Колкото и плашещо да е изпращането на хора на друга планета за първи път, достигането до там е само половината от предизвикателството. Големият проблем е как хората могат да съществуват на повърхността на планета с невъзможна за дишане атмосфера, космическа радиация и минусови температури на повърхността на милиони мили от дома.
Съдържание
- Прозорец на възможност
- Защо кислородът е толкова важен
- Използване на наличното
- Как да изградим кислородна машина
- Просто искаме да знаем дали работи
- Станция Макмърдо за Марс
- Неочаквана марсианска награда
Искахме да знаем как ще подготвите извънземна планета за човешко обитаване, затова говорихме с двама експерти от Масачузетския институт Професорът по технологии Майкъл Хехт и инженерът на НАСА Асад Абобейкър, за да разберат как да запазят астронавтите живи на планета, която иска да убива тях.
Препоръчани видеоклипове
Тази статия е част от Животът на Марс — поредица от 10 части, която изследва авангардните наука и технологии, които ще позволят на хората да окупират Марс
Прозорец на възможност
Има значително забавяне във времето при изпращането на хора на червената планета. Поради орбитите на Земята и Марс, най-лесният начин да стигнете от една планета до друга е като използвате траектория, наречена Трансферна орбита на Hohmann, при което плавателен съд се движи в орбита, която постепенно спираловидно се извива навън.
„Това се дължи на начина, по който се въртят планетите“, обясни Хехт. „Земята е в орбитата на Марс и се върти по-бързо от Марс, така че го обикаля няколко пъти. Годината на Марс е почти две земни години.
„Така че трябва да определите времето за изстрелване. И има прозорец всяка марсианска година - на всеки 26 месеца, във време, наречено опозиция на Марс, когато Марс е близо до Земята. Така че на всеки 26 месеца имате възможност да изстреляте космически кораб до Марс в тази оптимална орбита. … Така че плановете за Марс са първо да изпратим инфраструктурата, а след това 26 месеца по-късно ще изпратим екипажа.“
„На всеки 26 месеца имате възможност да изстреляте космически кораб до Марс в тази оптимална орбита.“
Изпращането на инфраструктура не означава просто да се гарантира, че има въздух за дишане на астронавтите и храна за ядене. Това също означава изпращане и конструиране на електроцентрала, местообитание, роувъри и превозно средство за изкачване, за да се позволи на астронавтите да напуснат, след като мисията им приключи.
Защо кислородът е толкова важен
Първият голям проблем, който трябва да се реши при създаването на база на Марс, е производството на кислород. Когато чуете за производството на кислород на Марс, вероятно се сещате за най-основната човешка нужда: да има въздух за дишане. И със сигурност трябва да намерим начин да създадем годна за дишане атмосфера в затворено местообитание на Марс. Но това изисква само сравнително малко количество кислород в сравнение с голямото търсене - това на пропелант за ракетата, която ще изстреля астронавтите от повърхността.
„Опитваме се да направим ракетно гориво“, каза Хехт. „Ние не се опитваме да направим гориво, ние се опитваме да направим частта от химическата реакция, за която на Земята никога не мислим.“ Тук на Земя, когато изгаряте бензин в двигателя на вашия автомобил, вие използвате няколко пъти повече от теглото на горивото в кислород, за да създадете това реакция. Същото е и с изгарянето на цепеница в камина.
Въпреки това, „ако отидете някъде, където няма безплатен кислород, трябва да го вземете със себе си“, добави Хехт.
Съвременните ракети имат резервоари за течен кислород, които осигуряват това гориво, и те формират значителна част от теглото при изстрелване.
„Ще ни трябват близо 30 метрични тона кислород, за да задвижим тази ракета, за да изведем тези астронавти от планетата в орбита“, каза Хехт. „И ако трябва да вземем тези 30 метрични тона кислород с нас на Марс, това ще върне цялата мисия десетилетие назад. Много по-лесно е да изпратите празен резервоар и да го напълните с кислород там.
Използване на наличното
За да създадат кислород на Марс, Хехт и колегите му работят върху концепция, наречена in-situ resource utilization (ISRU). По същество това означава да използваме това, което вече е на Марс, за да създадем това, от което се нуждаем.
Те са построили експеримент, наречен MOXIE (Марс кислород In-Situ Resource Utilization Experiment), който е пренесен на ръка на Марс заедно с Марсоходът на НАСА Perseverance който успешно кацна през февруари 2021 г. MOXIE всъщност е миниатюрна версия на потенциално много по-голямо устройство, което поема въглероден диоксид, който е изобилен в атмосферата на Марс, и произвежда кислород.
