Όσο τρομακτικό κι αν είναι το να στείλουμε ανθρώπους σε άλλον πλανήτη για πρώτη φορά, το να φτάσεις εκεί είναι μόνο η μισή πρόκληση. Το μεγάλο πρόβλημα είναι πώς οι άνθρωποι μπορούν να υπάρχουν στην επιφάνεια ενός πλανήτη με μη αναπνεύσιμη ατμόσφαιρα, κοσμική ακτινοβολία και παγωμένες επιφανειακές θερμοκρασίες εκατομμύρια μίλια μακριά από το σπίτι.
Περιεχόμενα
- Ένα παράθυρο ευκαιρίας
- Γιατί το οξυγόνο είναι τόσο σημαντικό
- Αξιοποίηση των διαθέσιμων
- Πώς να φτιάξετε μια μηχανή οξυγόνου
- Θέλουμε απλώς να ξέρουμε αν λειτουργεί
- Ένας σταθμός McMurdo για τον Άρη
- Απροσδόκητη αρειανή γενναιοδωρία
Θέλαμε να μάθουμε πώς θα προετοιμάζατε έναν εξωγήινο πλανήτη για ανθρώπινη κατοίκηση, γι' αυτό μιλήσαμε με δύο ειδικούς, το Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης Ο καθηγητής τεχνολογίας Michael Hecht και ο μηχανικός της NASA Asad Aboobaker, για να μάθουν πώς να κρατούν ζωντανούς τους αστροναύτες σε έναν πλανήτη που θέλει να σκοτώσει τους.
Προτεινόμενα βίντεο
Αυτό το άρθρο είναι μέρος του Ζωή στον Άρη — μια σειρά 10 μερών που εξερευνά την επιστήμη και την τεχνολογία αιχμής που θα επιτρέψει στους ανθρώπους να καταλάβουν τον Άρη
Ένα παράθυρο ευκαιρίας
Υπάρχει μια ουσιαστική χρονική καθυστέρηση στην αποστολή ανθρώπων στον κόκκινο πλανήτη. Λόγω των τροχιών της Γης και του Άρη, ο ευκολότερος τρόπος για να φτάσετε από τον έναν πλανήτη στον άλλο είναι χρησιμοποιώντας μια τροχιά που ονομάζεται Τροχιά μεταφοράς Hohmann, στο οποίο ένα σκάφος κινείται σε μια τροχιά που σταδιακά σπειρώνεται προς τα έξω.
«Αυτό οφείλεται στον τρόπο με τον οποίο περιστρέφονται οι πλανήτες», εξήγησε ο Hecht. «Η Γη βρίσκεται μέσα στην τροχιά του Άρη και περιστρέφεται γρηγορότερα από τον Άρη, οπότε την περιστρέφει μερικές φορές. Ένα έτος στον Άρη είναι σχεδόν δύο γήινα χρόνια».
«Έτσι πρέπει να χρονομετρήσετε την εκτόξευση. Και υπάρχει ένα παράθυρο κάθε χρόνο στον Άρη — κάθε 26 μήνες, τη στιγμή που ονομάζεται αντίθεση του Άρη όταν ο Άρης βρίσκεται κοντά στη Γη. Έτσι, κάθε 26 μήνες, έχετε την ευκαιρία να εκτοξεύετε ένα διαστημόπλοιο στον Άρη σε αυτή τη βέλτιστη τροχιά. … Έτσι, τα σχέδια για τον Άρη είναι να στείλουμε πρώτα την υποδομή και μετά 26 μήνες αργότερα θα στείλουμε το πλήρωμα».
«Κάθε 26 μήνες, έχετε την ευκαιρία να εκτοξεύετε ένα διαστημόπλοιο στον Άρη σε αυτή τη βέλτιστη τροχιά».
