Lige så skræmmende som det kan være at sende mennesker til en anden planet for første gang, er det kun den halve udfordring at komme dertil. Det store problem er, hvordan mennesker kan eksistere på overfladen af en planet med en uåndbar atmosfære, kosmisk stråling og frysende overfladetemperaturer millioner af kilometer fra hjemmet.
Indhold
- Et vindue af muligheder
- Hvorfor ilt er så vigtigt
- At gøre brug af det, der er tilgængeligt
- Hvordan man bygger en iltmaskine
- Vi vil bare gerne vide, om det virker
- En McMurdo Station til Mars
- Uventet martian dusør
Vi ville gerne vide, hvordan du ville gøre for at forberede en fremmed planet til menneskelig beboelse, så vi talte med to eksperter, Massachusetts Institute of Teknologiprofessor Michael Hecht og NASA-ingeniør Asad Aboobaker for at finde ud af, hvordan man holder astronauter i live på en planet, der ønsker at dræbe dem.
Anbefalede videoer
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
Et vindue af muligheder
Der er en væsentlig tidsforsinkelse i at sende folk til den røde planet. På grund af Jordens og Mars kredsløb er den nemmeste måde at komme fra den ene planet til den anden på ved at bruge en bane kaldet en Hohmann overførselsbane, hvor et fartøj bevæger sig i en bane, der gradvist spiraler udad.
"Dette er på grund af den måde, planeterne roterer på," forklarede Hecht. "Jorden er inde i kredsløbet om Mars, og den roterer hurtigere end Mars, så den runder den et par gange. Et Mars-år er næsten to jordår."
"Så du skal time lanceringen. Og der er et vindue hvert Mars-år - hver 26. måned, på et tidspunkt, der kaldes en Mars-opposition, når Mars er tæt på Jorden. Så hver 26. måned har du mulighed for at opsende et rumfartøj til Mars i denne optimale bane.... Så planerne for Mars er at sende infrastrukturen først, og så 26 måneder senere sender vi besætningen."
"Hver 26. måned har du mulighed for at opsende et rumfartøj til Mars i denne optimale bane."
At sende infrastruktur betyder ikke kun at sikre, at der er luft, som astronauterne kan trække vejret, og mad, som de kan spise. Det betyder også at sende og bygge et kraftværk, et habitat, rovere og et opstigningskøretøj for at tillade astronauterne at forlade, når deres mission er forbi.
Hvorfor ilt er så vigtigt
Det første store problem, der skal tages op i forbindelse med etableringen af en Mars-base, er produktionen af ilt. Når du hører om at producere ilt på Mars, tænker du sandsynligvis på det mest basale menneskelige behov: At have luft til at trække vejret. Og bestemt er vi nødt til at finde en måde at producere en åndbar atmosfære i et indesluttet Mars-habitat. Men dette kræver kun en relativt lille mængde ilt sammenlignet med den store efterspørgsel - den af drivmiddel til raketten, der vil sende astronauter op fra overfladen.
"Vi forsøger at lave raketdrivmiddel," sagde Hecht. "Vi forsøger ikke at lave brændstof, vi forsøger at lave den del af den kemiske reaktion, som vi på Jorden aldrig tænker på." Her på Jorden, når du forbrænder benzin i din bilmotor, bruger du flere gange vægten af brændstoffet værd i ilt for at skabe det reaktion. Det samme med at brænde en brænde i en pejs.
Men "hvis du går et sted, hvor der ikke er fri ilt, skal du tage det med dig," tilføjede Hecht.
Moderne raketter har flydende ilttanke, der leverer dette drivmiddel, og de udgør en betydelig del af vægten ved opsendelsen.
"Vi ville have brug for tæt på 30 tons ilt til at drive den raket for at tage disse astronauter væk fra planeten og i kredsløb," sagde Hecht. "Og hvis vi skal tage de 30 tons ilt med os til Mars, vil det skubbe hele missionen et årti tilbage. Det er meget nemmere at sende en tom tank og fylde den op med ilt der."
At gøre brug af det, der er tilgængeligt
For at skabe ilt på Mars arbejder Hecht og hans kolleger på et koncept kaldet in-situ ressourceudnyttelse (ISRU). I bund og grund betyder det at bruge det, der allerede er på Mars, til at skabe det, vi har brug for.
De har bygget et eksperiment kaldet MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), som praktisk blev båret til Mars sammen med NASA Perseverance rover der landede med succes i februar 2021. MOXIE er faktisk en miniatureversion af en potentielt meget større enhed, der optager kuldioxid, som er rigeligt i Mars atmosfære, og producerer ilt.
