب غريب لسكن الإنسان ، لذلك تحدثنا إلى خبيرين ، معهد ماساتشوستس أستاذ التكنولوجيا مايكل هيشت ومهندس ناسا أسد أبو بكر ، لمعرفة كيفية إبقاء رواد الفضاء على قيد الحياة على كوكب يريد القتل هم.
مقاطع الفيديو الموصى بها
هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ - سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ
فرصة سانحة
هناك تأخر زمني أساسي في إرسال الأشخاص إلى الكوكب الأحمر. بسبب مداري الأرض والمريخ ، فإن أسهل طريقة للانتقال من كوكب إلى آخر هي باستخدام مسار يسمى a مدار نقل هوهمان، حيث تتحرك المركبة في مدار يدور تدريجياً نحو الخارج.
وأوضح هيشت: "هذا بسبب الطريقة التي تدور بها الكواكب". "تقع الأرض داخل مدار المريخ ، وهي تدور أسرع من المريخ ، لذا فهي تدور مرتين. سنة المريخ ما يقرب من عامين على الأرض ".
"لذا عليك تحديد موعد الإطلاق. وهناك نافذة كل عام على المريخ - كل 26 شهرًا ، في وقت يسمى معارضة المريخ عندما يكون المريخ قريبًا من الأرض. لذلك كل 26 شهرًا ، لديك الفرصة لإطلاق مركبة فضائية إلى المريخ في هذا المدار الأمثل.... لذا فإن الخطط الخاصة بالمريخ هي إرسال البنية التحتية أولاً ، ثم بعد 26 شهرًا سنرسل الطاقم ".
"كل 26 شهرًا ، لديك الفرصة لإطلاق مركبة فضائية إلى المريخ في هذا المدار الأمثل."
لا يعني إرسال البنية التحتية فقط التأكد من وجود هواء يتنفسه رواد الفضاء وطعام لهم ليأكلوه. كما يعني أيضًا إرسال وبناء محطة طاقة ، وموئل ، وعربات جوالة ، ومركبة صعود للسماح لرواد الفضاء بالمغادرة بمجرد انتهاء مهمتهم.
لماذا الأكسجين مهم جدا
أول مشكلة كبيرة يجب معالجتها في إنشاء قاعدة المريخ هي إنتاج الأكسجين. عندما تسمع عن إنتاج الأكسجين على سطح المريخ ، فمن المحتمل أن تفكر في أهم احتياجات الإنسان الأساسية: الحصول على هواء للتنفس. وبالتأكيد ، نحن بحاجة إلى إيجاد طريقة لإنتاج جو جيد التهوية في موطن كوكب المريخ. لكن هذا لا يتطلب سوى كمية صغيرة نسبيًا من الأكسجين مقارنة بالطلب الكبير - وهو الوقود الدافع للصاروخ الذي سيطلق رواد الفضاء من السطح.
قال هيشت: "نحاول صنع وقود صاروخي". "نحن لا نحاول صنع الوقود ، نحن نحاول صنع جزء من التفاعل الكيميائي الذي لا نفكر فيه أبدًا على الأرض." هنا الأرض ، عندما تحرق البنزين في محرك سيارتك ، فإنك تستخدم عدة أضعاف وزن الوقود الموجود في الأكسجين لإنتاج ذلك رد فعل. الشيء نفسه مع حرق سجل في الموقد.
ومع ذلك ، "إذا ذهبت إلى مكان لا يوجد فيه أكسجين مجاني ، فعليك أن تأخذه معك" ، أضاف هيشت.
تحتوي الصواريخ الحديثة على خزانات أكسجين سائل توفر هذا الوقود ، وتشكل جزءًا كبيرًا من الوزن عند الإطلاق.
قال هيشت: "سنحتاج إلى ما يقرب من 30 طنًا متريًا من الأكسجين لتشغيل هذا الصاروخ لنقل رواد الفضاء هؤلاء من الكوكب إلى المدار". "وإذا اضطررنا إلى أخذ 30 طنًا متريًا من الأكسجين معنا إلى المريخ ، فسيؤدي ذلك إلى دفع المهمة بأكملها إلى الوراء عقدًا من الزمان. من الأسهل بكثير إرسال خزان فارغ وتعبئته بالأكسجين هناك ".
الاستفادة مما هو متاح
لإنشاء الأكسجين على المريخ ، يعمل هيشت وزملاؤه على مفهوم يسمى استخدام الموارد في الموقع (ISRU). يعني ذلك بشكل أساسي الاستفادة مما هو موجود بالفعل على سطح المريخ لإنشاء ما نحتاجه.
