Koliko god zastrašujuće bilo poslati ljude na drugi planet po prvi put, stići tamo samo je pola izazova. Veliki je problem kako ljudi mogu postojati na površini planeta s atmosferom koja se ne može disati, kozmičkim zračenjem i niskim površinskim temperaturama milijunima milja od kuće.
Sadržaj
- Prozor mogućnosti
- Zašto je kisik tako važan
- Iskorištavanje onoga što je dostupno
- Kako napraviti stroj za kisik
- Samo želimo znati radi li
- Stanica McMurdo za Mars
- Neočekivana marsovska nagrada
Htjeli smo znati kako biste pripremili vanzemaljsku planetu za ljudsko stanovanje, pa smo razgovarali s dva stručnjaka s Instituta Massachusetts Profesor tehnologije Michael Hecht i NASA-in inženjer Asad Aboobaker, kako bi saznali kako održati astronaute na životu na planetu koji želi ubijati ih.
Preporučeni videozapisi
Ovaj je članak dio Život na Marsu — serija od 10 dijelova koja istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da okupiraju Mars
Prozor mogućnosti
Postoji bitan vremenski odmak u slanju ljudi na crveni planet. Zbog orbita Zemlje i Marsa, najlakši način da dođete s jednog planeta na drugi je pomoću putanje zvane
Hohmannova prijenosna orbita, u kojem se letjelica kreće u orbiti koja se postupno spiralno okreće prema van."To je zbog načina na koji planeti rotiraju", objasnio je Hecht. “Zemlja je unutar Marsove orbite i okreće se brže od Marsa, pa ga obiđe nekoliko puta. Marsova godina je skoro dvije zemaljske godine.”
“Dakle, morate tempirati lansiranje. A tu je i prozor svake Marsove godine - svakih 26 mjeseci, u vrijeme koje se naziva Marsova opozicija kada je Mars blizu Zemlje. Dakle, svakih 26 mjeseci imate priliku lansirati letjelicu na Mars u ovoj optimalnoj orbiti. … Dakle, planovi za Mars su prvo poslati infrastrukturu, a zatim ćemo 26 mjeseci kasnije poslati posadu.”
"Svakih 26 mjeseci imate priliku lansirati svemirsku letjelicu na Mars u ovoj optimalnoj orbiti."
Slanje infrastrukture ne znači samo osigurati da astronauti imaju zraka za disanje i hrane za jelo. To također znači slanje i izgradnju elektrane, staništa, rovera i vozila za uspon kako bi se omogućilo astronautima da odu nakon što njihova misija završi.
Zašto je kisik tako važan
Prvo veliko pitanje koje treba riješiti pri postavljanju baze na Marsu je proizvodnja kisika. Kad čujete za proizvodnju kisika na Marsu, vjerojatno pomislite na najosnovniju ljudsku potrebu: imati zrak za disanje. I svakako, moramo pronaći način za stvaranje atmosfere prozračne u ograničenom Marsovom staništu. Ali za to je potrebna samo relativno mala količina kisika u usporedbi s velikom potražnjom — onom za pogonsko gorivo za raketu koja će lansirati astronaute s površine.
"Pokušavamo napraviti raketno gorivo", rekao je Hecht. "Mi ne pokušavamo napraviti gorivo, mi pokušavamo napraviti dio kemijske reakcije o kojem na Zemlji nikada ne razmišljamo." Ovdje na Zemljo, kada sagorijevate benzin u motoru vašeg automobila, trošite kisik nekoliko puta vrijedan težine goriva da biste stvorili taj reakcija. Isto je i sa spaljivanjem cjepanice u kaminu.
Međutim, "ako idete negdje gdje nema besplatnog kisika, morate ga ponijeti sa sobom", dodao je Hecht.
Moderne rakete imaju spremnike tekućeg kisika koji osiguravaju ovo pogonsko gorivo, a oni čine značajan dio težine pri lansiranju.
"Trebalo bi nam blizu 30 metričkih tona kisika za pokretanje te rakete koja bi te astronaute odvela s planeta u orbitu", rekao je Hecht. “A ako budemo morali ponijeti tih 30 metričkih tona kisika sa sobom na Mars, to će cijelu misiju vratiti desetljeće unazad. Mnogo je lakše poslati prazan spremnik i tamo ga napuniti kisikom."
Iskorištavanje onoga što je dostupno
Kako bi stvorili kisik na Marsu, Hecht i njegovi kolege rade na konceptu zvanom In-situ resource utilization (ISRU). U biti, to znači iskoristiti ono što je već na Marsu kako bismo stvorili ono što nam je potrebno.
Napravili su eksperiment nazvan MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), koji je ručno prenesen na Mars zajedno s NASA-in rover Perseverance koji je uspješno sletio u veljači 2021. MOXIE je zapravo minijaturna verzija potencijalno mnogo većeg uređaja koji uzima ugljični dioksid, kojeg ima u izobilju u atmosferi Marsa, i proizvodi kisik.
To bi moglo zvučati komplicirano, ali zapravo je uređaj sličan nečem dobro poznatom ovdje na Zemlji. "MOXIE je vrlo sličan gorivnoj ćeliji", rekao je Hecht. “Gotovo je identičan. Kad biste uzeli gorivu ćeliju i okrenuli dvije žice koje ulaze, imali biste sustav elektrolize. To znači da bi ovo bila goriva ćelija, imali biste gorivo i oksidans koji su stabilna molekula. Da je ugljični monoksid kao gorivo i kisik, napravio bi ugljični dioksid. Također dobivate struju.
“Ako ga pokrenete unatrag, morate unijeti ugljični dioksid i morate staviti struju. Ali izlazite ugljični monoksid i kisik. Ovako znamo kako to učiniti.”
