Tan intimidante como puede ser enviar humanos a otro planeta por primera vez, llegar allí es solo la mitad del desafío. El gran problema es cómo los humanos pueden existir en la superficie de un planeta con una atmósfera irrespirable, radiación cósmica y temperaturas superficiales heladas a millones de kilómetros de casa.
Contenido
- Una ventana de oportunidad
- ¿Por qué el oxígeno es tan importante?
- Haciendo uso de lo que está disponible
- Cómo construir una máquina de oxígeno
- Solo queremos saber si funciona.
- Una estación McMurdo para Marte
- Recompensa marciana inesperada
Queríamos saber cómo haría para preparar un planeta alienígena para ser habitado por humanos, así que hablamos con dos expertos, el Instituto de Massachusetts de El profesor de tecnología Michael Hecht y el ingeniero de la NASA Asad Aboobaker, para descubrir cómo mantener vivos a los astronautas en un planeta que quiere matar a ellos.
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Este artículo es parte de Vida en Marte — una serie de 10 partes que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte
Una ventana de oportunidad
Hay un retraso de tiempo esencial en el envío de personas al planeta rojo. Debido a las órbitas de la Tierra y Marte, la forma más fácil de ir de un planeta a otro es usando una trayectoria llamada órbita de transferencia de Hohmann, en el que una nave se mueve en una órbita que gradualmente gira en espiral hacia afuera.
“Esto se debe a la forma en que giran los planetas”, explicó Hecht. “La Tierra está dentro de la órbita de Marte y gira más rápido que Marte, por lo que le da un par de vueltas. Un año marciano es casi dos años terrestres”.
“Así que tienes que cronometrar el lanzamiento. Y hay una ventana cada año de Marte, cada 26 meses, en un momento llamado oposición de Marte cuando Marte está cerca de la Tierra. Entonces, cada 26 meses, tienes la oportunidad de lanzar una nave espacial a Marte en esta órbita óptima. … Entonces, los planes para Marte son enviar la infraestructura primero y luego, 26 meses después, enviaremos la tripulación”.
“Cada 26 meses, tienes la oportunidad de lanzar una nave espacial a Marte en esta órbita óptima”.
Enviar infraestructura no solo significa asegurarse de que haya aire para que los astronautas respiren y comida para que coman. También significa enviar y construir una planta de energía, un hábitat, rovers y un vehículo de ascenso para permitir que los astronautas se vayan una vez que termine su misión.
¿Por qué el oxígeno es tan importante?
El primer gran problema a abordar al establecer una base en Marte es la producción de oxígeno. Cuando escuchas sobre la producción de oxígeno en Marte, probablemente piensas en la necesidad humana más básica: tener aire para respirar. Y ciertamente, necesitamos encontrar una manera de producir una atmósfera respirable en un hábitat contenido en Marte. Pero esto requiere solo una cantidad relativamente pequeña de oxígeno en comparación con la gran demanda: la del propulsor para el cohete que lanzará a los astronautas fuera de la superficie.
“Estamos tratando de hacer propulsor de cohetes”, dijo Hecht. “No estamos tratando de hacer combustible, estamos tratando de hacer la parte de la reacción química en la que nunca pensamos en la Tierra”. Aquí en Tierra, cuando quemas gasolina en el motor de tu auto, usas varias veces el valor del peso del combustible en oxígeno para crear eso reacción. Lo mismo con quemar un leño en una chimenea.
Sin embargo, “si vas a algún lugar donde no hay oxígeno libre, debes llevarlo contigo”, agregó Hecht.
Los cohetes modernos tienen tanques de oxígeno líquido que proporcionan este propulsor y forman una parte considerable del peso en el lanzamiento.
“Necesitaríamos cerca de 30 toneladas métricas de oxígeno para impulsar ese cohete para sacar a esos astronautas del planeta y ponerlos en órbita”, dijo Hecht. “Y si tenemos que llevar esas 30 toneladas métricas de oxígeno con nosotros a Marte, hará retroceder toda la misión una década. Es mucho más fácil enviar un tanque vacío y llenarlo con oxígeno allí”.
Haciendo uso de lo que está disponible
Para crear oxígeno en Marte, Hecht y sus colegas están trabajando en un concepto llamado utilización de recursos in situ (ISRU). Básicamente, eso significa hacer uso de lo que ya está en Marte para crear lo que necesitamos.
Han construido un experimento llamado MOXIE (Experimento de utilización de recursos in situ de oxígeno de Marte), que fue llevado cómodamente a Marte junto con el rover perseverancia de la NASA que aterrizó con éxito en febrero de 2021. MOXIE es efectivamente una versión en miniatura de un dispositivo potencialmente mucho más grande que absorbe dióxido de carbono, que abunda en la atmósfera marciana, y produce oxígeno.
