Nii hirmutav kui ka inimeste esmakordne teisele planeedile saatmine võib olla, on sinna jõudmine vaid pool väljakutsest. Suureks probleemiks on see, kuidas inimesed saavad eksisteerida planeedi pinnal, millel on hingamatu atmosfäär, kosmiline kiirgus ja külm pinnatemperatuur miljonite miilide kaugusel kodust.
Sisu
- Võimaluste aken
- Miks on hapnik nii oluline
- Kasutades seda, mis on saadaval
- Kuidas ehitada hapnikumasinat
- Tahame lihtsalt teada, kas see töötab
- McMurdo jaam Marsi jaoks
- Ootamatu marsi halastus
Tahtsime teada, kuidas kavatsete tulnukat planeeti inimasustuseks ette valmistada, nii et rääkisime kahe eksperdiga, Massachusettsi Instituut Tehnoloogiaprofessor Michael Hecht ja NASA insener Asad Aboobaker, et välja selgitada, kuidas hoida astronaute elus planeedil, mis tahab tappa neid.
Soovitatud videod
See artikkel on osa Elu Marsil - 10-osaline sari, mis uurib tipptasemel teadust ja tehnoloogiat, mis võimaldab inimestel Marsi hõivata
Võimaluste aken
Inimeste punasele planeedile saatmisel on oluline viivitus. Maa ja Marsi orbiitide tõttu on lihtsaim viis ühelt planeedilt teisele jõudmiseks kasutada trajektoori, mida nimetatakse
Hohmanni ülekandeorbiit, milles veesõiduk liigub orbiidil, mis liigub järk-järgult väljapoole."See on tingitud sellest, kuidas planeedid pöörlevad," selgitas Hecht. "Maa asub Marsi orbiidil ja pöörleb kiiremini kui Marss, seega teeb ta paar korda ringi. Marsi aasta on peaaegu kaks Maa aastat.
"Seega peate käivitamise ajastama. Ja igal Marsi aastal on aken – iga 26 kuu tagant, ajal, mida nimetatakse Marsi opositsiooniks, kui Marss on Maa lähedal. Nii et iga 26 kuu tagant on teil võimalus sellel optimaalsel orbiidil Marsile kosmoseaparaat saata.... Nii et Marsi plaanid on kõigepealt saata infrastruktuur ja siis 26 kuud hiljem saadame meeskonna.
"Iga 26 kuu järel on teil võimalus sellel optimaalsel orbiidil Marsile kosmoseaparaat saata."
Infrastruktuuri saatmine ei tähenda ainult seda, et astronautidel oleks õhku hingamiseks ja toitu, mida nad saaksid süüa. See tähendab ka elektrijaama, elupaiga, kulgurite ja tõususõiduki saatmist ja ehitamist, et astronaudid saaksid pärast missiooni lõppemist lahkuda.
Miks on hapnik nii oluline
Esimene suur probleem, millega Marsi baasi rajamisel tegeleda, on hapniku tootmine. Kui kuulete Marsil hapniku tootmisest, mõtlete tõenäoliselt inimese kõige põhilisemale vajadusele: hingata õhku. Ja kindlasti peame leidma viisi hingava atmosfääri loomiseks suletud Marsi elupaigas. Kuid selleks on vaja ainult suhteliselt väikest kogust hapnikku, võrreldes suure vajadusega - raketi raketikütusega, mis astronaudid pinnalt välja lennutab.
"Püüame teha raketikütust," ütles Hecht. "Me ei püüa toota kütust, vaid seda osa keemilisest reaktsioonist, millele me Maal kunagi ei mõtle." Siit edasi Maa, kui põletate oma auto mootoris bensiini, kasutate selle tekitamiseks mitu korda rohkem kui hapnikus sisalduvat kütust. reaktsioon. Sama ka kaminas palgi põletamisega.