Η αποστολή υποδομής δεν σημαίνει απλώς ότι υπάρχει αέρας για να αναπνεύσουν οι αστροναύτες και φαγητό για να φάνε. Σημαίνει επίσης την αποστολή και την κατασκευή ενός σταθμού παραγωγής ενέργειας, ενός οικοτόπου, ρόβερ και ενός οχήματος ανάβασης για να επιτρέψουν στους αστροναύτες να φύγουν μόλις ολοκληρωθεί η αποστολή τους.
Γιατί το οξυγόνο είναι τόσο σημαντικό
Το πρώτο μεγάλο ζήτημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί στη δημιουργία μιας βάσης στον Άρη είναι η παραγωγή οξυγόνου. Όταν ακούτε για την παραγωγή οξυγόνου στον Άρη, πιθανότατα σκέφτεστε την πιο βασική ανθρώπινη ανάγκη: Να έχει αέρα για να αναπνέει. Και σίγουρα, πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να δημιουργήσουμε μια αναπνεύσιμη ατμόσφαιρα σε έναν περιορισμένο βιότοπο στον Άρη. Αλλά αυτό απαιτεί μόνο μια σχετικά μικρή ποσότητα οξυγόνου σε σύγκριση με τη μεγάλη ζήτηση - αυτή του προωθητικού για τον πύραυλο που θα εκτοξεύσει αστροναύτες από την επιφάνεια.
«Προσπαθούμε να κάνουμε προωθητικό πυραύλων», είπε ο Hecht. «Δεν προσπαθούμε να φτιάξουμε καύσιμα, προσπαθούμε να κάνουμε το μέρος της χημικής αντίδρασης που στη Γη δεν σκεφτόμαστε ποτέ». Εδώ πάνω Γη, όταν καίτε βενζίνη στον κινητήρα του αυτοκινήτου σας, χρησιμοποιείτε πολλές φορές το βάρος του καυσίμου σε οξυγόνο για να το δημιουργήσετε αντίδραση. Το ίδιο και το κάψιμο ενός κορμού σε ένα τζάκι.
Ωστόσο, «αν πάτε κάπου όπου δεν υπάρχει ελεύθερο οξυγόνο, πρέπει να το πάρετε μαζί σας», πρόσθεσε ο Hecht.
Οι σύγχρονοι πύραυλοι έχουν δεξαμενές υγρού οξυγόνου που παρέχουν αυτό το προωθητικό και αποτελούν ένα σημαντικό κομμάτι του βάρους κατά την εκτόξευση.
«Θα χρειαζόμασταν σχεδόν 30 μετρικούς τόνους οξυγόνου για να τροφοδοτήσουμε αυτόν τον πύραυλο για να πάρουμε αυτούς τους αστροναύτες από τον πλανήτη και σε τροχιά», είπε ο Hecht. «Και αν χρειαστεί να πάρουμε αυτούς τους 30 μετρικούς τόνους οξυγόνου μαζί μας στον Άρη, θα ωθήσει ολόκληρη την αποστολή μια δεκαετία πίσω. Είναι πολύ πιο εύκολο να στείλεις μια άδεια δεξαμενή και να τη γεμίσεις με οξυγόνο εκεί».
Αξιοποίηση των διαθέσιμων
Για να δημιουργήσουν οξυγόνο στον Άρη, ο Hecht και οι συνεργάτες του εργάζονται σε μια ιδέα που ονομάζεται in-situ resource utilization (ISRU). Ουσιαστικά, αυτό σημαίνει να χρησιμοποιήσουμε αυτό που υπάρχει ήδη στον Άρη για να δημιουργήσουμε αυτό που χρειαζόμαστε.
Έχουν δημιουργήσει ένα πείραμα που ονομάζεται MOXIE (Mars Oxygen Resource Utilization Experiment), το οποίο μεταφέρθηκε στον Άρη μαζί με το Rover της NASA Perseverance που προσγειώθηκε επιτυχώς τον Φεβρουάριο του 2021. Το MOXIE είναι ουσιαστικά μια μινιατούρα έκδοση μιας δυνητικά πολύ μεγαλύτερης συσκευής που προσλαμβάνει διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο είναι άφθονο στην ατμόσφαιρα του Άρη, και παράγει οξυγόνο.
