Flüssigkeitszufuhr ernten: Wie wir Wasser auf dem Mars sammeln

Seit Jahrzehnten träumen wir davon, Menschen auf einen anderen Planeten zu schicken, und angesichts des jüngsten Anstiegs des Interesses an der Erforschung des Mars sieht es so aus, als könnte dies eines Tages Wirklichkeit werden.

Aber es gibt noch viel zu tun, bevor wir bereit sind, dass ein Mensch den Roten Planeten betritt.

Von allen Ressourcen, die Marsbesucher benötigen, ist Wasser eine der wichtigsten – nicht nur zum Trinken, sondern auch zur Herstellung von Raketentreibstoff und anderen Substanzen wie Sauerstoff. Und wenn wir es sind Ich hoffe, dort Landwirtschaft aufbauen zu können, wir werden eine Menge Wasser brauchen, um das Pflanzenwachstum aufrechtzuerhalten.

Aber die Oberfläche des Mars sieht aus wie eine trockene, unwirtliche Wüste. Heute gibt es auf dem Mars keine Seen, keine Flüsse und keinen Niederschlag.

Woher bekommen wir also unser Wasser? Wir haben mit drei Experten gesprochen, um das herauszufinden.

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars – eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

Wasser auf dem Mars finden

Auch wenn wir noch viele Jahre von der Errichtung einer voll funktionsfähigen Basis auf dem Mars entfernt sind, denken Raumfahrtagenturen wie die NASA bereits über das Wasserproblem nach. Wasser von der Erde zu holen ist unpraktisch – es ist viel zu schwer, um das gesamte für eine Mission benötigte Wasser in einer Rakete zu transportieren. Der Plan besteht also darin, Wasser aus der Marsumgebung zu sammeln, und dazu müssen wir wissen, wo sich das Wasser befindet.

Die gute Nachricht ist, dass es auf der Marsoberfläche reichlich Wasser in Form von Eis gibt, einschließlich Eis, das die Pole und innen bedeckt riesige Krater. Die schlechte Nachricht ist, dass eine Mission in diese eiskalten Regionen ihre eigenen Probleme mit sich bringt, etwa die Menge an Energie, die nötig wäre, um Menschen und Maschinen bei Temperaturen von bis zu -240 °F warm zu halten. Deshalb liegt der Schwerpunkt der meisten Marsmissionen auf den mittleren Breitengraden, wo die Temperaturen milder sind.

In diesen Regionen gibt es kein Eis an der Oberfläche, wohl aber Eis unter der Erde. Wenn Sie jedoch keinen Astronauten mit einer Schaufel aussenden möchten, um jedes Fleckchen Erde auf dem Planeten zu untersuchen, benötigen Sie eine Möglichkeit, das Eis unter der Oberfläche schnell und effizient zu kartieren.

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Daran arbeiten Gareth Morgan und Than Putzig vom Planetary Science Institute im Rahmen des Subsurface Water Ice Mapping (SWIM)-Projekts. Sie und ihre Kollegen haben 20 Jahre Daten von fünf verschiedenen orbitalen Marsinstrumenten kombiniert, um herauszufinden, wo sich Eis unter der Oberfläche am wahrscheinlichsten befindet. Für sich genommen kann jeder Datensatz, etwa Radarmesswerte oder Hinweise auf Wasserstoff, nur begrenzte Aussagen darüber machen, ob dies der Fall ist Eis befindet sich an einem bestimmten Ort, aber in Kombination können sie angeben, wo die besten Orte zum Auffinden von Eis liegen Sei.

Ziel ihrer Arbeit ist es, der NASA dabei zu helfen, zukünftige Landeplätze für bemannte Missionen auszuwählen, damit Astronauten Zugang haben Untergrundeis und bietet gleichzeitig größtmögliche Freiheit bei der Auswahl einer wissenschaftlich interessanten Erkundung Bereich.