لقد قاموا ببناء تجربة تسمى MOXIE (تجربة استخدام موارد المريخ بالأكسجين في الموقع) ، والتي تم نقلها بسهولة إلى المريخ مع مركبة ناسا للمثابرة التي هبطت بنجاح في فبراير 2021. MOXIE هو بشكل فعال نسخة مصغرة من جهاز يحتمل أن يكون أكبر بكثير يأخذ ثاني أكسيد الكربون ، المتوفر بكثرة في الغلاف الجوي للمريخ ، وينتج الأكسجين.
قد يبدو هذا معقدًا ، ولكن في الواقع ، الجهاز مشابه لشيء معروف هنا على الأرض. قال هيشت: "موكسي يشبه إلى حد كبير خلية الوقود". "إنها متطابقة تقريبًا. إذا أخذت خلية وقود وعكس اتجاه السلكين القادمين ، سيكون لديك نظام تحليل كهربائي. هذا يعني أنه إذا كانت هذه خلية وقود ، فسيكون لديك وقود ومؤكسد يتحولان إلى جزيء مستقر. إذا كان أول أكسيد الكربون كوقود وأكسجين ، لكان ثاني أكسيد الكربون. أنت أيضا تحصل على الكهرباء.
"إذا قمت بتشغيله في الاتجاه المعاكس ، عليك أن تضع ثاني أكسيد الكربون ، وعليك أن تضع الكهرباء. لكنك تتخلص من أول أكسيد الكربون والأكسجين. هذه هي الطريقة التي نعرف بها كيفية القيام بذلك ".
يأخذ هذا ثاني أكسيد الكربون ، وهو وفير في الغلاف الجوي للمريخ ، وينتج الأكسجين.
هذه الفكرة التي تبدو بسيطة هي جذرية لأنها تعالج مشكلة بالكاد يعتقد أي شخص خارج المجتمع الفضائي أنها مشكلة: إنتاج الأكسجين. قال هيشت: "لا أحد يريد إنتاج الأكسجين على الأرض - ليس لدينا سبب لذلك". "لدينا الكثير منه في كل مكان. لكن لدينا الكثير من المعرفة بسبب خلايا الوقود ".
كيفية بناء آلة أكسجين
إن فهم المبادئ الكيميائية لإنشاء آلة أكسجين شيء ، لكن تصميم وبناء نسخة يمكن أن تتناسب مع العربة الجوالة شيء آخر. أبو بكر ، مهندس حراري في MOXIE في مختبر الدفع النفاث (JPL) التابع لناسا والذي شارك في MOXIE شرح المشروع طوال فترة تطويره ، كيف تم بناء التجربة وبعض التحديات التي واجهها فريق مختبر الدفع النفاث يتصدى.
قال "القيد الرئيسي على الموارد الذي كان لدينا ، إلى جانب الكتلة والمساحة الصغيرة للعمل بها ، كان الطاقة". "العربة الجوالة بها مولد كهربائي حراري نظائر مشعة ، وهو مصدر للطاقة النووية. لذلك يعتقد الناس أن العربة الجوالة تعمل بالطاقة النووية ، لكنها ليست كذلك. إنه يعمل بالبطارية ، مع شاحن نووي هزيلة ".
هذا يعني أنه يجب على الباحثين توخي الحذر الشديد بشأن مقدار الطاقة التي يستخدمونها حتى لا يستنزفوا البطارية. تعمل العربة الجوالة المثابرة بالكامل على 110 واط فقط ، وهو ما يزيد قليلاً عن لمبة إضاءة ساطعة.
في المقابل ، لا يمكن لتجربة مثل MOXIE أن تستخدم سوى قدر ضئيل من الطاقة. قال أبو بكر: "هذا وضع حدًا لمقدار طاقة السخان التي يمكننا استخدامها لتسخينه ، ومقدار الطاقة التي يمكن للضاغط - الذي ينفخ الغاز في النظام - أن يستمده ، والمدة التي يمكننا تشغيلها".
هذا هو السبب في أن إصدار MOXIE الذي يسافر على المثابرة صغير جدًا ، على الرغم من أن النظام سيعمل بشكل جيد أو أفضل على نطاق أوسع.
