Jak na Marsu postavíme základnu s dýchatelným vzduchem

Jakkoli může být první vyslání lidí na jinou planetu zastrašující, dostat se tam je jen poloviční výzvou. Velkým problémem je, jak mohou lidé existovat na povrchu planety s nedýchatelnou atmosférou, kosmickým zářením a mrazivými povrchovými teplotami miliony kilometrů od domova.

Chtěli jsme vědět, jak byste postupovali při přípravě cizí planety pro lidské bydlení, a tak jsme mluvili se dvěma odborníky, Massachusetts Institute of Profesor technologie Michael Hecht a inženýr NASA Asad Aboobaker, aby zjistili, jak udržet astronauty naživu na planetě, která chce zabíjet jim.

Tento článek je součástí Život na Marsu — 10dílná série, která zkoumá špičkovou vědu a technologii, která lidem umožní okupovat Mars

Okno příležitosti

Při odesílání lidí na rudou planetu je zásadní časová prodleva. Vzhledem k oběžným drahám Země a Marsu je nejjednodušší způsob, jak se dostat z jedné planety na druhou pomocí trajektorie zvané

Hohmannova přenosová dráha, ve kterém se plavidlo pohybuje po oběžné dráze, která se postupně spirálovitě stáčí ven.

"Je to kvůli tomu, jak se planety otáčejí," vysvětlil Hecht. "Země je na oběžné dráze Marsu a otáčí se rychleji než Mars, takže ji několikrát obletí." Marsový rok jsou téměř dva pozemské roky."

"Takže musíte načasovat start." A je tu okno každý rok na Marsu – každých 26 měsíců, v době nazývané opozice Marsu, když je Mars blízko Země. Každých 26 měsíců tedy máte možnost vypustit kosmickou loď na Mars na této optimální oběžné dráze.... Takže plány na Mars jsou nejprve poslat infrastrukturu a pak o 26 měsíců později pošleme posádku."

Posílat infrastrukturu neznamená jen zajistit, aby měli astronauti vzduch k dýchání a jídlo, které by mohli jíst. Znamená to také poslat a postavit elektrárnu, stanoviště, vozítka a stoupací vozidlo, které umožní astronautům odejít, jakmile jejich mise skončí.

Proč je kyslík tak důležitý

První velký problém, který je třeba řešit při zřizování základny na Marsu, je produkce kyslíku. Když slyšíte o produkci kyslíku na Marsu, pravděpodobně vás napadne ta nejzákladnější lidská potřeba: Mít vzduch k dýchání. A rozhodně musíme najít způsob, jak vytvořit dýchatelnou atmosféru v uzavřeném prostředí Marsu. To však vyžaduje pouze relativně malé množství kyslíku ve srovnání s velkou spotřebou paliva pro raketu, která vynese astronauty z povrchu.

"Snažíme se vyrábět raketový pohon," řekl Hecht. "Nesnažíme se vyrobit palivo, snažíme se udělat část chemické reakce, o které na Zemi nikdy nepřemýšlíme." Tady na Země, když v motoru svého auta spalujete benzín, spotřebováváte k jeho vytvoření několiknásobek hmotnosti paliva v kyslíku. reakce. To samé s pálením polena v krbu.

Nicméně, „pokud jdete někam, kde není volný kyslík, musíte si ho vzít s sebou,“ dodal Hecht.

Moderní rakety mají nádrže na kapalný kyslík, které poskytují tuto pohonnou látku, a tvoří značnou část hmotnosti při startu.

"Potřebovali bychom téměř 30 metrických tun kyslíku k pohonu té rakety, která by odvezla astronauty z planety na oběžnou dráhu," řekl Hecht. "A pokud budeme muset vzít těch 30 metrických tun kyslíku s sebou na Mars, posune to celou misi o deset let zpět." Je mnohem jednodušší poslat prázdnou nádrž a naplnit ji kyslíkem."

Využití toho, co je k dispozici

Pro vytvoření kyslíku na Marsu Hecht a jeho kolegové pracují na konceptu zvaném využití zdrojů in-situ (ISRU). V podstatě to znamená využít to, co již na Marsu je, k vytvoření toho, co potřebujeme.

Postavili experiment nazvaný MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), který byl obratně přenesen na Mars spolu s Rover NASA Perseverance která úspěšně přistála v únoru 2021. MOXIE je ve skutečnosti miniaturní verze potenciálně mnohem většího zařízení, které přijímá oxid uhličitý, kterého je v marťanské atmosféře dostatek, a produkuje kyslík.