„Technologie und Ingenieurswesen werden bestimmen, wie Menschen auf den Mars gebracht werden“, sagte Morgan, „und sie werden ihre eigenen Einschränkungen haben, wo das passieren kann.“ Sie möchten auch, dass die Wissenschaftsgemeinschaft die wissenschaftlich sinnvollsten, interessantesten und faszinierendsten Landeplätze findet. Unsere Aufgabe besteht also darin, eine Brücke zwischen diesen beiden Welten zu schlagen, indem wir beiden Teams ein umfassendes Verständnis dafür vermitteln, wo sich die Ressourcen befinden.“

Diese Karte kann zeigen, wo wahrscheinlich Eis zu finden ist, allerdings nur, wenn dieses Eis weniger als fünf Meter unter der Erde liegt. Es ist auch schwierig, genau zu sagen, wie tief sich das Eis in einem bestimmten Gebiet befindet, da die verwendeten Sensormethoden nur grobe Schätzungen des Eisgehalts dort liefern können.

Und es gibt einen großen praktischen Unterschied darin, wie schwierig es ist, an Eis heranzukommen, das sich wenige Zentimeter unter der Oberfläche befindet, im Vergleich zu Eis, das sich unter meterdickem, dichtem Gestein befindet.

Ein neues Tool zur Eiserkennung

Um herauszufinden, wie tief das Eis auf dem Mars ist, brauchen wir neue Anstrengungen wie die Mars Ice Mapper-Mission: Ein Raumschiff, an dem die NASA und andere internationale Raumfahrtagenturen gemeinsam arbeiten Sie umkreisen den Mars und verwenden zwei Arten von Radarmethoden, um festzustellen, wie tief sich das Eis unter dem Mars befindet Oberfläche.

„Die zentrale Idee besteht darin, ein Radar mit höherer Frequenz und höherer Auflösung zu haben“, erklärte Putzig. Die Ice Mapper-Mission befindet sich noch in der Konzeptphase und er und Morgan sind nicht direkt daran beteiligt. Aber sie haben von anderen Wissenschaftlern von den Konzepten für die Mission gehört und einige Einzelheiten darüber mitgeteilt, wie sie funktionieren wird.

Die erste Radarmethode, die der Kartograph verwendet, ist die sogenannte Radarbildgebung mit synthetischer Apertur. Dabei handelt es sich um ein Radar, das schräg zur Oberfläche gerichtet ist und „einen Eindruck von der breiten Verteilung des flachen Eises vermittelt“, sagte Putzig. „Mit dieser Methode kann man das relativ schnell über eine große Region kartieren.“

Die zweite Methode ist die Radarsondierung, bei der das Radar direkt nach unten gerichtet wird, um von der Oberseite der Eisschicht abzuprallen. Hier erfahren Sie, wie tief die Eisschicht ist. Wenn man beides kombiniert, „erhält man eine Kartenansicht und eine Querschnittsansicht“, sagte er.

Und dann wissen Sie, wo Sie graben müssen.

Wir greifen auf das Wasser zu, sobald wir es gefunden haben

Das Auffinden von Eis ist nur der erste Schritt beim Sammeln von Wasser. Um aus festen Eisblöcken unter der Erde sauberes, sicheres Wasser zum Trinken und für andere Zwecke zu gewinnen, müssen wir einen Weg finden, das Eis zu gewinnen und zu verarbeiten.

Wenn Sie wissen, wie tief das Eis liegt, und glauben, dass eine beträchtliche Eismenge zugänglich ist, können Sie einen Drilldown durchführen, um dorthin zu gelangen. Das Problem, wie Sydney Do, Leiter des Mars Water Mapping Project am Jet Propulsion Laboratory der NASA, erklärte: ist, dass Sie wissen müssen, durch welche Art von Gestein Sie bohren werden, damit Sie das richtige Werkzeug dafür mitbringen können Arbeit.

Derzeit ist unser Verständnis der Zusammensetzung der Marsoberfläche und des Marsuntergrunds begrenzt, was bei Marsmissionen wie InSight, wo die Wärmesonde des Landers eingesetzt wird, zu Problemen geführt hat konnte nicht unter die Oberfläche gelangen weil der Boden eine etwas andere Reibung aufwies als erwartet. Daher benötigen wir weitere Informationen über die Gesteinszusammensetzung in einem bestimmten Gebiet, bevor wir einen Bohrer für den Tunnelbau konstruieren können.

Sobald Sie ein Loch bis ins Eis gebohrt haben, können Sie ein System namens Rodriguez-Brunnen verwenden, das derzeit auf der Erde an Orten wie … verwendet wird Antarktis, um Zugang zu Wasser zu erhalten. Im Wesentlichen taucht man einen erhitzten Stab in das Bohrloch, wodurch das Eis schmilzt und eine Quelle mit flüssigem Wasser entsteht, das man dann an die Oberfläche pumpen kann. Dies erfordert die Bereitstellung von Energie in Form von Wärme, ist jedoch eine effiziente Möglichkeit, auf potenziell große Wassermengen zuzugreifen.

