Nesteytymisen kerääminen: Kuinka keräämme vettä Marsissa

Olemme haaveilleet ihmisten lähettämisestä toiselle planeetalle vuosikymmeniä, ja koska kiinnostus Marsin tutkimusta kohtaan on viime aikoina lisääntynyt, näyttää siltä, ​​että se voisi jonain päivänä olla todellisuutta.

Mutta vielä on paljon tehtävää, ennen kuin olemme valmiita siihen, että ihminen astuu punaiselle planeetalle.

Kaikista Marsin vierailijoiden tarvitsemista luonnonvaroista yksi merkittävimmistä on vesi – ei vain juomiseen, vaan myös raketin polttoaineen ja muiden aineiden, kuten hapen, valmistukseen. Ja jos olemme toivovat voivansa perustaa sinne maatalouden, tarvitsemme paljon vettä pitääksemme sadon kasvussa.

Mutta Marsin pinta näyttää kuivalta, epävieraanvaraiselta autiomaalta. Nykyään Marsissa ei ole järviä, ei jokia eikä sadetta.

Mistä sitten saamme vesimme? Keskustelimme kolmen asiantuntijan kanssa selvittääksemme.

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa – 10-osainen sarja, joka tutkii uusinta tiedettä ja teknologiaa, jonka avulla ihmiset voivat miehittää Marsin

Veden löytäminen Marsista

Vaikka olemme monien vuosien päässä täysin toimivan tukikohdan perustamisesta Marsiin, NASAn kaltaiset avaruusjärjestöt ajattelevat jo vesiongelmaa. Veden tuominen maasta on epäkäytännöllistä – se on aivan liian raskasta kuljettaakseen kaikkea tehtävään tarvittavaa vettä raketissa. Suunnitelmana on siis kerätä vettä Marsin ympäristöstä, ja sitä varten meidän on tiedettävä, missä vesi sijaitsee.

Hyvä uutinen on, että Marsin pinnalla on runsaasti vettä jään muodossa, mukaan lukien napoja peittävä jää valtavia kraattereita. Huono uutinen on, että lentomatka näille jääkylmille alueille tuo omat ongelmansa, kuten energiamäärän, joka tarvitsisi ihmisten ja koneiden pitämiseen lämpiminä jopa -240 °F: n lämpötiloissa. Tästä syystä useimpien Mars-lentojen painopiste on keskileveysasteilla, joissa lämpötilat ovat leudompia.

Näillä alueilla ei ole jäätä pinnalla, vaikka maan alla on jäätä. Mutta ellet halua lähettää astronauttia lapiolla ottamaan näytteitä planeetan jokaisesta likapaikasta, tarvitset tavan kartoittaa maanalainen jää nopeasti ja tehokkaasti.

X merkitsee paikan

Sitä Gareth Morgan ja Than Putzig Planetary Science Institutesta työskentelevät osana Subsurface Water Ice Mapping (SWIM) -projektia. He ja heidän kollegansa ovat yhdistäneet 20 vuoden tiedot viidestä eri kiertoradalla Mars-instrumentista kartoittaakseen, missä jää todennäköisimmin sijaitsee pinnan alla. Jokainen tietojoukko, kuten tutkalukemat tai vedyn ilmaisimet, voi yksinään kertoa vain niin paljon siitä, onko jää on tietyssä paikassa, mutta yhdessä ne voivat osoittaa, mitä parhaat paikat jään löytämiselle olisivat olla.

Heidän työnsä tavoitteena on auttaa NASAa valitsemaan tulevia laskeutumispaikkoja miehistötehtäville, jotta astronautit pääsevät niihin maanalainen jää, samalla kun annetaan mahdollisimman paljon vapautta valita tieteellisesti kiinnostava tutkimus alueella.

"Teknologia ja tekniikka määrittelevät, kuinka ihmiset saatetaan Marsiin", Morgan sanoi, "ja heillä on omat rajoitteensa siitä, missä se voi tapahtua. He haluavat myös tiedeyhteisön löytävän tieteellisesti elinkelpoisimmat, mielenkiintoisimmat ja kiehtovimmat laskeutumispaikat. Meidän tehtävämme on siis muodostaa silta molempien maailmojen välillä antamalla molemmille joukkueille laaja käsitys siitä, missä resurssit ovat."