To může znít složitě, ale ve skutečnosti je zařízení podobné něčemu, co je dobře známé zde na Zemi. "MOXIE je velmi podobný palivovému článku," řekl Hecht. "Je to téměř totožné. Pokud byste vzali palivový článek a obrátili dva přicházející dráty, měli byste systém elektrolýzy. To znamená, že pokud by to byl palivový článek, měli byste palivo a okysličovadlo, které by se staly stabilní molekulou. Pokud by to byl oxid uhelnatý jako palivo a kyslík, vytvořil by oxid uhličitý. Dostanete také elektřinu.

„Když to spustíte obráceně, musíte přidat oxid uhličitý a musíte přidat elektřinu. Ale dostanete ven oxid uhelnatý a kyslík. Takhle víme, jak to udělat."

Tato zdánlivě jednoduchá myšlenka je radikální, protože řeší problém, který za problém považuje sotva kdokoli mimo vesmírnou komunitu: Produkce kyslíku. "Nikdo nechce na Zemi vyrábět kyslík - nemáme k tomu důvod," řekl Hecht. „Máme toho všude dost. Ale díky palivovým článkům máme spoustu znalostí.“

Jak postavit kyslíkový přístroj

Pochopit chemické principy výroby kyslíkového přístroje je jedna věc, ale navrhnout a postavit verzi, která se vejde do roveru, je věc druhá. Aboobaker, tepelný inženýr pro MOXIE v NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL), který se podílel na MOXIE projekt během jeho vývoje, vysvětlil, jak byl experiment postaven, a některé výzvy, kterým musel tým JPL čelit řešit.

"Hlavním omezením zdrojů, které jsme měli, kromě hmoty a malého prostoru pro práci, byla energie," řekl. „Rover má radioizotopový termoelektrický generátor, což je jaderný zdroj energie. Lidé si tedy myslí, že rover má jaderný pohon, ale není tomu tak. Je napájený bateriemi a má jadernou udržovací nabíječku."

To znamená, že výzkumníci musí být extrémně opatrní s tím, kolik energie používají, aby nevybili baterii. Celý Rover Perseverance běží na pouhých 110 wattech, což je jen o něco málo víc než jasná žárovka.

Na druhé straně experiment jako MOXIE může spotřebovat pouze malé množství energie. "Takže to stanovilo limit, kolik energie ohřívače bychom mohli použít k zahřátí, kolik energie může čerpat kompresor - který vhání plyn do systému - a jak dlouho můžeme běžet," řekl Aboobaker.

Proto je verze MOXIE cestující na Perseverance tak malá, i když by systém fungoval stejně dobře nebo dokonce lépe ve větším měřítku.

Chceme jen vědět, jestli to funguje

Návrh zařízení je však pouze jednou stranou experimentu – druhá strana ověřuje, zda na Marsu skutečně funguje. I s konceptem, který zde na Zemi spolehlivě funguje, mohou existovat neočekávané důsledky mimozemského prostředí řídká atmosféra ovlivňující přenos tepla do ložisek, která se neočekávaným způsobem opotřebovávají v důsledku nižší gravitace a jsou neznámá prach. To je důvod, proč inženýři JPL budou brzy sbírat data z MOXIE, aby viděli, jak si vede ve skutečném marťanském prostředí.

"V mnoha ohledech MOXIE ve skutečnosti nebere vědecká data," řekl Aboobaker. Ve srovnání s vědeckými přístroji, jako jsou teleskopy nebo spektrometry, používané k analýze vzorků hornin, jsou data získaná z MOXIE relativně jednoduchá. „To, co máme, je téměř jako inženýrská telemetrická data. Měříme napětí, proudy a teploty a podobné věci. To jsou naše data a objem dat je ve skutečnosti poměrně malý. Skoro by se to vešlo na disketu.“

To znamená, že tým může získat velmi rychlou zpětnou vazbu o tom, zda systém funguje tak, jak má – během několika dní. Na rozdíl od jiných nástrojů Perseverance, u kterých analýza dat trvá týdny, měsíce nebo dokonce roky, je MOXIE praktickou ukázkou i experimentem.

"V mnoha ohledech to, co děláme, není věda, je to technologie," řekl Aboobaker. „Většinou jen chceme vědět, jestli to funguje. A pokud bychom to chtěli v budoucnu zvětšit, jaké druhy věcí bychom k tomu museli udělat?

McMurdo stanice pro Mars

Pokud bude MOXIE úspěšná, může demonstrovat, jak může na Marsu fungovat princip ISRU. Pak je relativně jednoduché projekt zvětšit a vytvořit plnohodnotnou verzi, která by mohla produkovat kyslík mnohem vyšší rychlostí. A dobrou zprávou je, že větší verze by byla účinnější a mohla by produkovat značné množství kyslíku, aniž by vyžadovala příliš mnoho energie.