Gebackene Steine

Es gibt noch eine andere Möglichkeit, Wasser zu sammeln: Wir könnten es aus hydratisierten Mineralien gewinnen, die in vielen Gebieten des Mars reichlich vorhanden sind. Dort gibt es Steine ​​wie Gips, die Wasser enthalten, und wenn man diese Steine ​​zerkleinert und dann backt, kann man das Wasser kondensieren und sammeln.

Doch das Erkennen dieser Mineralien ist nicht einfach. Um diese hydratisierten Mineralien aus der Umlaufbahn zu identifizieren, verwenden Forscher eine Technik namens Reflexionsspektroskopie. Die Instrumente auf Raumfahrzeugen rund um den Mars können Sonnenlicht erkennen, wenn es von der Oberfläche reflektiert wird, und so sogenannte Spektren erzeugen. Einige Wellenlängen des reflektierten Lichts werden von bestimmten Chemikalien absorbiert, was Wissenschaftlern ermöglicht, daraus zu schließen, woraus die Gesteine ​​darunter bestehen. Dieses Signal ist jedoch nur der Durchschnitt für den beobachteten Bereich, und es können mehrere Chemikalien vorhanden sein, die dieselben Wellenlängen absorbieren. Daher kann es eine Herausforderung sein, die verschiedenen Signale zu entschlüsseln.

„Ich erkläre es gerne so: Du hast einen Kuchen bekommen, den du bekommen hast“, sagte Do. „Man muss es versuchen Finden Sie heraus, aus welchen Zutaten es hergestellt wurde und wie viel von jeder Zutat dazu beigetragen hat Kuchen. Das ist im Wesentlichen das, was wir mit diesen reflektierenden Signalen machen – wir versuchen, sie in ihre Bestandteile zu zerlegen, um herauszufinden, was sich darin befindet.“

Wasser sicher machen

So oder so: Sobald Sie durch das Schmelzen von Eis oder das Backen von Steinen Wasser gesammelt haben, müssen Sie es verarbeiten. Das Wasser kann voller schädlicher Verunreinigungen wie Schwermetalle oder Salze wie Perchlorate sein und muss daher vor der Verwendung gereinigt und entsalzt werden. Theoretisch wissen wir, wie das geht, indem wir eine ähnliche Verarbeitung wie Wasser auf der Erde durchführen, aber eine Herausforderung auf dem Mars besteht darin, dass wir derzeit nicht wissen, mit welchen Schadstoffen wir rechnen müssen.

Wie bei vielen Aspekten des Wassermanagements auf dem Mars liegt das Problem nicht im Konzept, sondern in der Umsetzung. Die Technologie zur Wasserbewirtschaftung auf der Erde ist gut verstanden, aber es gibt noch viel zu tun, bevor wir ein System aufbauen können, das auf einem anderen Planeten funktionieren würde.

„Wir kennen die Grundprinzipien dafür“, sagte Do. „Aber wir verstehen die Umgebungsbedingungen, unter denen wir diese Maschine betreiben müssten, nicht vollständig.“ Alles von der dünnen Atmosphäre des Mars über seine geringe Schwerkraft bis hin zu seiner reichlich Staub könnte die Funktionsweise von Maschinen verändern. Ganz zu schweigen davon, dass ein Wassersystem nicht nur klein und leicht genug sein müsste, um in eine Rakete eingebaut zu werden, sondern auch äußerst zuverlässig – es gibt keine Reparaturwerkstätten auf dem Mars.

Hier wird die nächste Grenze der technologischen Innovation entstehen. „Wir verfügen derzeit über das Wissen, wie man ein System zur Gewinnung und Aufbereitung von Wasser baut“, sagte Do, „aber umdrehen.“ Diese Prinzipien in eine Technologie umsetzen, die in der Umgebung, in der wir es erwarten, zuverlässig funktioniert – das ist immer noch der Fall offen."

Dieser Artikel ist Teil von Leben auf dem Mars – eine 10-teilige Serie, die sich mit der neuesten Wissenschaft und Technologie befasst, die es Menschen ermöglichen wird, den Mars zu besetzen

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