Eso puede sonar complicado, pero de hecho, el dispositivo es similar a algo muy conocido aquí en la Tierra. “MOXIE es muy parecido a una celda de combustible”, dijo Hecht. “Es casi idéntico. Si tomara una celda de combustible e invirtiera los dos cables que entran, tendría un sistema de electrólisis. Eso significa que si se tratara de una celda de combustible, tendrías un combustible y un oxidante que producen una molécula estable. Si fuera monóxido de carbono como combustible y oxígeno, produciría dióxido de carbono. También te sale la electricidad.
“Si lo haces funcionar en reversa, tienes que poner dióxido de carbono y tienes que poner electricidad. Pero sacas monóxido de carbono y oxígeno. Así es como sabemos cómo hacer esto”.
Esto absorbe dióxido de carbono, que abunda en la atmósfera marciana, y produce oxígeno.
Esta idea aparentemente simple es radical porque aborda un problema que casi nadie fuera de la comunidad espacial considera un problema: la producción de oxígeno. “Nadie quiere producir oxígeno en la Tierra, no tenemos motivos para hacerlo”, dijo Hecht. “Tenemos mucho de eso en todas partes. Pero tenemos mucho conocimiento gracias a las pilas de combustible”.
Cómo construir una máquina de oxígeno
Comprender los principios químicos para crear una máquina de oxígeno es una cosa, pero diseñar y construir una versión que pueda caber en un rover es otra. Aboobaker, un ingeniero térmico de MOXIE en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA que ha estado involucrado en el MOXIE proyecto a lo largo de su desarrollo, explicó cómo se construyó el experimento y algunos de los desafíos que el equipo de JPL tuvo que enfrentar. abordar.
“La principal restricción de recursos que teníamos, además de la masa y el pequeño espacio para trabajar, era la energía”, dijo. “El rover tiene un generador termoeléctrico de radioisótopos, que es una fuente de energía nuclear. Entonces, la gente piensa que el rover funciona con energía nuclear, pero no es así. Funciona con baterías, con un cargador lento nuclear”.
Eso significa que los investigadores deben tener mucho cuidado con la cantidad de energía que usan para no agotar la batería. Todo el rover Perseverance funciona con solo 110 vatios, que es solo un poco más que una bombilla de luz brillante.
A su vez, un experimento como MOXIE solo puede usar una pequeña cantidad de energía. “Eso establece un límite sobre la cantidad de energía del calentador que podríamos usar para calentarlo, la cantidad de energía que puede consumir el compresor, que sopla el gas en el sistema, y cuánto tiempo podemos funcionar”, dijo Aboobaker.
Es por eso que la versión de MOXIE que viaja en Perseverance es tan pequeña, aunque el sistema funcionaría igual o incluso mejor a mayor escala.
Solo queremos saber si funciona.
Pero diseñar el equipo es solo un lado del experimento: el otro lado es verificar si realmente funciona en Marte. Incluso con un concepto que funciona sólidamente aquí en la Tierra, puede haber consecuencias inesperadas de entornos extraterrestres, desde el atmósfera delgada que afecta la forma en que se transfiere el calor, a los cojinetes que se desgastan de manera inesperada debido a la menor gravedad y a la falta de familiaridad polvo. Es por eso que los ingenieros de JPL pronto recopilarán datos de MOXIE para ver cómo le va en un entorno marciano real.
“En muchos sentidos, MOXIE realmente no toma datos científicos”, dijo Aboobaker. En comparación con instrumentos científicos como telescopios o espectrómetros, que se utilizan para analizar muestras de rocas, los datos recopilados por MOXIE son relativamente simples. “Lo que tenemos es casi como datos de telemetría de ingeniería. Medimos voltajes, corrientes y temperaturas, cosas así. Esos son nuestros datos, y el volumen de datos es bastante pequeño. Casi cabría en un disquete”.
Eso significa que el equipo puede obtener comentarios muy rápidos sobre si el sistema funciona según lo previsto, en unos pocos días. A diferencia de otros instrumentos Perseverance, para los cuales el análisis de datos lleva semanas, meses o incluso años, MOXIE es tanto una demostración práctica como un experimento.
“El volumen de datos es en realidad bastante pequeño. Casi cabría en un disquete”
“En muchos sentidos, lo que estamos haciendo no es ciencia, es tecnología”, dijo Aboobaker. “Principalmente, solo queremos saber si funciona. Y, si quisiéramos ampliarlo en el futuro, ¿qué tipo de cosas tendríamos que hacer para hacerlo?