نريد فقط معرفة ما إذا كان يعمل
لكن تصميم المعدات ليس سوى جانب واحد من التجربة - الجانب الآخر هو التحقق مما إذا كانت تعمل بالفعل على المريخ. حتى مع وجود مفهوم يعمل بقوة هنا على الأرض ، يمكن أن تكون هناك عواقب غير متوقعة للبيئات الغريبة ، من جو رقيق يؤثر على كيفية انتقال الحرارة ، إلى ارتداء المحامل بطرق غير متوقعة بسبب انخفاض الجاذبية وغير مألوف تراب. لهذا السبب سيجمع مهندسو مختبر الدفع النفاث قريبًا البيانات من جهاز MOXIE ليروا كيف تسير الأمور في بيئة مريخية حقيقية.
قال أبو بكر: "من نواحٍ كثيرة ، لا تأخذ MOXIE البيانات العلمية حقًا". مقارنة بالأدوات العلمية مثل التلسكوبات أو أجهزة قياس الطيف المستخدمة لتحليل عينات الصخور ، فإن البيانات التي تم جمعها من MOXIE بسيطة نسبيًا. "ما لدينا يشبه تقريبًا بيانات القياس عن بُعد الهندسية. نقيس الفولتية والتيارات ودرجات الحرارة وأشياء من هذا القبيل. هذه هي بياناتنا ، وحجم البيانات صغير جدًا في الواقع. يمكنك وضعها تقريبًا على قرص مرن ".
هذا يعني أنه يمكن للفريق الحصول على ملاحظات سريعة جدًا حول ما إذا كان النظام يعمل على النحو المنشود - في غضون أيام قليلة. بخلاف أدوات المثابرة الأخرى ، التي يستغرق تحليل البيانات فيها أسابيع أو شهورًا أو حتى سنوات ، يعد MOXIE عرضًا عمليًا بقدر ما هو تجربة.
"حجم البيانات صغير جدًا في الواقع. يمكنك وضعها تقريبًا على قرص مرن "
قال أبو بكر: "في كثير من النواحي ، ما نقوم به ليس علمًا ، إنه تكنولوجيا". "في الغالب ، نريد فقط معرفة ما إذا كانت تعمل أم لا. وإذا أردنا توسيع نطاقه في المستقبل ، فما هي أنواع الأشياء التي سنحتاج إلى القيام بها للقيام بذلك؟ "
محطة ماكموردو للمريخ
إذا نجح جهاز MOXIE ، فيمكنه توضيح كيفية عمل مبدأ ISRU على المريخ. ثم يكون من السهل نسبيًا توسيع نطاق المشروع وإنشاء نسخة كاملة الحجم يمكنها إنتاج الأكسجين بمعدل أعلى بكثير. والخبر السار هو أن النسخة الأكبر ستكون أكثر كفاءة ويمكن أن تنتج كمية كبيرة من الأكسجين دون الحاجة إلى الكثير من الطاقة.
من خلال فرز الأكسجين ، يمكننا الانتقال إلى الأنواع الأخرى من الموارد التي نحتاجها للبشر الذين يعيشون على المريخ. من أهم الموارد التي نحتاجها لتأسيس قاعدة على هذا الكوكب ماء. ليس فقط ليشربه البشر ، ولكن أيضًا لأن الماء (أو الهيدروجين) وثاني أكسيد الكربون يمكن دمجهما في مجموعة كبيرة من المواد الكيميائية المفيدة.
Crazy Engineering: صنع الأكسجين على المريخ باستخدام MOXIE
قال هيشت: "الفكرة على المدى القصير هي أننا نريد القيام بقدر معين من ISRU المستقل لجعل مهماتنا ممكنة". "بمجرد أن يكون لدينا قاعدة على هذا الكوكب ، مثل محطة ماكموردو في أنتاركتيكا أو مثل محطة الفضاء الدولية ، عندها يمكنك التفكير في أنواع أكثر عدوانية من ISRU ، مثل استخراج الجليد.
"يشعر الكثير من الناس أنه يجب علينا التنقيب عن الجليد بشكل مستقل. لكنني أقول لا ، الأمر لا يستحق العناء. الثلج معدن ، مما يعني أنه عليك البحث عنه ، عليك حفره ، عليك تنقيته. سيكون من الأسهل إحضاره فقط. شيء مثل MOXIE ، مع ذلك ، هو شجرة ميكانيكية. إنه يتنفس ثاني أكسيد الكربون وينفث الأكسجين ".