Αυτό μπορεί να ακούγεται περίπλοκο, αλλά στην πραγματικότητα, η συσκευή είναι παρόμοια με κάτι πολύ γνωστό εδώ στη Γη. «Το MOXIE μοιάζει πολύ με κυψέλη καυσίμου», είπε ο Hecht. «Είναι σχεδόν πανομοιότυπο. Αν έπαιρνες μια κυψέλη καυσίμου και αντιστρέψεις τα δύο καλώδια που έρχονται, θα είχες σύστημα ηλεκτρόλυσης. Αυτό σημαίνει ότι αν αυτό ήταν κυψέλη καυσίμου, θα είχατε ένα καύσιμο και ένα οξειδωτικό που αποδεικνύουν ένα σταθερό μόριο. Αν ήταν μονοξείδιο του άνθρακα ως καύσιμο και οξυγόνο, θα δημιουργούσε διοξείδιο του άνθρακα. Βγάζεις και ρεύμα.
«Αν το κάνεις αντίστροφα, πρέπει να βάλεις διοξείδιο του άνθρακα και ηλεκτρική ενέργεια. Αλλά βγάζεις μονοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο. Έτσι ξέρουμε πώς να το κάνουμε αυτό».
Αυτό προσλαμβάνει διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο είναι άφθονο στην ατμόσφαιρα του Άρη, και παράγει οξυγόνο.
Αυτή η φαινομενικά απλή ιδέα είναι ριζοσπαστική γιατί αντιμετωπίζει ένα πρόβλημα που σχεδόν κανένας εκτός της διαστημικής κοινότητας θεωρεί πρόβλημα: την παραγωγή οξυγόνου. "Κανείς δεν θέλει να παράγει οξυγόνο στη Γη - δεν έχουμε κανένα λόγο να το κάνουμε", είπε ο Hecht. «Έχουμε πολλά παντού. Αλλά έχουμε πολλές γνώσεις λόγω των κυψελών καυσίμου».
Πώς να φτιάξετε μια μηχανή οξυγόνου
Η κατανόηση των χημικών αρχών της δημιουργίας μιας μηχανής οξυγόνου είναι ένα πράγμα, αλλά ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας έκδοσης που μπορεί να χωρέσει σε ένα rover είναι ένα άλλο πράγμα. Aboobaker, θερμικός μηχανικός για το MOXIE στο Εργαστήριο Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA που έχει συμμετάσχει στο MOXIE του έργου καθ' όλη τη διάρκεια της ανάπτυξής του, εξήγησε πώς χτίστηκε το πείραμα και μερικές από τις προκλήσεις που είχε να αντιμετωπίσει η ομάδα JPL ανυψωτήρ.
«Ο κύριος περιορισμός πόρων που είχαμε, εκτός από τη μάζα και τον μικρό χώρο εργασίας, ήταν η ενέργεια», είπε. «Το rover έχει μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων, η οποία είναι μια πυρηνική πηγή ενέργειας. Έτσι, οι άνθρωποι πιστεύουν ότι το rover είναι πυρηνικό, αλλά δεν είναι. Τροφοδοτείται από μπαταρία, με φορτιστή πυρηνικής ροής.»
Αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές πρέπει να είναι εξαιρετικά προσεκτικοί με το πόση ενέργεια χρησιμοποιούν για να μην αδειάσουν την μπαταρία. Ολόκληρο το ρόβερ Perseverance λειτουργεί με μόνο 110 watt, κάτι που είναι λίγο περισσότερο από έναν λαμπτήρα.
Με τη σειρά του, ένα πείραμα όπως το MOXIE μπορεί να χρησιμοποιήσει μόνο μια μικρή ποσότητα ισχύος. «Έτσι, αυτό έθεσε ένα όριο στο πόση ισχύς θερμαντήρα θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε για να το θερμάνουμε, πόση ισχύς μπορεί να αντλήσει ο συμπιεστής - που φυσά το αέριο στο σύστημα - και πόσο καιρό μπορούμε να τρέξουμε», είπε ο Aboobaker.