Una estación McMurdo para Marte
Si MOXIE tiene éxito, puede demostrar cómo el principio de ISRU puede funcionar en Marte. Entonces es relativamente simple ampliar el proyecto y crear una versión a gran escala que podría producir oxígeno a un ritmo mucho mayor. Y la buena noticia es que una versión más grande sería más eficiente y podría producir una cantidad considerable de oxígeno sin requerir demasiada potencia.
Con el oxígeno clasificado, podríamos pasar a otros tipos de recursos que necesitaríamos para los humanos que viven en Marte. Otro de los recursos más esenciales que necesitaríamos para establecer una base en el planeta es agua. No solo para que los humanos beban, sino también porque el agua (o el hidrógeno) y el dióxido de carbono se pueden combinar en una gran variedad de productos químicos útiles.
Ingeniería loca: producir oxígeno en Marte con MOXIE
“La idea a corto plazo es que queremos hacer una cierta cantidad de ISRU autónomo para que nuestras misiones sean factibles”, dijo Hecht. “Una vez que tengamos una base en el planeta, como la Estación McMurdo en la Antártida o como la Estación Espacial Internacional, entonces puedes pensar en tipos de ISRU mucho más agresivos, como la extracción de hielo.
“Muchas personas sienten que deberíamos extraer hielo de forma autónoma. Pero digo que no, que no vale la pena el esfuerzo. El hielo es un mineral, lo que significa que tienes que buscarlo, tienes que desenterrarlo, tienes que purificarlo. Será más fácil traerlo. Sin embargo, algo como MOXIE es un árbol mecánico. Inhala dióxido de carbono y exhala oxígeno”.
En comparación con la búsqueda de recursos a través de la minería, MOXIE es mucho más simple, argumenta Hecht. “No tiene que ir a ninguna parte, no tiene que buscar nada. Esos son los tipos de métodos IRSU que son realmente prácticos a corto plazo. Aplazas el resto hasta que tienes gente en la superficie que puede hacer tareas más complicadas”.
Recompensa marciana inesperada
Marte tiene mucho hielo de agua, pero está ubicado en los polos, mientras que la mayoría de las misiones a Marte quieren enfocarse en aterrizar en el ecuador, que es como un desierto. Los conceptos actuales para abordar este problema incluyen la idea del mapeo global de hielo, donde las ubicaciones de cantidades más pequeñas de hielo podrían mapearse para uso futuro.
Otra opción es extraer agua de los minerales del suelo marciano. “Hay minerales como el yeso y las sales de Epsom que son sulfatos y atraen mucha agua”, explicó Hecht. “Para que pudieras desenterrarlos y hornearlos y sacarles el agua. Podrías extraer agua del suelo, que es bastante abundante”.
“Cuando liberas átomos de oxígeno del ClO4 para producir Cl, se libera una tremenda cantidad de energía”
Pero Marte no solo tiene materiales similares a los que encontramos aquí en la Tierra. También tiene grandes cantidades de una sustancia química llamada perclorato (ClO4), que es peligrosa para la salud humana y solo se encuentra en pequeñas cantidades en nuestro planeta. A pesar de ser tóxica, esta sustancia podría ser extremadamente útil debido a sus propiedades químicas, ya que se usa en cosas como propulsores de cohetes sólidos, fuegos artificiales y bolsas de aire.
“En Marte, la mayor parte del cloro en el suelo resulta ser perclorato”, dijo Hecht. “Constituye casi el 1% del suelo. Y tiene una enorme cantidad de energía. Cuando liberas átomos de oxígeno del ClO4 para producir Cl, se libera una enorme cantidad de energía. Siempre pensé que sería un gran recurso para cosechar”.
El problema con esto es que estas aplicaciones son todas explosivas y controlar la reacción de ClO4 es un desafío. Sin embargo, existe un sistema que tiene el potencial de liberar la energía suavemente, utilizando un reactor biológico.
“Los microbios pueden comer estas cosas y producir energía”, explicó Hecht. “Y la gente ha construido este tipo de reactores biológicos, que son tanques de bacterias que digieren alguna sustancia y extraen energía de ella.
“Así que tengo esta visión de un reactor biológico en la parte trasera de un rover, y el astronauta entra y conduce. Y cuando el indicador de energía baja, salen y comienzan a palear tierra en una tolva en la parte trasera, y los microbios se comen la tierra y generan energía y el astronauta puede seguir conduciendo. Es una idea loca, pero ese es mi concepto favorito de utilización de recursos”.
Este artículo es parte de Vida en Marte — una serie de 10 partes que explora la ciencia y la tecnología de vanguardia que permitirán a los humanos ocupar Marte.
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