S vytříděným kyslíkem bychom mohli přejít k dalším druhům zdrojů, které bychom potřebovali pro lidi žijící na Marsu. Dalším z nejdůležitějších zdrojů, které bychom potřebovali k vytvoření základny na planetě, je voda. Nejen pro lidi k pití, ale také proto, že voda (nebo vodík) a oxid uhličitý mohou být kombinovány do obrovského množství užitečných chemikálií.

„Myšlenka v krátkodobém horizontu je taková, že chceme udělat určité množství autonomního ISRU, aby byly naše mise proveditelné,“ řekl Hecht. „Jakmile budeme mít na planetě základnu, jako je stanice McMurdo v Antarktidě nebo jako Mezinárodní vesmírná stanice, pak můžete přemýšlet o mnohem agresivnějších typech ISRU, jako je těžba ledu.

„Spousta lidí má pocit, že bychom měli led těžit autonomně. Ale říkám ne, nestojí to za námahu. Led je minerál, to znamená, že ho musíte hledat, musíte ho vykopat, musíte ho vyčistit. Bude jednodušší to prostě přinést. Něco jako MOXIE je ovšem mechanický strom. Dýchá oxid uhličitý a vydechuje kyslík."

Ve srovnání s lovem zdrojů prostřednictvím těžby je MOXIE mnohem jednodušší, tvrdí Hecht. „Nemusí nikam chodit, nemusí nic hledat. To jsou druhy metod IRSU, které jsou z krátkodobého hlediska skutečně praktické. Zbytek odložíte, dokud nebudete mít na povrchu lidi, kteří zvládnou složitější úkoly.“

Neočekávaná marťanská odměna

Mars má spoustu vodního ledu, ale nachází se na pólech, zatímco většina misí na Mars se chce zaměřit na přistání na rovníku, který je jako poušť. Současné koncepce řešení tohoto problému zahrnují myšlenku globálního mapování ledu, kde by bylo možné zmapovat místa menšího množství ledu pro budoucí použití.

Další možností je získávat vodu z minerálů v marťanské půdě. "Existují minerály jako sádra a Epsomské soli, které jsou sírany a přitahují hodně vody," vysvětlil Hecht. "Takže je můžeš vykopat a upéct a dostat z toho vodu." Mohli byste těžit z půdy vodu, které je poměrně dost."

Ale Mars nemá pouze podobné materiály, jaké najdeme zde na Zemi. Obsahuje také velké množství chemické látky zvané chloristan (ClO4), která je nebezpečná pro lidské zdraví a na naší planetě se vyskytuje pouze v malých množstvích. Navzdory tomu, že je toxická, může být tato látka extrémně užitečná kvůli svým chemickým vlastnostem, protože se používá ve věcech, jako jsou posilovače raket na tuhé palivo, ohňostroje a airbagy.

"Na Marsu se ukázalo, že většina chlóru v půdě je chloristan," řekl Hecht. „Tvoří téměř 1 % půdy. A má obrovské množství energie. Když uvolníte atomy kyslíku z ClO4, abyste vytvořili Cl, uvolní se obrovské množství energie. Vždycky jsem si myslel, že to bude skvělý zdroj ke sklizni."

Problém s tím je, že všechny tyto aplikace jsou výbušné a řízení reakce ClO4 je náročné. Existuje však systém, který má potenciál uvolňovat energii jemně pomocí a biologický reaktor.

"Mikroby mohou jíst tyto látky a vyrábět energii," vysvětlil Hecht. "A lidé ve skutečnosti postavili tyto druhy biologických reaktorů, což jsou nádrže bakterií, které tráví nějakou látku a extrahují z ní energii.

"Takže mám vizi biologického reaktoru v zadní části roveru a astronaut nastoupí a projede kolem." A když se měřidlo výkonu sníží, vystoupí a začnou lopatou odhrnovat půdu do násypky vzadu a mikrobi hlínu požírají a vyrábějí energii a astronaut může pokračovat v jízdě. Je to bláznivý nápad, ale to je můj koncept využití zdrojů pro domácí mazlíčky."

Tento článek je součástí Život na Marsu — 10dílná série, která zkoumá špičkovou vědu a technologii, která lidem umožní okupovat Mars.

Doporučení redakce

• Kosmologické dojíždění: Složitá logistika přivádění lidí na Mars
• Zdokonalování pohonu: Jak dostaneme lidi na Mars
• Hrady z písku: Jak vytvoříme stanoviště s marťanskou půdou
• Sklizeň hydratace: Jak budou budoucí osadníci vytvářet a sbírat vodu na Marsu
• Astrozemědělství: Jak budeme pěstovat plodiny na Marsu