Γι' αυτό η έκδοση του MOXIE που ταξιδεύει στο Perseverance είναι τόσο μικρή, παρόλο που το σύστημα θα λειτουργούσε εξίσου καλά ή ακόμα καλύτερα σε μεγαλύτερη κλίμακα.
Θέλουμε απλώς να ξέρουμε αν λειτουργεί
Αλλά ο σχεδιασμός του εξοπλισμού είναι μόνο η μία πλευρά του πειράματος - η άλλη πλευρά ελέγχει αν λειτουργεί πραγματικά στον Άρη. Ακόμη και με μια ιδέα που λειτουργεί σταθερά εδώ στη Γη, μπορεί να υπάρξουν απροσδόκητες συνέπειες εξωγήινων περιβαλλόντων, λεπτή ατμόσφαιρα που επηρεάζει τον τρόπο μεταφοράς της θερμότητας, σε ρουλεμάν που φορούν με απροσδόκητους τρόπους λόγω χαμηλότερης βαρύτητας και άγνωστο σκόνη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μηχανικοί της JPL θα συλλέγουν σύντομα δεδομένα από το MOXIE για να δουν πώς τα πάει σε ένα πραγματικό αρειανό περιβάλλον.
«Με πολλούς τρόπους, το MOXIE δεν λαμβάνει πραγματικά επιστημονικά δεδομένα», είπε ο Aboobaker. Σε σύγκριση με επιστημονικά όργανα, όπως τηλεσκόπια ή φασματόμετρα, που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση δειγμάτων πετρωμάτων, τα δεδομένα που συλλέγονται από το MOXIE είναι σχετικά απλά. «Αυτό που έχουμε είναι σχεδόν σαν δεδομένα τηλεμετρίας μηχανικής. Μετράμε τάσεις και ρεύματα και θερμοκρασίες, τέτοια πράγματα. Αυτά είναι τα δεδομένα μας και ο όγκος δεδομένων είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρός. Θα μπορούσατε σχεδόν να το τοποθετήσετε σε μια δισκέτα."
Αυτό σημαίνει ότι η ομάδα μπορεί να λάβει πολύ γρήγορα σχόλια σχετικά με το εάν το σύστημα λειτουργεί όπως προβλέπεται — εντός λίγων ημερών. Σε αντίθεση με άλλα όργανα Perseverance, για τα οποία η ανάλυση δεδομένων διαρκεί εβδομάδες, μήνες ή και χρόνια, το MOXIE είναι μια πρακτική επίδειξη όσο και ένα πείραμα.
«Ο όγκος των δεδομένων είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρός. Θα μπορούσατε σχεδόν να το τοποθετήσετε σε μια δισκέτα»
«Από πολλούς τρόπους, αυτό που κάνουμε δεν είναι επιστήμη, είναι τεχνολογία», είπε ο Aboobaker. «Κυρίως, θέλουμε απλώς να μάθουμε αν λειτουργεί. Και, αν θέλαμε να το κλιμακώσουμε στο μέλλον, ποια είναι τα είδη των πραγμάτων που θα πρέπει να κάνουμε για να το κάνουμε αυτό;»
Ένας σταθμός McMurdo για τον Άρη
Εάν το MOXIE είναι επιτυχές, μπορεί να δείξει πώς μπορεί να λειτουργήσει η αρχή του ISRU στον Άρη. Στη συνέχεια, είναι σχετικά απλό να κλιμακώσετε το έργο και να δημιουργήσετε μια έκδοση πλήρους κλίμακας που θα μπορούσε να παράγει οξυγόνο με πολύ υψηλότερο ρυθμό. Και τα καλά νέα είναι ότι μια μεγαλύτερη έκδοση θα ήταν πιο αποτελεσματική και θα μπορούσε να παράγει μια σημαντική ποσότητα οξυγόνου χωρίς να απαιτεί υπερβολική ισχύ.