Това може да звучи сложно, но всъщност устройството е подобно на нещо добре познато тук на Земята. „MOXIE много прилича на горивна клетка“, каза Хехт. „Почти е идентичен. Ако вземете горивна клетка и обърнете двата проводника, които влизат, ще имате система за електролиза. Това означава, че ако това беше горивна клетка, щяхте да имате гориво и окислител, които да се превърнат в стабилна молекула. Ако беше въглероден оксид като гориво и кислород, щеше да се получи въглероден диоксид. Освен това получавате електричество.
„Ако го пуснете на заден ход, трябва да вкарате въглероден диоксид и трябва да вкарате електричество. Но излизате въглероден окис и кислород. Ето как знаем как да направим това.
Това поема въглероден диоксид, който е изобилен в атмосферата на Марс, и произвежда кислород.
Тази на пръв поглед проста идея е радикална, защото се занимава с проблем, който едва ли някой извън космическата общност смята за проблем: Производството на кислород. „Никой не иска да произвежда кислород на Земята – нямаме причина за това“, каза Хехт. „Имаме го в изобилие навсякъде. Но имаме много знания благодарение на горивните клетки.“
Как да изградим кислородна машина
Разбирането на химичните принципи за създаване на кислородна машина е едно, но проектирането и изграждането на версия, която може да се побере в марсоход, е друго. Aboobaker, топлинен инженер за MOXIE в лабораторията за реактивни двигатели на НАСА (JPL), който е участвал в MOXIE проект през цялото му развитие, обясни как е изграден експериментът и някои от предизвикателствата, с които се сблъсква екипът на JPL справи.
„Основното ограничение на ресурсите, което имахме, освен масата и малкото пространство за работа, беше енергията“, каза той. „Марсоходът има радиоизотопен термоелектрически генератор, който е ядрен източник на енергия. Така че хората си мислят, че марсоходът е с ядрена енергия, но не е така. Захранва се от батерии, с ядрено зарядно устройство.“
Това означава, че изследователите трябва да бъдат изключително внимателни с това колко енергия използват, за да не изтощават батерията. Целият марсоход Perseverance работи само със 110 вата, което е малко повече от ярка крушка.
На свой ред, експеримент като MOXIE може да използва само малко количество енергия. „Така че задаваме ограничение за това колко мощност на нагревателя можем да използваме, за да го загреем, колко мощност може да извлече компресорът, който издухва газа в системата, и колко дълго можем да работим“, каза Абобейкър.
Ето защо версията на MOXIE, пътуваща с Perseverance, е толкова малка, въпреки че системата би работила също толкова добре или дори по-добре в по-голям мащаб.
Просто искаме да знаем дали работи
Но проектирането на оборудването е само едната страна на експеримента - другата страна проверява дали то наистина работи на Марс. Дори и с концепция, която работи стабилно тук на Земята, може да има неочаквани последици от извънземна среда, от тънка атмосфера, засягаща начина, по който се пренася топлината, към лагерите, износващи се по неочаквани начини поради по-ниска гравитация и непознати прах. Ето защо инженерите на JPL скоро ще събират данни от MOXIE, за да видят как се справя в реална марсианска среда.
„По много начини MOXIE всъщност не взема научни данни“, каза Абобейкър. В сравнение с научни инструменти като телескопи или спектрометри, използвани за анализиране на скални проби, данните, събрани от MOXIE, са относително прости. „Това, което имаме, е почти като инженерни телеметрични данни. Измерваме напрежения, токове и температури, подобни неща. Това са нашите данни, а обемът на данните всъщност е доста малък. Почти бихте могли да го поберете на дискета.
Това означава, че екипът може да получи много бърза обратна връзка за това дали системата работи по предназначение - в рамките на няколко дни. За разлика от други инструменти на Perseverance, за които анализът на данни отнема седмици, месеци или дори години, MOXIE е колкото практическа демонстрация, толкова и експеримент.
„Обемът на данните всъщност е доста малък. Почти бихте могли да го поберете на флопи диск"
„В много отношения това, което правим, не е наука, а технология“, каза Абобейкър. „Най-вече просто искаме да знаем дали работи. И ако искаме да го разширим в бъдеще, какви са нещата, които трябва да направим, за да направим това?“
Станция Макмърдо за Марс
Ако MOXIE е успешен, той може да демонстрира как принципът на ISRU може да работи на Марс. След това е сравнително лесно проектът да се увеличи и да се създаде пълномащабна версия, която може да произвежда кислород с много по-висока скорост. И добрата новина е, че по-голяма версия би била по-ефективна и би могла да произвежда значително количество кислород, без да изисква твърде много енергия.