Tämä kartta voi näyttää, missä jäätä todennäköisesti löytyy, mutta vain jos jää on alle viisi metriä maan alla. On myös vaikeaa olla tarkka siitä, kuinka syvällä jää sijaitsee jollakin tietyllä alueella, koska käytetyt tunnistusmenetelmät voivat antaa vain karkeita arvioita jääpitoisuudesta siellä.

Ja käytännössä on suuri ero siinä, kuinka vaikeaa on päästä käsiksi muutaman tuuman pinnan alapuolella olevaan jäähän verrattuna metrejä tiheän kiven alapuolelle.

Uusi työkalu jään havaitsemiseen

Jotta voimme selvittää, kuinka syvä jää Marsissa on, tarvitsemme uusia ponnisteluja, kuten Mars Ice Mapper -tehtävä: Avaruusalus, jonka parissa NASA ja muut kansainväliset avaruusjärjestöt työskentelevät yhdessä kiertää Marsia ja käyttää kahden tyyppisiä tutkamenetelmiä havaitakseen, kuinka syvä jää jään alla sijaitsee pinta.

"Keskeinen ajatus on saada korkeataajuinen, korkeamman resoluution tutka", Putzig selitti. Ice Mapper -tehtävä on vielä konseptivaiheessa, eivätkä hän ja Morgan ole siinä suoraan mukana. Mutta he ovat kuulleet tehtävän konsepteista muilta tutkijoilta, ja he jakoivat joitain yksityiskohtia siitä, kuinka se toimii.

Ensimmäistä tutkamenetelmää, jota kartoittaja käyttää, kutsutaan synteettiseksi apertuuritutkakuvaukseksi. Tämä sisältää tutkan, joka on suunnattu kulmaan pintaan nähden, mikä "antaa sinulle tunteen matalan jään laajasta jakautumisesta", Putzig sanoi. "Voit kartoittaa sen suurella alueella suhteellisen nopeasti tällä menetelmällä."

Toinen menetelmä on tutkaluotaus, jossa tutka suunnataan suoraan alas kimppuun jääkerroksen huipulta. Tämä kertoo kuinka syvä jääkerros on. Kun yhdistät nämä kaksi, "saat karttanäkymän ja poikkileikkausnäkymän", hän sanoi.

Ja sitten tiedät mistä kaivaa.

Pääsemme veteen, kun löydämme sen

Jään paikantaminen on vasta ensimmäinen askel veden keräämisessä. Päästäksemme maan alla olevista kiinteistä jääpaloista puhtaaseen, turvalliseen juomaveteen ja muihin tarkoituksiin meidän on löydettävä tapa poimia ja käsitellä jäätä.

Jos tiedät, kuinka syvällä jää on, ja uskot, että siihen on käsiksi pääsy huomattavan paljon jäätä, voit porata siihen päästäksesi. Ongelma, kuten NASAn Jet Propulsion Laboratoryn Mars Water Mapping Projectin johtaja Sydney Do selitti, on, että sinun on tiedettävä, millaisen kiven läpi poraat, jotta voit tuoda oikean työkalun Job.

Tällä hetkellä ymmärryksemme Marsin pinnan ja pinnan koostumuksesta on rajallinen, mikä on aiheuttanut ongelmia Mars-lennoilla, kuten InSightissa, jossa laskeutujan lämpöanturi ei päässyt pinnan alle koska maaperän kitka oli hieman erilainen kuin odotettiin. Tarvitsemme siis lisätietoja kivien koostumuksesta tietyllä alueella, ennen kuin voimme suunnitella poran tunneliin siihen.

Kun olet porannut reiän jäähän, voit käyttää Rodriguezin kaivoksi kutsuttua järjestelmää, joka on tällä hetkellä käytössä maan päällä esim. Antarktis, päästäkseen veteen. Pohjimmiltaan upotat lämmitetyn sauvan porattuun reikään, joka sulattaa jään ja muodostaa nestemäisen veden kaivon, jonka voit sitten pumpata pintaan. Tämä vaatii energian toimittamista lämmön muodossa, mutta se on tehokas tapa saada käsiksi mahdollisesti suuria vesimääriä.