Με την ταξινόμηση του οξυγόνου, θα μπορούσαμε να προχωρήσουμε σε άλλα είδη πόρων που θα χρειαζόμασταν για τους ανθρώπους που ζουν στον Άρη. Ένας άλλος από τους πιο ουσιαστικούς πόρους που θα χρειαζόμασταν για να δημιουργήσουμε μια βάση στον πλανήτη είναι νερό. Όχι μόνο για να πίνουν οι άνθρωποι, αλλά και επειδή το νερό (ή το υδρογόνο) και το διοξείδιο του άνθρακα μπορούν να συνδυαστούν σε μια τεράστια ποικιλία χρήσιμων χημικών ουσιών.
Crazy Engineering: Δημιουργία Οξυγόνου στον Άρη με το MOXIE
«Η ιδέα βραχυπρόθεσμα είναι ότι θέλουμε να κάνουμε ένα συγκεκριμένο ποσό αυτόνομης ISRU για να κάνουμε τις αποστολές μας εφικτές», είπε ο Hecht. «Μόλις έχουμε μια βάση στον πλανήτη, όπως ο σταθμός McMurdo στην Ανταρκτική ή ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός, τότε μπορείτε να σκεφτείτε πολύ πιο επιθετικούς τύπους ISRU, όπως η εξόρυξη πάγου.
«Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι πρέπει να εξορύξουμε για πάγο αυτόνομα. Αλλά λέω όχι, δεν αξίζει τον κόπο. Ο πάγος είναι ένα ορυκτό, που σημαίνει ότι πρέπει να τον αναζητήσετε, πρέπει να τον ξεθάψετε, πρέπει να τον καθαρίσετε. Θα είναι πιο εύκολο να το φέρεις. Κάτι σαν το MOXIE, όμως, είναι ένα μηχανικό δέντρο. Αναπνέει διοξείδιο του άνθρακα και εκπνέει οξυγόνο».
Σε σύγκριση με το κυνήγι πόρων μέσω της εξόρυξης, το MOXIE είναι πολύ πιο απλό, υποστηρίζει ο Hecht. «Δεν χρειάζεται να πάει πουθενά, δεν χρειάζεται να ψάξει για τίποτα. Αυτά είναι τα είδη των μεθόδων IRSU που είναι πραγματικά πρακτικά βραχυπρόθεσμα. Αναβάλλετε τα υπόλοιπα μέχρι να έχετε άτομα στην επιφάνεια που μπορούν να κάνουν πιο περίπλοκες εργασίες».
Απροσδόκητη αρειανή γενναιοδωρία
Ο Άρης έχει άφθονο υδάτινο πάγο, αλλά βρίσκεται στους πόλους, ενώ οι περισσότερες αποστολές του Άρη θέλουν να επικεντρωθούν στην προσγείωση στον ισημερινό, που μοιάζει με έρημο. Οι τρέχουσες ιδέες για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος περιλαμβάνουν την ιδέα της παγκόσμιας χαρτογράφησης πάγου, όπου θα μπορούσαν να χαρτογραφηθούν θέσεις μικρότερων ποσοτήτων πάγου για μελλοντική χρήση.
Μια άλλη επιλογή είναι η εξαγωγή νερού από τα ορυκτά στο έδαφος του Άρη. «Υπάρχουν μέταλλα όπως ο γύψος και τα άλατα Epsom που είναι θειικά και προσελκύουν πολύ νερό», εξήγησε ο Hecht. «Έτσι θα μπορούσατε να τα ξεθάψετε και να τα ψήσετε και να βγάλετε το νερό. Θα μπορούσατε να εξορύξετε το έδαφος για νερό, το οποίο είναι αρκετά άφθονο».
