Kuinka rakennamme tukikohdan hengittävällä ilmalla Marsiin

Vaikka ihmisten lähettäminen toiselle planeetalle ensimmäistä kertaa onkin pelottavaa, sinne pääseminen on vain puolet haasteesta. Suuri ongelma on, kuinka ihmiset voivat elää planeetan pinnalla, jossa ilmakehä on hengittävä, kosminen säteily ja jäätymislämpötilat miljoonien kilometrien päässä kotoa.

Halusimme tietää, kuinka valmistaisit vieraan planeetan ihmisasutukseen, joten keskustelimme kahden asiantuntijan, Massachusetts Institute of Teknologiaprofessori Michael Hecht ja NASAn insinööri Asad Aboobaker selvittääkseen, kuinka astronautit pidetään elossa planeetalla, joka haluaa tappaa niitä.

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

Mahdollisuuden ikkuna

Ihmisten lähettämisessä punaiselle planeetalle on olennainen viive. Maan ja Marsin kiertoradan vuoksi helpoin tapa päästä planeetalta toiselle on käyttää lentorataa nimeltä Hohmannin siirtorata, jossa alus liikkuu kiertoradalla, joka kiertyy vähitellen ulospäin.

"Tämä johtuu tavasta, jolla planeetat pyörivät", Hecht selitti. "Maa on Marsin kiertoradan sisällä ja pyörii nopeammin kuin Mars, joten se kiertää sen pari kertaa. Marsin vuosi on melkein kaksi maavuotta."

"Joten sinun täytyy ajoittaa laukaisu. Ja siellä on ikkuna joka Mars-vuosi – 26 kuukauden välein, ajankohtana, jota kutsutaan Marsin oppositioksi, kun Mars on lähellä Maata. Joten 26 kuukauden välein sinulla on mahdollisuus laukaista avaruusalus Marsiin tällä optimaalisella kiertoradalla. … Marsin suunnitelmissa on lähettää ensin infrastruktuuri, ja sitten 26 kuukautta myöhemmin lähetämme miehistön.

Infrastruktuurin lähettäminen ei tarkoita vain sen varmistamista, että astronauteilla on ilmaa hengittää ja ruokaa syötäväksi. Se tarkoittaa myös voimalaitoksen, elinympäristön, rovereiden ja nousuajoneuvon lähettämistä ja rakentamista, jotta astronautit voivat lähteä, kun heidän tehtävänsä on ohi.

Miksi happi on niin tärkeä

Ensimmäinen suuri ongelma Mars-tukikohdan perustamisessa on hapen tuotanto. Kun kuulet hapen tuottamisesta Marsissa, ajattelet todennäköisesti ihmisen perustarpeesta: saada ilmaa hengittää. Ja varmasti meidän on löydettävä tapa tuottaa hengittävä ilmapiiri suljetussa Marsin elinympäristössä. Mutta tämä vaatii vain suhteellisen pienen määrän happea verrattuna suureen tarpeeseen - ponneaineeseen raketille, joka laukaisee astronautit pinnasta.

"Yritämme valmistaa rakettipolttoainetta", Hecht sanoi. "Emme yritä valmistaa polttoainetta, vaan saada aikaan sen osan kemiallisesta reaktiosta, jota emme koskaan ajattele maan päällä." Tästä eteenpäin Maa, kun poltat bensiiniä autosi moottorissa, käytät useita kertoja polttoaineen painon verran hapessa sen luomiseen. reaktio. Sama juttu hirren polttamisessa takassa.

Kuitenkin "jos menet jonnekin, jossa ei ole vapaata happea, sinun on otettava se mukaasi", Hecht lisäsi.

Nykyaikaisissa raketteissa on nestemäisiä happisäiliöitä, jotka tarjoavat tätä ponneainetta, ja ne muodostavat huomattavan osan painosta laukaisuhetkellä.

