Harvesting Hydration: Hvordan vi samler vand på Mars

Vi har drømt om at sende mennesker til en anden planet i årtier, og med den seneste stigning i interessen for udforskningen af ​​Mars ser det ud til, at det en dag kunne blive en realitet.

Men der er masser af arbejde at gøre, før vi er klar til, at en person sætter foden på den røde planet.

Af alle de ressourcer, som besøgende på Mars vil kræve, er en af ​​de mest betydningsfulde vand - ikke kun til at drikke, men også til fremstilling af raketdrivstof og andre stoffer som ilt. Og hvis vi er i håb om at etablere landbrug der, vi skal bruge en hel masse vand for at holde afgrøder i vækst.

Men overfladen af ​​Mars ligner en tør, ugæstfri ørken. I dag har Mars ingen søer, ingen floder og ingen nedbør.

Så hvor får vi vores vand fra? Vi talte med tre eksperter for at finde ud af det.

Denne artikel er en del af Livet på Mars

At finde vand på Mars

Selvom vi er mange år væk fra at etablere en fuldt operationel base på Mars, tænker rumbureauer som NASA allerede på vandspørgsmålet. At bringe vand fra Jorden er upraktisk - det er alt for tungt at bære alt det vand, der kræves til en mission i en raket. Så planen er at indsamle vand fra Mars-miljøet, og for at gøre det skal vi vide, hvor vandet er placeret.

Den gode nyhed er, at der er masser af vand i form af is på overfladen af ​​Mars, inklusive is, der dækker polerne og i store kratere. Den dårlige nyhed er, at en mission til disse frysende kolde områder giver sine egne problemer, som den mængde energi, det ville tage at holde både mennesker og maskiner varme i temperaturer så lave som -240°F. Det er derfor, at fokus på de fleste Mars-missioner er regionerne på midten af ​​breddegraden, hvor temperaturerne er mildere.

Der er ikke is på overfladen i disse områder, selvom der er is under jorden. Men medmindre du vil sende en astronaut ud med en skovl for at prøve hver eneste plet af snavs på planeten, har du brug for en måde at kortlægge den underjordiske is hurtigt og effektivt.

X markerer stedet

Det er, hvad Gareth Morgan og Than Putzig fra Planetary Science Institute arbejder på som en del af projektet Subsurface Water Ice Mapping (SWIM). De og deres kolleger har kombineret 20 års data fra fem forskellige orbitale Mars-instrumenter for at kortlægge, hvor isen højst sandsynligt er placeret under overfladen. Hvert datasæt, såsom radaraflæsninger eller indikationer af brint, kan alene fortælle dig så meget om, hvorvidt is er på et bestemt sted, men i kombination kan de angive, hvad de primære steder for at finde is ville være.

Målet med deres arbejde er at hjælpe NASA med at vælge fremtidige landingssteder til bemandede missioner, så astronauter kan få adgang underjordisk is, samtidig med at det giver så meget frihed som muligt til at vælge en videnskabeligt interessant udforskning areal.

"Teknologi og teknik kommer til at definere, hvordan man sætter mennesker på Mars," sagde Morgan, "og de vil have deres egne begrænsninger for, hvor det kan ske. De ønsker også, at videnskabssamfundet skal finde de mest videnskabeligt levedygtige, interessante, fascinerende steder at lande. Så vores opgave er at bygge bro mellem de to verdener ved at give begge hold en bred forståelse af, hvor ressourcerne er."

Dette kort kan vise, hvor der sandsynligvis vil blive fundet is, men kun hvis denne is er mindre end fem meter under jorden. Det er også svært at være præcis om, præcis hvor dybt isen er placeret i et givet område, fordi de anvendte sansemetoder kun kan give grove skøn over isindholdet der.

Og der er en stor praktisk forskel på, hvor svært det er at få adgang til is, der er et par centimeter under overfladen, i forhold til is, der er under metervis af tæt sten.

Et nyt værktøj til at opdage is

For at finde ud af, hvor dyb isen er på Mars, har vi brug for nye indsatser som Mars Ice Mapper mission: Et rumfartøj, som NASA og andre internationale rumbureauer arbejder på sammen, der vil kredser om Mars og bruger to typer radarmetoder til at opdage, hvor dyb is er placeret under overflade.

"Den centrale idé er at have en radar med højere frekvens og højere opløsning," forklarede Putzig. Ice Mapper-missionen er stadig i sin idéfase, og han og Morgan er ikke direkte involveret i den. Men de har hørt om koncepterne for missionen fra andre videnskabsmænd, og de delte nogle detaljer om, hvordan det vil fungere.

Den første radarmetode, som kortlæggeren vil bruge, kaldes radarbilleddannelse med syntetisk blænde. Dette involverer en radar, der peger i en vinkel til overfladen, som "giver dig en fornemmelse af den brede fordeling af lavvandet is," sagde Putzig. "Du kan kortlægge det over en stor region relativt hurtigt med den metode."

Den anden metode er radarsounding, hvor radaren peges lige ned for at hoppe af toppen af ​​islaget. Dette fortæller dig, hvor dybt islaget er. Når du kombinerer de to, "får du en kortvisning og en tværsnitsvisning," sagde han.