Kuid "kui lähete kuhugi, kus pole vaba hapnikku, peate selle endaga kaasa võtma," lisas Hecht.
Kaasaegsetel rakettidel on seda raketikütust varustavad vedela hapniku paagid ja need moodustavad stardi ajal märkimisväärse osa massist.
"Me vajame selle raketi käivitamiseks ligi 30 tonni hapnikku, et viia need astronaudid planeedilt välja ja orbiidile," ütles Hecht. "Ja kui me peame selle 30 tonni hapnikku Marsile kaasa võtma, lükkab see kogu missiooni kümme aastat tagasi. Palju lihtsam on saata tühi paak ja täita see seal hapnikuga.
Kasutades seda, mis on saadaval
Marsil hapniku loomiseks töötavad Hecht ja tema kolleegid kontseptsiooni kallal, mida nimetatakse in situ ressursside kasutamiseks (ISRU). Sisuliselt tähendab see seda, et kasutame ära seda, mis on juba Marsil, et luua seda, mida me vajame.
Nad on loonud eksperimendi nimega MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilisation Experiment), mis viidi koos Marsile hõlpsasti. NASA Perseverance kulgur mis maandus edukalt 2021. aasta veebruaris. MOXIE on tegelikult miniatuurne versioon potentsiaalselt palju suuremast seadmest, mis võtab endasse süsinikdioksiidi, mida on Marsi atmosfääris ohtralt, ja toodab hapnikku.
See võib tunduda keeruline, kuid tegelikult on seade sarnane millegi siin Maal hästi tuntud asjaga. "MOXIE sarnaneb väga kütuseelemendiga," ütles Hecht. "See on peaaegu identne. Kui võtaksite kütuseelemendi ja vahetaksite kaks sissetulevat juhet ümber, oleks teil elektrolüüsisüsteem. See tähendab, et kui see oleks kütuseelement, oleks teil kütus ja oksüdeerija, mis osutuvad stabiilseks molekuliks. Kui see oleks kütuse ja hapnikuna süsinikmonooksiid, tekitaks see süsinikdioksiidi. Sa saad ka elektri ära.
"Kui te seda tagurpidi käivitate, peate sisestama süsihappegaasi ja pead panema elektrit. Aga te saate vingugaasi ja hapniku välja. Nii me teame, kuidas seda teha."
See võtab sisse süsinikdioksiidi, mida on Marsi atmosfääris rohkesti, ja toodab hapnikku.
See pealtnäha lihtne idee on radikaalne, sest see lahendab probleemi, mida vaevalt keegi väljaspool kosmosekogukonda probleemiks peab: hapniku tootmine. "Keegi ei taha Maal hapnikku toota - meil pole selleks põhjust," ütles Hecht. "Meil on seda kõikjal palju. Kuid tänu kütuseelementidele on meil palju teadmisi.
Kuidas ehitada hapnikumasinat
Hapnikumasina loomise keemiliste põhimõtete mõistmine on üks asi, kuid kulgurisse mahutava versiooni kavandamine ja ehitamine on teine asi. Aboobaker, NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) MOXIE soojusinsener, kes on osalenud MOXIE selgitas, kuidas katse üles ehitati ja mõningaid väljakutseid, mida JPL-i meeskond pidi lahendama tegelema.
"Peamine ressursipiirang, mis meil oli peale massi ja väikese tööruumi, oli energia," ütles ta. "Kulguril on radioisotoopne termoelektriline generaator, mis on tuumaenergiaallikas. Nii et inimesed arvavad, et kulgur on tuumajõul, kuid see pole nii. See on akutoitel ja tuumalaadijaga.
See tähendab, et teadlased peavad olema äärmiselt ettevaatlikud, kui palju energiat nad kasutavad, et mitte akut tühjendada. Kogu Perseverance'i kulgur töötab vaid 110 vatti, mis on vaid veidi rohkem kui ere lambipirn.