"Tarvitsimme lähes 30 tonnia happea tuon raketin voimanlähteeksi nostaaksemme astronautit pois planeetalta ja kiertoradalle", Hecht sanoi. "Ja jos meidän on otettava tuo 30 tonnia happea mukanamme Marsiin, se ajaa koko tehtävän kymmenen vuotta taaksepäin. On paljon helpompaa lähettää tyhjä säiliö ja täyttää se hapella."

Hyödynnä sitä mitä on saatavilla

Hapen luomiseksi Marsiin Hecht ja hänen kollegansa työskentelevät konseptin parissa, jota kutsutaan in situ resurssien käyttöön (ISRU). Pohjimmiltaan tämä tarkoittaa sitä, että hyödynnämme sitä, mitä Marsissa on, luomaan tarvitsemamme.

He ovat rakentaneet kokeen nimeltä MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilisation Experiment), joka kuljetettiin kätevästi Marsiin yhdessä NASA Perseverance rover joka laskeutui onnistuneesti helmikuussa 2021. MOXIE on käytännössä pienoisversio mahdollisesti paljon suuremmasta laitteesta, joka imee hiilidioksidia, jota on runsaasti Marsin ilmakehässä, ja tuottaa happea.

Se saattaa kuulostaa monimutkaiselta, mutta itse asiassa laite on samanlainen kuin jotain hyvin tunnettua täällä maan päällä. "MOXIE on hyvin paljon kuin polttokenno", Hecht sanoi. "Se on melkein identtinen. Jos ottaisit polttokennon ja vaihtaisit kaksi sisään tulevaa johtoa, sinulla olisi elektrolyysijärjestelmä. Tämä tarkoittaa, että jos tämä olisi polttokenno, sinulla olisi polttoaine ja hapetin, joista tulee vakaa molekyyli. Jos se olisi hiilimonoksidi polttoaineena ja hapena, se tekisi hiilidioksidia. Saat myös sähköt pois.

”Jos ajaa sitä taaksepäin, sinun on lisättävä hiilidioksidia ja sinun täytyy laittaa sähköä. Mutta saat pois häkää ja happea. Näin tiedämme, miten tämä tehdään."

Tämä näennäisesti yksinkertainen idea on radikaali, koska se ratkaisee ongelman, jota tuskin kukaan avaruusyhteisön ulkopuolinen ajattelee ongelmana: hapen tuotanto. "Kukaan ei halua tuottaa happea maan päällä - meillä ei ole mitään syytä", Hecht sanoi. "Meillä on paljon sitä kaikkialla. Mutta meillä on paljon tietoa polttokennoista."

Kuinka rakentaa happikone

Happikoneen luomisen kemiallisten periaatteiden ymmärtäminen on yksi asia, mutta mönkijään sopivan version suunnittelu ja rakentaminen on toinen asia. Aboobaker, MOXIE: n lämpöinsinööri NASAn Jet Propulsion Laboratorysta (JPL), joka on ollut mukana MOXIEssa projektin koko kehitystyön ajan, selitti, kuinka kokeilu rakennettiin ja joitain haasteita JPL-tiimin oli vastattava puuttua.

"Massan ja pienen työskentelytilan lisäksi tärkein resurssirajoitteemme oli energia", hän sanoi. – Roverissa on radioisotooppitermosähkögeneraattori, joka on ydinvoimalähde. Joten ihmiset ajattelevat, että mönkijä on ydinkäyttöinen, mutta se ei ole. Se on akkukäyttöinen, ja siinä on ydinvirtalaturi."

Tämä tarkoittaa, että tutkijoiden on oltava erittäin varovaisia ​​​​kulutuksensa suhteen, jotta akku ei tyhjennä. Koko Perseverance Rover toimii vain 110 watilla, mikä on vain vähän enemmän kuin kirkas hehkulamppu.

MOXIE: n kaltainen kokeilu puolestaan ​​voi käyttää vain pienen määrän tehoa. "Joten asetetaan raja sille, kuinka paljon lämmittimen tehoa voimme käyttää sen lämmittämiseen, kuinka paljon tehoa kompressori - joka puhaltaa kaasua järjestelmään - voi ottaa ja kuinka kauan voimme toimia", Aboobaker sanoi.