«Όταν απελευθερώνετε άτομα οξυγόνου από το ClO4 για να δημιουργήσετε Cl, απελευθερώνεται τεράστια ποσότητα ενέργειας»
Αλλά ο Άρης δεν έχει μόνο παρόμοια υλικά με αυτά που βρίσκουμε εδώ στη Γη. Έχει επίσης μεγάλες ποσότητες μιας χημικής ουσίας που ονομάζεται υπερχλωρικό (ClO4), η οποία είναι επικίνδυνη για την ανθρώπινη υγεία και βρίσκεται μόνο σε μικρές ποσότητες στον πλανήτη μας. Παρά το γεγονός ότι είναι τοξική, αυτή η ουσία θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά χρήσιμη λόγω των χημικών της ιδιοτήτων, καθώς χρησιμοποιείται σε πράγματα όπως ενισχυτές πυραύλων, πυροτεχνήματα και αερόσακους.
«Στον Άρη, το μεγαλύτερο μέρος του χλωρίου στο έδαφος αποδεικνύεται ότι είναι υπερχλωρικό», είπε ο Hecht. «Αποτελεί σχεδόν το 1% του εδάφους. Και έχει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Όταν απελευθερώνετε άτομα οξυγόνου από το ClO4 για να δημιουργήσετε Cl, απελευθερώνεται μια τεράστια ποσότητα ενέργειας. Πάντα πίστευα ότι θα ήταν μια εξαιρετική πηγή για τη συγκομιδή».
Το πρόβλημα με αυτό είναι ότι αυτές οι εφαρμογές είναι όλες εκρηκτικές και ο έλεγχος της αντίδρασης του ClO4 είναι πρόκληση. Ωστόσο, υπάρχει ένα σύστημα που έχει τη δυνατότητα να απελευθερώσει την ενέργεια απαλά, χρησιμοποιώντας α βιολογικός αντιδραστήρας.
«Τα μικρόβια μπορούν να φάνε αυτό το υλικό και να παράγουν ενέργεια», εξήγησε ο Hecht. «Και οι άνθρωποι έχουν πραγματικά κατασκευάσει αυτού του είδους τους βιολογικούς αντιδραστήρες, οι οποίοι είναι δεξαμενές βακτηρίων που αφομοιώνουν κάποια ουσία και εξάγουν ενέργεια από αυτήν.
«Έχω λοιπόν αυτό το όραμα ενός βιολογικού αντιδραστήρα στο πίσω μέρος ενός ρόβερ, και ο αστροναύτης μπαίνει μέσα και οδηγεί τριγύρω. Και όταν το μετρητή ισχύος πέσει, βγαίνουν έξω και αρχίζουν να φτυαρίζουν το χώμα σε μια χοάνη στο πίσω μέρος, και τα μικρόβια τρώνε το χώμα και παράγουν ενέργεια και ο αστροναύτης μπορεί να συνεχίσει να οδηγεί. Είναι μια τρελή ιδέα, αλλά αυτή είναι η ιδέα μου για τη χρήση πόρων για κατοικίδια».
Αυτό το άρθρο είναι μέρος του Ζωή στον Άρη — μια σειρά 10 μερών που εξερευνά την επιστήμη και την τεχνολογία αιχμής που θα επιτρέψει στους ανθρώπους να καταλάβουν τον Άρη.
Συστάσεις των συντακτών
- Μια κοσμολογική μετακίνηση: Τα δύσκολα logistics του να βάζεις ανθρώπους στον Άρη
- Τελειοποιώντας την πρόωση: Πώς θα φτάσουμε τους ανθρώπους στον Άρη
- Κάστρα από άμμο: Πώς θα φτιάξουμε βιότοπους με αρειανό έδαφος
- Συγκομιδή ενυδάτωσης: Πώς οι μελλοντικοί άποικοι θα δημιουργήσουν και θα συλλέξουν νερό στον Άρη
- Αστρογεωργία: Πώς θα καλλιεργήσουμε καλλιέργειες στον Άρη