Omakorda saab selline katse nagu MOXIE kasutada vaid väikest võimsust. "Seega seadke piirangu sellele, kui palju kütteseadme võimsust saame selle soojendamiseks kasutada, kui palju võimsust suudab kompressor, mis gaasi süsteemi puhub, tarbida ja kui kaua me võime töötada," ütles Aboobaker.
Seetõttu on Perseverance'il reisiv MOXIE versioon nii väike, kuigi süsteem töötaks suuremas mastaabis sama hästi või isegi paremini.
Tahame lihtsalt teada, kas see töötab
Kuid seadmete projekteerimine on vaid üks katse pool – teine pool kontrollib, kas see Marsil ka tegelikult töötab. Isegi kontseptsiooniga, mis siin Maal kindlalt töötab, võivad võõras keskkonnas olla ootamatud tagajärjed õhuke atmosfäär, mis mõjutab soojuse ülekandumist, laagritele, mis kuluvad ootamatul viisil väiksema raskusjõu ja harjumatu tõttu tolm. Seetõttu koguvad JPL-i insenerid peagi MOXIE-lt andmeid, et näha, kuidas see tõelises Marsi keskkonnas läheb.
"MOXIE ei võta paljuski teaduslikke andmeid," ütles Aboobaker. Võrreldes kivimiproovide analüüsimiseks kasutatavate teadusinstrumentidega, nagu teleskoobid või spektromeetrid, on MOXIE kogutud andmed suhteliselt lihtsad. „Meil on peaaegu nagu insener-telemeetriaandmed. Mõõdame pingeid ja voolusid ja temperatuure, selliseid asju. Need on meie andmed ja andmemaht on tegelikult üsna väike. Sa võid selle peaaegu disketile mahutada.
See tähendab, et meeskond saab mõne päeva jooksul väga kiiret tagasisidet selle kohta, kas süsteem töötab ettenähtud viisil. Erinevalt teistest Perseverance'i instrumentidest, mille andmete analüüsimiseks kulub nädalaid, kuid või isegi aastaid, on MOXIE nii praktiline demonstratsioon kui eksperiment.
«Andmemaht on tegelikult üsna väike. Võiksite selle peaaegu flopikettale ära mahutada"
"See, mida me teeme, pole paljuski teadus, vaid tehnoloogia," ütles Aboobaker. "Enamasti tahame lihtsalt teada, kas see töötab. Ja kui me tahame seda tulevikus suurendada, siis milliseid asju peaksime selleks tegema?
McMurdo jaam Marsi jaoks
Kui MOXIE on edukas, võib see näidata, kuidas ISRU põhimõte Marsil toimib. Siis on suhteliselt lihtne projekti laiendada ja luua täismahus versioon, mis suudaks toota palju kiiremini hapnikku. Ja hea uudis on see, et suurem versioon oleks tõhusam ja suudaks toota märkimisväärses koguses hapnikku ilma liigset energiat nõudmata.
Kui hapnik on sorteeritud, saaksime liikuda muude ressursside juurde, mida vajame Marsil elavate inimeste jaoks. Veel üks olulisemaid ressursse, mida me planeedile baasi rajamiseks vajame, on vesi. Mitte ainult inimestele joomiseks, vaid ka seetõttu, et vett (või vesinikku) ja süsinikdioksiidi saab kombineerida tohutul hulgal kasulikeks kemikaalideks.
Pöörane tehnika: Marsil hapniku valmistamine MOXIE abil
"Lühiaja idee seisneb selles, et me tahame oma missioonide teostamiseks teha teatud autonoomset ISRU-d," ütles Hecht. "Kui meil on planeedil baas, nagu McMurdo jaam Antarktikas või nagu rahvusvaheline kosmosejaam, võite mõelda palju agressiivsematele ISRU tüüpidele, nagu jää kaevandamine.