Siksi Perseverancella matkustava MOXIE-versio on niin pieni, vaikka järjestelmä toimisi yhtä hyvin tai jopa paremmin isommassa mittakaavassa.

Haluamme vain tietää, toimiiko se

Mutta laitteiden suunnittelu on vain yksi kokeen puoli - toinen puoli tarkistaa, toimiiko se todella Marsissa. Jopa konseptilla, joka toimii vakaasti täällä maan päällä, voi olla odottamattomia seurauksia vieraista ympäristöistä ohut ilmakehä, joka vaikuttaa lämmön siirtymiseen, laakereihin, jotka kuluvat odottamattomalla tavalla alhaisemman painovoiman ja tuntemattomien tavoin pöly. Siksi JPL: n insinöörit keräävät pian tietoja MOXIEsta nähdäkseen, kuinka se pärjää todellisessa Marsin ympäristössä.

"MOXIE ei todellakaan ota tieteellistä tietoa monella tapaa", Aboobaker sanoi. Verrattuna kivinäytteiden analysointiin käytettäviin tieteellisiin laitteisiin, kuten teleskoopeihin tai spektrometreihin, MOXIE: sta kerätyt tiedot ovat suhteellisen yksinkertaisia. ”Se, mitä meillä on, on melkein kuin teknistä telemetriatietoa. Mittaamme jännitteitä ja virtoja ja lämpötiloja, sellaisia ​​asioita. Se on meidän tietomme, ja datamäärä on itse asiassa melko pieni. Sen voisi melkein mahtua levykkeelle."

Tämä tarkoittaa, että tiimi voi saada erittäin nopeaa palautetta siitä, toimiiko järjestelmä suunnitellulla tavalla – muutamassa päivässä. Toisin kuin muut Perseverance-instrumentit, joiden tietojen analysointi kestää viikkoja, kuukausia tai jopa vuosia, MOXIE on käytännöllinen esittely yhtä paljon kuin kokeilu.

"Monin tavoin se, mitä teemme, ei ole tiedettä, se on teknologiaa", Aboobaker sanoi. "Enimmäkseen haluamme vain tietää, toimiiko se. Ja jos haluamme laajentaa sitä tulevaisuudessa, millaisia ​​asioita meidän pitäisi tehdä tehdäksemme sen?"

McMurdon asema Marsiin

Jos MOXIE onnistuu, se voi osoittaa, kuinka ISRU: n periaate voi toimia Marsissa. Sitten on suhteellisen helppoa skaalata projektia ja luoda täysimittainen versio, joka voisi tuottaa happea paljon suuremmalla nopeudella. Ja hyvä uutinen on, että suurempi versio olisi tehokkaampi ja voisi tuottaa huomattavan määrän happea vaatimatta liikaa tehoa.

Kun happi on lajiteltu, voisimme siirtyä muihin resursseihin, joita tarvitsemme Marsissa asuville ihmisille. Toinen tärkeimmistä resursseista, joita tarvitsemme tukikohdan perustamiseksi planeetalle, on vettä. Ei vain ihmisten juotavaksi, vaan myös siksi, että vesi (tai vety) ja hiilidioksidi voidaan yhdistää valtavaksi valikoimaksi hyödyllisiä kemikaaleja.

"Ajatuksena lyhyellä aikavälillä on, että haluamme tehdä tietyn määrän itsenäistä ISRU: ta tehdäksemme tehtävistämme toteutettavissa", Hecht sanoi. ”Kun meillä on tukikohta planeetalla, kuten McMurdon asema Etelämantereella tai kansainvälinen avaruusasema, voit ajatella paljon aggressiivisempia ISRU-tyyppejä, kuten jään louhintaa.

”Monet ihmiset ajattelevat, että meidän pitäisi louhia jäätä itsenäisesti. Mutta sanon ei, se ei ole vaivan arvoista. Jää on mineraali, mikä tarkoittaa, että sinun on etsittävä sitä, sinun täytyy kaivaa se esiin, sinun on puhdistettava se. On helpompi tuoda se. Jotain MOXIE: n kaltaista on kuitenkin mekaaninen puu. Se hengittää sisään hiilidioksidia ja hengittää ulos happea."