Paistetut kivet

On myös toinen vaihtoehto veden keräämiseen: Voisimme uuttaa sitä hydratoiduista mineraaleista, joita on runsaasti monilla Marsin alueilla. Siellä on kiviä, kuten kipsiä, jotka sisältävät vettä, ja jos murskaat, sitten paistat ne kivet, voit tiivistää veden ja kerätä sen.

Mutta näiden mineraalien havaitseminen ei ole helppoa. Näiden hydratoituneiden mineraalien tunnistamiseksi kiertoradalta tutkijat käyttävät tekniikkaa, jota kutsutaan heijastusspektroskopiaksi. Marsin ympärillä olevissa avaruusaluksissa olevat instrumentit voivat havaita auringonvalon sen heijastuessa pinnalta ja luoda niin kutsuttuja spektrejä. Tietyt kemikaalit absorboivat jotkin heijastuneen valon aallonpituudet, minkä ansiosta tutkijat voivat päätellä, mistä alla olevat kivet on tehty. Mutta tämä signaali on vain tarkkailtavan alueen keskiarvo, ja voi olla useita kemikaaleja, jotka absorboivat samat aallonpituudet. Joten eri signaalien tulkitseminen voi olla haaste.

"Tapa, jolla haluan selittää sen, on: sinulla on kakku, jonka olet saanut", Do sanoi. "Sinun täytyy yrittää ja selvittää, mistä ainesosista se on tehty ja kuinka paljon kukin ainesosa vaikutti sen tekemiseen kakku. Se on pohjimmiltaan se, mitä teemme näillä heijastavilla signaaleilla – yritämme hajottaa ne osiinsa selvittääksemme, mitä niissä on."

Veden tekeminen turvalliseksi

Joka tapauksessa, kun olet kerännyt vettä sulattamalla jäätä tai leipomalla kiviä, sinun on käsiteltävä se. Vesi voi olla täynnä haitallisia epäpuhtauksia, kuten raskasmetalleja tai suoloja, kuten perkloraatteja, joten se on puhdistettava ja suolat poistettava ennen käyttöä. Teoriassa tiedämme, miten tämä tehdään tekemällä samanlaista käsittelyä veden kanssa maan päällä, mutta haaste Marsissa on, että emme tällä hetkellä tiedä, mitä epäpuhtauksia on odotettavissa.

Kuten monet Marsin vesihuollon näkökohdat, ongelma ei ole konseptissa vaan toteutuksessa. Maan vedenhallintatekniikka tunnetaan hyvin, mutta paljon on vielä tehtävää ennen kuin voimme rakentaa järjestelmän, joka toimisi toisella planeetalla.

"Tiedämme tämän tekemisen perusperiaatteet", Do sanoi. "Mutta emme täysin ymmärrä ympäristöolosuhteita, joissa meidän on käytettävä tätä konetta." Kaikkea Marsin ohuesta ilmakehästä sen alhaiseen painovoimaan runsaasti pölyä voi muuttaa tapaa, jolla koneet toimivat. Puhumattakaan siitä, että vesijärjestelmän ei vain tarvitse olla pieni ja riittävän kevyt, jotta se voidaan laittaa raketin päälle, sen tulee myös olla erittäin luotettava – Marsissa ei ole korjaamoja.

Tässä tulee esiin teknologisen innovaation seuraava raja. Meillä on juuri nyt tietoa siitä, kuinka rakentaa järjestelmä veden talteenottoon ja käsittelyyn, Do sanoi, "mutta kääntämällä ne päämiehet teknologiaksi, joka toimii luotettavasti siinä ympäristössä, jossa odotamme sen toimivan – se on edelleen avata."

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa – 10-osainen sarja, joka tutkii uusinta tiedettä ja teknologiaa, jonka avulla ihmiset voivat miehittää Marsin

Toimittajien suositukset

• Kosmologinen työmatka: Hankala logistiikka ihmisten saattamiseksi Marsiin
• Propulsion parantaminen: Miten saamme ihmiset Marsiin
• Hiekasta tehdyt linnat: Kuinka teemme elinympäristöjä Marsin maaperästä
• Keinotekoiset ilmakehät: Kuinka rakennamme tukikohdan hengittävällä ilmalla Marsiin
• Astromaatalous: Kuinka kasvatamme satoja Marsissa