Hüdratsiooni kogumine: kuidas me Marsil vett kogume

Oleme aastakümneid unistanud inimeste saatmisest teisele planeedile ja hiljutise huvi suurenemise tõttu Marsi uurimise vastu näib, et see võib ühel päeval reaalsuseks saada.

Kuid enne, kui oleme valmis, et inimene astub punasele planeedile, on veel palju tööd teha.

Kõigist ressurssidest, mida Marsi külastajad vajavad, on üks olulisemaid vesi – mitte ainult joomiseks, vaid ka raketikütuse ja muude ainete, näiteks hapniku valmistamiseks. Ja kui me oleme lootes seal põllumajandust rajada, vajame põllukultuuride kasvatamiseks palju vett.

Kuid Marsi pind näeb välja kuiv, ebasõbralik kõrb. Tänapäeval pole Marsil järvi, jõgesid ega sademeid.

Kust me siis vett saame? Rääkisime selle väljaselgitamiseks kolme eksperdiga.

See artikkel on osa Elu Marsil – 10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata

Vee leidmine Marsil

Kuigi meil on Marsil täielikult toimiva baasi loomiseni jäänud palju aastaid, mõtlevad kosmoseagentuurid nagu NASA juba veeprobleemile. Vee toomine Maalt on ebapraktiline – see on liiga raske, et kogu missiooniks vajaminevat vett raketis kanda. Seega on plaan koguda vett Marsi keskkonnast ja selleks peaksime teadma, kus vesi asub.

Hea uudis on see, et Marsi pinnal on palju vett jää kujul, sealhulgas jää katab pooluseid ja tohutud kraatrid. Halb uudis on see, et missioon nendesse jääkülmadesse piirkondadesse toob kaasa oma probleemid, näiteks energiahulga, mis kuluks nii inimeste kui ka masinate soojas hoidmiseks temperatuuridel kuni -240 °F. Seetõttu on enamiku Marsi missioonide fookuses keskmised laiuskraadi piirkonnad, kus temperatuurid on leebemad.

Nendes piirkondades ei ole jääd pinnal, kuigi maa all on jääd. Kuid kui te ei soovi saata välja labidaga astronauti, et võtta proovid igast planeedi mustusest, on teil vaja viisi, kuidas see maa-alune jää kiiresti ja tõhusalt kaardistada.

X tähistab kohta

Selle kallal Gareth Morgan ja Than Putzig Planeediteaduste Instituudist Subsurface Water Ice Mapping (SWIM) projekti raames töötavad. Nad ja nende kolleegid on ühendanud viie erineva Marsi orbitaalse instrumendi 20 aasta andmeid, et kaardistada, kus jää kõige tõenäolisemalt pinna all asub. Iga andmestik, nagu radari näidud või vesiniku näidud, võib eraldiseisvalt öelda teile ainult nii palju, kas jää on konkreetses kohas, kuid koos võivad need näidata, millised on jää leidmise peamised kohad olla.

Nende töö eesmärk on aidata NASA-l valida tulevased maandumiskohad meeskonnaga missioonide jaoks, et astronaudid saaksid neile juurde pääseda maa-alune jää, jättes samal ajal võimalikult palju vabadust teaduslikult huvitava uurimistöö valimiseks ala.

"Tehnoloogia ja tehnika määratlevad, kuidas inimesi Marsile panna," ütles Morgan, "ja neil on oma piirangud selle kohta, kus see juhtuda võib. Samuti tahavad nad, et teadusringkonnad leiaksid teaduslikult kõige elujõulisemad, huvitavamad ja põnevamad kohad, kuhu maanduda. Nii et meie ülesanne on ühendada need mõlemad maailmad, andes mõlemale meeskonnale laialdase arusaama ressursside asukohast.

See kaart võib näidata, kus jää tõenäoliselt leidub, kuid ainult siis, kui see jää on alla viie meetri maapinnast. Samuti on raske täpselt määratleda, kui sügaval jää konkreetses piirkonnas asub, sest kasutatavad tuvastusmeetodid suudavad anda jääsisalduse kohta ainult ligikaudseid hinnanguid.

Ja seal on suur praktiline erinevus selles, kui raske on ligi pääseda jääle, mis on paar tolli allpool maapinda, võrreldes jääga, mis asub meetri paksuse tiheda kivimi all.

Uus tööriist jää tuvastamiseks

Et välja selgitada, kui sügav jää Marsil on, vajame uusi jõupingutusi, nagu Marsi jääkaardistaja missioon: Kosmoselaev, mille kallal NASA ja teised rahvusvahelised kosmoseagentuurid koos töötavad, mis teeb Marsi orbiidil ja kasutage kahte tüüpi radarimeetodeid, et tuvastada, kui sügav jää asub pinnale.

"Keskne idee on kõrgema sagedusega ja kõrgema eraldusvõimega radar," selgitas Putzig. Ice Mapperi missioon on endiselt kontseptsiooni staadiumis ning tema ja Morgan ei ole sellega otseselt seotud. Kuid nad on kuulnud missiooni kontseptsioonidest teistelt teadlastelt ja jagasid mõningaid üksikasju selle toimimise kohta.

Esimest radarimeetodit, mida kaardistaja kasutab, nimetatakse sünteetilise avaga radari kujutiseks. See hõlmab radarit, mis on suunatud pinna suhtes nurga all, mis "annab teile madala jää laia leviku tunde," ütles Putzig. "Selle meetodiga saate selle suures piirkonnas suhteliselt kiiresti kaardistada."

Teine meetod on radari sondeerimine, kus radar suunatakse otse alla, et see jääkihi pealt tagasi põrkaks. See näitab, kui sügav on jääkiht. Kui ühendate need kaks, "saate kaardivaate ja ristlõike vaate," ütles ta.