Det lyder måske kompliceret, men faktisk ligner enheden noget velkendt her på jorden. "MOXIE er meget som en brændselscelle," sagde Hecht. »Det er næsten identisk. Hvis du tog en brændselscelle og vendte de to ledninger, der kom ind, ville du have et elektrolysesystem. Det betyder, at hvis dette var en brændselscelle, ville du have et brændstof og et oxidationsmiddel, der viser sig at være et stabilt molekyle. Hvis det var kulilte som brændstof og ilt, ville det lave kuldioxid. Du får også strøm ud.
»Hvis du kører den i bakgear, skal du putte kuldioxid i, og du skal sætte strøm ind. Men du får kulilte og ilt ud. Det er sådan, vi ved, hvordan vi gør det.”
Dette optager kuldioxid, som er rigeligt i Mars atmosfære, og producerer ilt.
Denne tilsyneladende simple idé er radikal, fordi den tackler et problem, som knapt nogen uden for rumsamfundet tænker på som et problem: At producere ilt. "Ingen ønsker at lave ilt på Jorden - det har vi ingen grund til," sagde Hecht. "Vi har masser af det overalt. Men vi har en masse viden på grund af brændselsceller.”
Hvordan man bygger en iltmaskine
At forstå de kemiske principper for at skabe en iltmaskine er én ting, men at designe og bygge en version, der kan passe ind i en rover, er en anden. Aboobaker, en termisk ingeniør for MOXIE ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL), som har været involveret i MOXIE projektet gennem hele udviklingen, forklarede, hvordan eksperimentet blev bygget og nogle af de udfordringer, JPL-teamet skulle tackle.
"Den vigtigste ressourcebegrænsning, vi havde, udover masse og den lille plads at arbejde med, var energi," sagde han. "Roveren har en radioisotop termoelektrisk generator, som er en atomkraftkilde. Så folk tror, at roveren er atomdrevet, men det er den ikke. Den er batteridrevet med en nuklear vedligeholdelseslader."
Det betyder, at forskerne skal være ekstremt forsigtige med, hvor meget strøm de bruger for ikke at dræne batteriet. Hele Perseverance roveren kører på kun 110 watt, hvilket er bare en lille smule mere end en skarp pære.
Til gengæld kan et eksperiment som MOXIE kun bruge en lille mængde strøm. "Så det satte en grænse for, hvor meget varmekraft vi kunne bruge til at varme den op, hvor meget strøm kompressoren - som blæser gassen ind i systemet - kan trække, og hvor længe vi kan køre," sagde Aboobaker.
Derfor er versionen af MOXIE, der rejser på Perseverance, så lille, selvom systemet ville fungere lige så godt eller endnu bedre i større skala.
Vi vil bare gerne vide, om det virker
Men at designe udstyret er kun den ene side af eksperimentet - den anden side kontrollerer, om det rent faktisk virker på Mars. Selv med et koncept, der fungerer solidt her på Jorden, kan der være uventede konsekvenser af fremmede miljøer, fra tynd atmosfære, der påvirker, hvordan varme overføres, til lejer, der slides på uventede måder på grund af lavere tyngdekraft og uvant støv. Det er derfor, JPL-ingeniørerne snart vil indsamle data fra MOXIE for at se, hvordan det klarer sig i et rigtigt martian-miljø.
"På mange måder tager MOXIE ikke rigtig videnskabelige data," sagde Aboobaker. Sammenlignet med videnskabelige instrumenter som teleskoper eller spektrometre, der bruges til at analysere stenprøver, er dataene indsamlet fra MOXIE relativt enkle. "Det, vi har, er næsten som tekniske telemetridata. Vi måler spændinger og strømme og temperaturer, sådan noget. Det er vores data, og datamængden er faktisk ret lille. Du kunne næsten placere den på en diskette."
Det betyder, at teamet kan få meget hurtig feedback på, om systemet fungerer efter hensigten — inden for få dage. I modsætning til andre Perseverance-instrumenter, hvor dataanalyse tager uger, måneder eller endda år, er MOXIE en praktisk demonstration lige så meget som et eksperiment.
"Datavolumen er faktisk ret lille. Du kunne næsten lægge den på en diskette"
"På mange måder er det, vi laver, ikke videnskab, det er teknologi," sagde Aboobaker. »For det meste vil vi bare gerne vide, om det virker. Og hvis vi ville skalere det op i fremtiden, hvad er den slags ting, vi skal gøre for at gøre det?"