С сортирания кислород бихме могли да преминем към другите видове ресурси, от които ще се нуждаем за хората, живеещи на Марс. Друг от най-важните ресурси, от които ще се нуждаем, за да установим база на планетата, е вода. Не само за пиене от хората, но и защото водата (или водородът) и въглеродният диоксид могат да се комбинират в огромно разнообразие от полезни химикали.
Лудо инженерство: Създаване на кислород на Марс с MOXIE
„Идеята в краткосрочен план е, че искаме да направим известно количество автономни ISRU, за да направим нашите мисии осъществими“, каза Хехт. „След като имаме база на планетата, като станция Макмърдо в Антарктида или като Международната космическа станция, тогава можете да мислите за много по-агресивни видове ISRU, като добив на лед.
„Много хора смятат, че трябва да копаем лед автономно. Но аз казвам не, не си струва усилията. Ледът е минерал, което означава, че трябва да го търсите, трябва да го копаете, трябва да го пречиствате. Ще бъде по-лесно просто да го донесете. Нещо като MOXIE обаче е механично дърво. Той вдишва въглероден диоксид и издишва кислород.
В сравнение с търсенето на ресурси чрез копаене, MOXIE е много по-просто, твърди Хехт. „Не е нужно да ходи никъде, не трябва да търси нищо. Това са видовете методи на IRSU, които са наистина практични в краткосрочен план. Отлагаш останалото, докато имаш хора на повърхността, които могат да изпълняват по-сложни задачи.
Неочаквана марсианска награда
Марс наистина има много воден лед, но той е разположен на полюсите, докато повечето мисии на Марс искат да се съсредоточат върху кацането на екватора, който е като пустиня. Настоящите концепции за справяне с този проблем включват идеята за глобално картографиране на лед, където местоположенията на по-малки количества лед могат да бъдат картографирани за бъдеща употреба.
Друг вариант е да се извлече вода от минералите в марсианската почва. „Има минерали като гипс и соли на Epsom, които са сулфати и привличат много вода“, обясни Хехт. „Така че можете да ги изкопаете и да ги изпечете и да извадите водата. Можете да копаете почвата за вода, която е доста изобилна.
„Когато освободите кислородни атоми от ClO4, за да направите Cl, това освобождава огромно количество енергия“
Но Марс не само има материали, подобни на тези, които намираме тук на Земята. Той също така съдържа големи количества химикал, наречен перхлорат (ClO4), който е опасен за човешкото здраве и се среща само в малки количества на нашата планета. Въпреки че е токсично, това вещество може да бъде изключително полезно поради химичните си свойства, тъй като се използва в неща като твърди ракетни ускорители, фойерверки и въздушни възглавници.
„На Марс по-голямата част от хлора в почвата се оказва перхлорат“, каза Хехт. „Той представлява почти 1% от почвата. И има огромно количество енергия. Когато освободите кислородни атоми от ClO4, за да направите Cl, това освобождава огромно количество енергия. Винаги съм смятал, че това ще бъде чудесен ресурс за прибиране на реколтата.
Проблемът с това е, че всички тези приложения са експлозивни и контролирането на реакцията на ClO4 е предизвикателство. Съществува обаче система, която има потенциала да освобождава енергията внимателно, използвайки a биологичен реактор.
„Микробите могат да ядат тези неща и да произвеждат енергия“, обясни Хехт. „И хората всъщност са построили този вид биологични реактори, които са резервоари от бактерии, които усвояват някакво вещество и извличат енергия от него.
„Така че имам тази визия за биологичен реактор в задната част на марсоход, а астронавтът влиза и кара наоколо. И когато индикаторът на мощността падне, те излизат и започват да изгребват почвата в бункер отзад и микробите изяждат почвата и произвеждат енергия и астронавтът може да продължи да шофира. Това е луда идея, но това е моята любима концепция за използване на ресурсите.“
Тази статия е част от Животът на Марс — поредица от 10 части, която изследва авангардната наука и технология, която ще позволи на хората да окупират Марс.
Препоръки на редакторите
- Космологично пътуване: сложната логистика на изпращането на хора на Марс
- Усъвършенстване на задвижването: Как ще отведем хората до Марс
- Замъци, направени от пясък: Как ще направим местообитания с марсианска почва
- Събиране на хидратация: Как бъдещите заселници ще създават и събират вода на Марс
- Астроземеделие: Как ще отглеждаме култури на Марс