Ja siis tead, kuhu kaevata.

Juurdepääs veele, kui oleme selle leidnud

Jää asukoha määramine on alles esimene samm vee kogumisel. Et jõuda maa all olevatelt tahkete jääplokkide juurest puhta ja ohutu joogiveeni ja muuks otstarbeks, peame leidma viisi jää ekstraheerimiseks ja töötlemiseks.

Kui teate, kui sügaval jää asub, ja arvate, et sinna on ligipääsetav suur hulk jääd, võite selleni jõudmiseks puurida. Nagu NASA reaktiivmootorite laboratooriumi Marsi vee kaardistamise projekti juht Sydney Do, probleem selgitas, See on see, et peate teadma, millist kivi te läbi puurite, et saaksite selle jaoks õige tööriista kaasa võtta töö.

Praegu on meie arusaam Marsi pinna ja maapinna koostisest piiratud, mis on põhjustanud probleeme Marsi missioonidel nagu InSight, kus maanduri soojussond ei pääsenud pinna alla sest mulla hõõrdumine oli oodatust veidi erinev. Seega on meil vaja rohkem teavet kivimite koostise kohta konkreetses piirkonnas, enne kui saame kavandada puuri sellesse tunneli tegemiseks.

Kui olete jääle augu puurinud, saate kasutada süsteemi nimega Rodriguez kaev, mis on praegu kasutusel Maal sellistes kohtades nagu Antarktika, et pääseda veele juurde. Põhimõtteliselt uputate puuritud auku kuumutatud varda, mis sulatab jää ja loob vedela vee kaevu, mille saate seejärel pinnale pumbata. See nõuab energia tarnimist soojuse kujul, kuid see on tõhus viis potentsiaalselt suurele veekogusele juurdepääsu saamiseks.

Küpsetatud kivid

Vee kogumiseks on veel üks võimalus: saaksime seda ekstraheerida hüdraatunud mineraalidest, mida leidub paljudes Marsi piirkondades. Seal on kivid nagu kips, mis sisaldavad vett ja kui purustad, siis küpsetad need kivid, saad vee kondenseerida ja koguda.

Kuid nende mineraalide leidmine pole lihtne. Nende hüdraatunud mineraalide orbiidilt tuvastamiseks kasutavad teadlased tehnikat, mida nimetatakse peegeldusspektroskoopiaks. Marsi ümbritsevate kosmoselaevade instrumendid suudavad tuvastada päikesevalgust, kui see peegeldub pinnalt, luues nn spektrid. Mõned peegeldunud valguse lainepikkused neelavad teatud kemikaalid, mis võimaldab teadlastel järeldada, millest allpool olevad kivimid on valmistatud. Kuid see signaal on ainult vaadeldava piirkonna keskmine ja seal võib olla mitu kemikaali, mis neelavad samu lainepikkusi. Seega võib erinevate signaalide dešifreerimine olla väljakutse.

"Mulle meeldib seda seletada järgmiselt: teil on kook, mille olete saanud," ütles Do. "Sa pead proovima ja välja selgitada, millistest koostisosadest see on valmistatud ja kui palju iga koostisosa selle valmistamisel kaasa aitas kook. See on sisuliselt see, mida me nende peegeldavate signaalidega teeme – me püüame need lahutada nende koostisosadeks, et välja selgitada, mis seal on.

Vee ohutuks muutmine

Mõlemal juhul, kui olete jää sulamise või kivide küpsetamise teel vett kogunud, peate seda töötlema. Vesi võib olla täis kahjulikke lisandeid, nagu raskmetalle või sooli, näiteks perkloraate, mistõttu tuleb see enne kasutamist puhastada ja magestada. Teoreetiliselt teame, kuidas seda teha Maal veega sarnase töötlemisega, kuid Marsil on väljakutseks see, et me ei tea praegu, milliseid saasteaineid oodata.

Nagu paljud Marsi veemajanduse aspektid, ei ole probleem kontseptsioonis, vaid teostuses. Maal vee haldamise tehnoloogiat mõistetakse hästi, kuid veel on palju teha, enne kui saame ehitada süsteemi, mis töötaks teisel planeedil.

"Me teame selle toimimise aluspõhimõtteid," ütles Do. "Kuid me ei mõista täielikult keskkonnatingimusi, milles me peaksime seda masinat kasutama." Kõik alates Marsi õhukesest atmosfäärist kuni selle madala gravitatsioonini rohket tolmu võib muuta masinate tööviisi. Rääkimata sellest, et veesüsteem ei pea mitte ainult olema piisavalt väike ja kerge, et seda raketile panna, vaid see peab olema ka ülimalt töökindel — Marsil pole remonditöökodasid.

Siin kerkib esile tehnoloogilise innovatsiooni järgmine piir. Meil on praegu teadmised selle kohta, kuidas ehitada süsteemi vee ammutamiseks ja töötlemiseks, ütles Do: "aga treimine need printsiibid tehnoloogiasse, mis töötab usaldusväärselt keskkonnas, mida me sellelt eeldame – see on ikkagi avatud."

See artikkel on osa Elu Marsil – 10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata

Toimetajate soovitused

• Kosmoloogiline pendelränne: inimeste Marsile viimise keeruline logistika
• Tõukejõu täiustamine: kuidas me saame inimesed Marsile
• Liivast valmistatud lossid: kuidas teeme Marsi pinnasega elupaiku
• Tehisatmosfäär: kuidas ehitame Marsile hingava õhuga baasi
• Astropõllumajandus: kuidas me Marsil põllukultuure kasvatame