"Paljud inimesed arvavad, et peaksime jääd iseseisvalt kaevandama. Aga ma ütlen, et ei, see pole pingutust väärt. Jää on mineraal, mis tähendab, et sa pead seda otsima, pead selle välja kaevama ja puhastama. Lihtsam on see lihtsalt tuua. Midagi nagu MOXIE on aga mehaaniline puu. See hingab sisse süsinikdioksiidi ja hingab välja hapnikku.
Võrreldes ressursside jahtimisega kaevandamise kaudu, on MOXIE palju lihtsam, väidab Hecht. "See ei pea kuhugi minema, see ei pea midagi otsima. Need on sellised IRSU meetodid, mis on lühiajaliselt praktilised. Sa lükkad ülejäänu edasi, kuni pinnal on inimesi, kes suudavad keerulisemaid ülesandeid teha.
Ootamatu marsi halastus
Marsil on küll palju vesijääd, kuid see asub poolustel, samas kui enamik Marsi missioone soovib keskenduda maandumisele ekvaatorile, mis on nagu kõrb. Praegused kontseptsioonid selle probleemi lahendamiseks hõlmavad globaalse jää kaardistamise ideed, kus väiksemate jääkoguste asukohti saaks tulevaseks kasutamiseks kaardistada.
Teine võimalus on ammutada vett Marsi pinnases leiduvatest mineraalidest. "Seal on mineraalid, nagu kips ja Epsomi soolad, mis on sulfaadid ja meelitavad palju vett," selgitas Hecht. "Nii et sa võiksid need üles kaevata ja küpsetada ning vee välja lasta. Võite kaevandada pinnasest vett, mida on üsna palju.
"Kui vabastate ClO4-st hapnikuaatomeid Cl-i saamiseks, vabastab see tohutul hulgal energiat."
Kuid Marsil pole mitte ainult sarnaseid materjale nendega, mida me siin Maalt leiame. Samuti sisaldab see suures koguses kemikaali nimega perkloraat (ClO4), mis on inimeste tervisele ohtlik ja mida meie planeedil leidub vaid väikestes kogustes. Vaatamata sellele, et see aine on mürgine, võib see oma keemiliste omaduste tõttu olla äärmiselt kasulik, kuna seda kasutatakse näiteks tahkete raketivõimendites, ilutulestikes ja turvapatjades.
"Marsil osutub suurem osa mullas leiduvast kloorist perkloraadiks," ütles Hecht. «See moodustab pinnasest ligi 1%. Ja selles on tohutult palju energiat. Kui vabastate ClO4-st hapnikuaatomeid Cl saamiseks, vabastab see tohutul hulgal energiat. Olen alati arvanud, et see oleks suurepärane ressurss saagikoristuseks.
Selle probleemiks on see, et need rakendused on kõik plahvatusohtlikud ja ClO4 reaktsiooni kontrollimine on keeruline. Siiski on olemas süsteem, millel on potentsiaal vabastada energia õrnalt, kasutades a bioloogiline reaktor.
"Mikroobid võivad seda kraami süüa ja energiat toota," selgitas Hecht. "Ja inimesed on tegelikult ehitanud seda tüüpi bioloogilisi reaktoreid, mis on bakterite mahutid, mis seedivad mõnda ainet ja ammutavad sellest energiat.
"Nii et mul on selline nägemus bioloogilisest reaktorist kulguri tagaosas, astronaut astub sisse ja sõidab ringi. Ja kui võimsusnäidik läheb madalaks, saavad nad välja ja hakkavad mulda kühveldama taga olevasse punkrisse ning mikroobid söövad pinnast ja toodavad energiat ning astronaut saab sõita edasi. See on hull idee, kuid see on minu lemmikloomaressursside kasutamise kontseptsioon.
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
- Hüdratsiooni kogumine: kuidas tulevased asukad Marsil vett loovad ja koguvad
- Astropõllumajandus: kuidas me Marsil põllukultuure kasvatame