Og så ved du, hvor du skal grave.

Adgang til vandet, når vi finder det

Lokalisering af is er kun det første trin i opsamlingen af ​​vand. For at komme fra blokke af fast is under jorden til rent, sikkert vand til drikkevand og andre formål, bliver vi nødt til at finde en måde at udvinde og behandle isen på.

Hvis du ved, hvor dybt isen er placeret, og du tror, ​​der er en betydelig mængde is at få adgang til, kan du bore ned for at komme til den. Problemet, som Sydney gør, Mars Water Mapping Project leder ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, forklarede, er, at du skal vide, hvilken slags sten du skal bore igennem, så du kan medbringe det rigtige værktøj til job.

I øjeblikket er vores forståelse af sammensætningen af ​​Mars-overfladen og undergrunden begrænset, hvilket har forårsaget problemer på Mars-missioner som InSight, hvor landerens varmesonde ikke kunne komme under overfladen fordi jorden havde lidt andre friktionsniveauer end forventet. Så vi har brug for mere information om sammensætningen af ​​sten i et bestemt område, før vi kan designe en boremaskine til at tunnelere ind i den.

Når du har boret et hul ned til isen, kan du bruge et system kaldet en Rodriguez-brønd, som i øjeblikket er i brug på Jorden på steder som f.eks. Antarktis, for at få adgang til vand. I det væsentlige nedsænker du en opvarmet stang i det borede hul, som smelter isen og skaber en brønd med flydende vand, som du derefter kan pumpe til overfladen. Dette kræver tilførsel af energi i form af varme, men det er en effektiv måde at få adgang til potentielt store mængder vand.

Bagte sten

Der er også en anden mulighed for at indsamle vand: Vi kunne udvinde det fra hydrerede mineraler, som er rigeligt i mange områder af Mars. Der er sten som gips der, der indeholder vand, og hvis du knuser, så bager du de sten, du kan kondensere vandet og samle det op.

Men at få øje på disse mineraler er ikke let. For at identificere disse hydrerede mineraler fra kredsløb bruger forskere en teknik kaldet reflektansspektroskopi. Instrumenterne på rumfartøjer omkring Mars kan detektere sollys, når det reflekteres fra overfladen, hvilket skaber det, man kalder spektre. Nogle bølgelængder af det reflekterede lys absorberes af visse kemikalier, hvilket gør det muligt for forskere at udlede, hvad klipperne nedenfor er lavet af. Men dette signal er kun gennemsnittet for det område, der observeres, og der kan være flere kemikalier, der absorberer de samme bølgelængder. Så det kan være en udfordring at tyde de forskellige signaler.

"Den måde, jeg kan lide at forklare det på er: Du har en kage, du har modtaget," sagde Do. "Du skal prøve og finde ud af, hvilke ingredienser den var lavet af, og hvor meget af hver ingrediens bidrog til at lave det kage. Det er i bund og grund, hvad vi gør med disse reflekterende signaler - vi forsøger at nedbryde dem i deres bestanddele for at finde ud af, hvad der er derinde."

Gør vandet sikkert

Uanset hvad, når du har samlet vand ved at smelte is eller ved at bage sten, skal du behandle det. Vandet kan være fyldt med skadelige urenheder som tungmetaller eller salte som perklorater, så det skal renses og afsaltes før det kan bruges. I teorien ved vi, hvordan vi gør dette fra at udføre lignende behandling som vand på Jorden, men en udfordring på Mars er, at vi i øjeblikket ikke ved, hvilke forurenende stoffer vi kan forvente.

Ligesom mange aspekter af vandforvaltning på Mars, er problemet ikke i konceptet, men i udførelsen. Teknologien til håndtering af vand på Jorden er godt forstået, men der er stadig meget at gøre, før vi kan bygge et system, der ville fungere på en anden planet.

"Vi kender de grundlæggende principper for at gøre dette," sagde Do. "Men vi forstår ikke fuldt ud de miljømæssige forhold, som vi ville være nødt til at betjene dette maskineri under." Alt fra Mars tynde atmosfære til dens lave tyngdekraft til dens rigeligt støv kunne ændre den måde, maskiner fungerer på. For ikke at nævne, at et vandsystem ikke kun skulle være lille og let nok til at blive sat på en raket, det skulle også være ekstremt pålideligt - der er ingen reparationsværksteder på Mars.

Det er her den næste grænse for teknologisk innovation vil dukke op. Vi har lige nu viden om, hvordan man bygger et system til udvinding og behandling af vand, sagde Do, "men vending disse principper til teknologi, der fungerer på en pålidelig måde i det miljø, som vi forventer, at det gør - det er stadig åben."

Denne artikel er en del af Livet på Mars - en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars

Redaktørens anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistik ved at sætte mennesker på Mars
• Perfektion af fremdrift: Hvordan vi får mennesker til Mars
• Slotte lavet af sand: Hvordan vi laver levesteder med Marsjord
• Kunstige atmosfærer: Hvordan vi bygger en base med åndbar luft på Mars
• Astrolandbrug: Hvordan vi dyrker afgrøder på Mars