En McMurdo Station til Mars
Hvis MOXIE lykkes, kan den demonstrere, hvordan princippet om ISRU kan fungere på Mars. Så er det relativt enkelt at skalere projektet op og skabe en fuldskala version, der kunne producere ilt med en meget højere hastighed. Og den gode nyhed er, at en større version ville være mere effektiv og kunne producere en betydelig mængde ilt uden at kræve for meget strøm.
Med ilt sorteret kunne vi flytte til de andre slags ressourcer, vi har brug for for mennesker, der lever på Mars. En anden af de mest essentielle ressourcer, vi har brug for for at etablere en base på planeten, er vand. Ikke kun for mennesker at drikke, men også fordi vand (eller brint) og kuldioxid kan kombineres til et stort udvalg af nyttige kemikalier.
Crazy Engineering: Making Oxygen on Mars med MOXIE
"Idéen på kort sigt er, at vi ønsker at gøre en vis mængde autonom ISRU for at gøre vores missioner gennemførlige," sagde Hecht. "Når vi har en base på planeten, som McMurdo Station i Antarktis eller som den Internationale Rumstation, så kan du tænke på langt mere aggressive typer ISRU, som minedrift is.
"Mange mennesker føler, at vi burde mine efter is selvstændigt. Men jeg siger nej, det er ikke besværet værd. Is er et mineral, hvilket betyder, at du skal lede efter det, du skal grave det op, du skal rense det. Det bliver nemmere bare at medbringe det. Noget som MOXIE er dog et mekanisk træ. Det indånder kuldioxid og ånder ilt ud."
Sammenlignet med at jage ressourcer via minedrift er MOXIE meget enklere, hævder Hecht. »Den behøver ikke at gå nogen steder, den behøver ikke lede efter noget. Det er den slags IRSU-metoder, der er virkelig praktiske på kort sigt. Du udsætter resten, indtil du har folk på overfladen, som kan udføre mere komplicerede opgaver."
Uventet martian dusør
Mars har masser af vandis, men den er placeret ved polerne, mens de fleste Mars-missioner ønsker at fokusere på at lande ved ækvator, som er som en ørken. Nuværende koncepter til at tackle dette problem inkluderer ideen om global iskortlægning, hvor placeringer af mindre mængder is kan kortlægges til fremtidig brug.
En anden mulighed er at udvinde vand fra mineralerne i Mars-jorden. "Der er mineraler som gips og Epsom-salte, der er sulfater og tiltrækker meget vand," forklarede Hecht. ”Så man kunne grave dem op og bage dem og få vandet ud. Du kan udvinde jorden for vand, hvilket er ret rigeligt."
"Når du frigiver iltatomer fra ClO4 for at lave Cl, frigiver det en enorm mængde energi"
Men Mars har ikke kun lignende materialer som dem, vi finder her på Jorden. Det har også store mængder af et kemikalie kaldet perklorat (ClO4), som er farligt for menneskers sundhed og kun findes i små mængder på vores planet. På trods af at det er giftigt, kan dette stof være yderst nyttigt på grund af dets kemiske egenskaber, da det bruges i ting som solide raketforstærkere, fyrværkeri og airbags.
"På Mars viser det meste af klor i jorden sig at være perklorat," sagde Hecht. ”Det udgør næsten 1 % af jorden. Og den har en enorm mængde energi. Når du frigiver iltatomer fra ClO4 for at lave Cl, frigiver det en enorm mængde energi. Jeg har altid troet, at det ville være en stor ressource at høste."
Problemet med dette er, at disse applikationer alle er eksplosive, og at kontrollere reaktionen af ClO4 er udfordrende. Der er dog et system, der har potentiale til at frigive energien blidt ved hjælp af en biologisk reaktor.
"Mikrober kan spise disse ting og producere energi," forklarede Hecht. "Og folk har faktisk bygget den slags biologiske reaktorer, som er tanke med bakterier, der fordøjer et eller andet stof og udvinder energi fra det.
"Så jeg har denne vision af en biologisk reaktor bag på en rover, og astronauten stiger ind og kører rundt. Og når effektmåleren bliver lav, stiger de ud og begynder at skovle jord ned i en tragt bagved, og mikroberne æder jorden og laver energi, og astronauten kan blive ved med at køre. Det er en skør idé, men det er mit koncept for udnyttelse af kæledyrsressourcer."
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
- Høsthydrering: Hvordan fremtidige bosættere vil skabe og samle vand på Mars
- Astrolandbrug: Hvordan vi dyrker afgrøder på Mars