Verrattuna luonnonvarojen metsästämiseen kaivostoiminnalla, MOXIE on paljon yksinkertaisempi, Hecht väittää. "Sen ei tarvitse mennä minnekään, sen ei tarvitse etsiä mitään. Nämä ovat sellaisia ​​IRSU-menetelmiä, jotka ovat todella käytännöllisiä lyhyellä aikavälillä. Lykkäät loput, kunnes pinnalla on ihmisiä, jotka voivat tehdä monimutkaisempia tehtäviä."

Odottamaton marsilainen palkkio

Marsissa on runsaasti vesijäätä, mutta se sijaitsee napoilla, kun taas useimmat Mars-tehtävät haluavat keskittyä laskeutumiseen päiväntasaajalle, joka on kuin aavikko. Nykyiset konseptit tämän ongelman ratkaisemiseksi sisältävät ajatuksen globaalista jääkartoituksesta, jossa pienempien jäämäärien paikat voitaisiin kartoittaa tulevaa käyttöä varten.

Toinen vaihtoehto on ottaa vettä Marsin maaperän mineraaleista. "On mineraaleja, kuten kipsi ja Epsom-suolat, jotka ovat sulfaatteja ja houkuttelevat paljon vettä", Hecht selitti. "Joten voisit kaivaa ne esiin ja leipoa ne ja saada veden pois. Maasta voisi louhia vettä, jota on melko runsaasti."

Mutta Marsissa ei ole vain samanlaisia ​​materiaaleja kuin täällä maapallolla. Siinä on myös suuria määriä kemikaalia nimeltä perkloraatti (ClO4), joka on vaarallinen ihmisten terveydelle ja jota löytyy planeetaltamme vain pieniä määriä. Vaikka tämä aine on myrkyllinen, se voi olla erittäin hyödyllinen kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi, koska sitä käytetään esimerkiksi kiinteiden rakettien vahvistimissa, ilotulituksissa ja turvatyynyissä.

"Marsissa suurin osa maaperän kloorista osoittautuu perkloraattiksi", Hecht sanoi. "Se muodostaa lähes 1 % maaperästä. Ja siinä on valtava määrä energiaa. Kun vapautat happiatomeja ClO4:stä Cl: n valmistamiseksi, se vapauttaa valtavan määrän energiaa. Olen aina ajatellut, että se olisi loistava resurssi sadonkorjuuseen."

Ongelma tässä on, että nämä sovellukset ovat kaikki räjähdysherkkiä ja ClO4:n reaktion hallinta on haastavaa. On kuitenkin olemassa järjestelmä, jolla on mahdollisuus vapauttaa energiaa kevyesti käyttämällä a biologinen reaktori.

"Mikrobit voivat syödä tätä tavaraa ja tuottaa energiaa", Hecht selitti. ”Ja ihmiset ovat itse asiassa rakentaneet tällaisia ​​biologisia reaktoreita, jotka ovat bakteerisäiliöitä, jotka sulattavat jotakin ainetta ja ottavat siitä energiaa.

"Joten minulla on tämä visio biologisesta reaktorista mönkijän takana, ja astronautti astuu sisään ja ajaa ympäriinsä. Ja kun tehomittari laskee, he nousevat ulos ja alkavat lapioida maata takana olevaan suppiloon, ja mikrobit syövät maaperän ja tuottavat energiaa ja astronautti voi jatkaa ajamista. Se on hullu idea, mutta se on lemmikkien resurssien käyttökonseptini."

Tämä artikkeli on osa Elämä Marsissa — 10-osainen sarja, joka tutkii huipputiedettä 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
• Nesteytys: kuinka tulevat uudisasukkaat luovat ja keräävät vettä Marsiin
• Astromaatalous: Kuinka kasvatamme satoja Marsissa