يرى هيشت أنه بالمقارنة مع البحث عن الموارد عن طريق التعدين ، فإن جهاز MOXIE أبسط بكثير. "ليس من الضروري أن تذهب إلى أي مكان ، ولا يتعين عليها البحث عن أي شيء. هذه هي أنواع طرق IRSU التي تعتبر عملية حقًا على المدى القصير. يمكنك تأجيل الباقي حتى يكون لديك أشخاص على السطح يمكنهم القيام بمهام أكثر تعقيدًا ".
مكافأة المريخ غير متوقعة
يحتوي المريخ على الكثير من الجليد المائي ، لكنه يقع في القطبين ، بينما ترغب معظم بعثات المريخ في التركيز على الهبوط عند خط الاستواء ، الذي يشبه الصحراء. تتضمن المفاهيم الحالية لمعالجة هذه المشكلة فكرة رسم خرائط الجليد العالمية ، حيث يمكن تعيين مواقع كميات أصغر من الجليد لاستخدامها في المستقبل.
خيار آخر هو استخراج المياه من المعادن الموجودة في تربة المريخ. وأوضح هيشت: "هناك معادن مثل الجبس وأملاح إبسوم وهي كبريتات وتجذب الكثير من الماء". "لذا يمكنك حفرها وخبزها وإخراج الماء منها. يمكنك تعدين التربة للحصول على الماء ، وهي وفيرة إلى حد ما ".
"عندما تطلق ذرات الأكسجين من ClO4 لإنتاج الكلور ، فإنها تطلق كمية هائلة من الطاقة"
لكن المريخ لا يحتوي فقط على مواد مشابهة لتلك التي نجدها هنا على الأرض. كما أنه يحتوي على كميات كبيرة من مادة كيميائية تسمى البركلورات (ClO4) ، وهي مادة خطرة على صحة الإنسان ولا توجد إلا بكميات صغيرة على كوكبنا. على الرغم من كونها سامة ، يمكن أن تكون هذه المادة مفيدة للغاية بسبب خصائصها الكيميائية ، حيث يتم استخدامها في أشياء مثل معززات الصواريخ الصلبة والألعاب النارية والوسائد الهوائية.
قال هيشت: "على كوكب المريخ ، تبين أن معظم الكلور الموجود في التربة عبارة عن بيركلورات". "إنها تشكل ما يقرب من 1٪ من التربة. ولديها كمية هائلة من الطاقة. عندما تطلق ذرات الأكسجين من ClO4 لإنتاج الكلور ، فإنها تطلق كمية هائلة من الطاقة. لطالما اعتقدت أنه سيكون مصدرًا رائعًا للحصاد ".
تكمن المشكلة في أن هذه التطبيقات كلها قابلة للانفجار ، والتحكم في تفاعل ClO4 يمثل تحديًا. ومع ذلك ، هناك نظام لديه القدرة على إطلاق الطاقة بلطف ، باستخدام a مفاعل بيولوجي.
وأوضح هيشت: "يمكن للميكروبات أن تأكل هذه الأشياء وتنتج الطاقة". وقد بنى الناس بالفعل هذه الأنواع من المفاعلات البيولوجية ، وهي عبارة عن خزانات من البكتيريا التي تهضم بعض المواد وتستخرج الطاقة منها.
"إذن لدي هذه الرؤية لمفاعل بيولوجي في الجزء الخلفي من عربة جوالة ، ورائد الفضاء يدخل ويتجول. وعندما ينخفض مقياس القوة ، يخرجون ويبدأون في تجريف التربة في وعاء في الخلف ، وتلتهم الميكروبات التربة وتنتج الطاقة ويمكن لرائد الفضاء الاستمرار في القيادة. إنها فكرة مجنونة ولكن هذا هو مفهوم استخدام موارد الحيوانات الأليفة ".
هذه المقالة جزء من الحياة على المريخ - سلسلة من 10 أجزاء تستكشف أحدث العلوم والتكنولوجيا التي ستسمح للبشر باحتلال المريخ.
توصيات المحررين
- رحلة كونية: اللوجيستيات الصعبة المتمثلة في وضع الناس على المريخ
- اتقان الدفع: كيف سننقل البشر إلى المريخ
- قلاع من الرمال: كيف نصنع موائل بتربة المريخ
- حصاد الماء: كيف سيخلق المستوطنون في المستقبل المياه ويجمعونها على المريخ
- الزراعة الفلكية: كيف سنزرع المحاصيل على المريخ