To uzima ugljični dioksid, kojeg ima u izobilju u atmosferi Marsa, i proizvodi kisik.
Ova naizgled jednostavna ideja je radikalna jer se bavi problemom koji rijetko tko izvan svemirske zajednice smatra problemom: proizvodnja kisika. "Nitko ne želi proizvoditi kisik na Zemlji - nemamo razloga za to", rekao je Hecht. “Imamo ga posvuda u izobilju. Ali imamo puno znanja zahvaljujući gorivim ćelijama.”
Kako napraviti stroj za kisik
Razumijevanje kemijskih principa stvaranja stroja za kisik je jedna stvar, ali projektiranje i izgradnja verzije koja može stati u rover je druga stvar. Aboobaker, toplinski inženjer za MOXIE u NASA-inom Laboratoriju za mlazni pogon (JPL) koji je bio uključen u MOXIE projekta tijekom njegovog razvoja, objasnio je kako je eksperiment izgrađen i neke od izazova s kojima se JPL tim susreo uhvatiti se u koštac.
"Glavno ograničenje resursa koje smo imali, osim mase i malog prostora za rad, bila je energija", rekao je. “Rover ima radioizotopski termoelektrični generator, koji je nuklearni izvor energije. Ljudi misle da je rover na nuklearni pogon, ali nije. Napaja se baterijom, s nuklearnim punjačem.”
To znači da istraživači moraju biti izuzetno oprezni s količinom energije koju koriste kako ne bi ispraznili bateriju. Cijeli Perseverance rover radi sa samo 110 vata, što je samo malo više od jake žarulje.
Zauzvrat, eksperiment poput MOXIE može koristiti samo malu količinu energije. "Dakle, to je postavilo ograničenje koliko snage grijača možemo koristiti za zagrijavanje, koliko snage kompresor - koji upuhuje plin u sustav - može primiti i koliko dugo možemo raditi", rekao je Aboobaker.
Zato je verzija MOXIE koja putuje na Perseveranceu tako mala, iako bi sustav radio jednako dobro ili čak bolje u većem opsegu.
Samo želimo znati radi li
No, projektiranje opreme samo je jedna strana eksperimenta - druga strana provjerava radi li ona doista na Marsu. Čak i uz koncept koji solidno funkcionira ovdje na Zemlji, može doći do neočekivanih posljedica vanzemaljskog okruženja, od tanka atmosfera koja utječe na prijenos topline, na ležajeve koji se troše na neočekivane načine zbog manje gravitacije i nepoznatih prah. Zato će inženjeri JPL-a uskoro prikupljati podatke od MOXIE-a kako bi vidjeli kako se ponaša u stvarnom marsovskom okruženju.
"Na puno načina MOXIE zapravo ne uzima znanstvene podatke", rekao je Aboobaker. U usporedbi sa znanstvenim instrumentima poput teleskopa ili spektrometara, koji se koriste za analizu uzoraka stijena, podaci prikupljeni s MOXIE relativno su jednostavni. “Ono što imamo je gotovo kao inženjerski telemetrijski podatak. Mjerimo napone, struje i temperature, takve stvari. To su naši podaci, a količina podataka zapravo je prilično mala. Gotovo da bi ga mogao stati na disketu.”
To znači da tim može dobiti vrlo brzu povratnu informaciju o tome radi li sustav kako je predviđeno — unutar nekoliko dana. Za razliku od drugih Perseverance instrumenata, za koje analiza podataka traje tjednima, mjesecima ili čak godinama, MOXIE je praktična demonstracija koliko i eksperiment.
“Količina podataka zapravo je prilično mala. Gotovo da bi ga mogao stati na disketu”
"Na mnogo načina, ono što radimo nije znanost, to je tehnologija", rekao je Aboobaker. “Uglavnom, samo želimo znati djeluje li. I, ako bismo to željeli povećati u budućnosti, koje bismo vrste stvari trebali učiniti da to učinimo?"
Stanica McMurdo za Mars
Ako MOXIE bude uspješan, može pokazati kako princip ISRU može funkcionirati na Marsu. Zatim je relativno jednostavno proširiti projekt i stvoriti verziju punog opsega koja bi mogla proizvoditi kisik puno višom brzinom. A dobra vijest je da bi veća verzija bila učinkovitija i mogla proizvesti značajnu količinu kisika bez potrebe za previše energije.
S razvrstanim kisikom mogli bismo prijeći na druge vrste resursa koje bismo trebali za ljude koji žive na Marsu. Još jedan od najvažnijih resursa koji bi nam bili potrebni za uspostavljanje baze na planetu je voda. Ne samo da bi ljudi mogli piti, već i zato što se voda (ili vodik) i ugljični dioksid mogu spojiti u veliki izbor korisnih kemikalija.
Ludi inženjering: Stvaranje kisika na Marsu uz MOXIE
"Kratkoročna ideja je da želimo napraviti određenu količinu autonomnog ISRU-a kako bi naše misije bile izvedive", rekao je Hecht. “Jednom kad budemo imali bazu na planetu, poput postaje McMurdo na Antarktici ili poput Međunarodne svemirske postaje, tada možete razmišljati o puno agresivnijim vrstama ISRU-a, poput rudarskog leda.
“Mnogi ljudi smatraju da bismo trebali autonomno rudariti led. Ali ja kažem ne, nije vrijedno truda. Led je mineral, što znači da ga morate tražiti, morate ga iskopati, morate ga pročišćavati. Bit će lakše samo ga donijeti. Međutim, nešto poput MOXIE je mehaničko stablo. Udiše ugljični dioksid i izdiše kisik.”
U usporedbi s lovom na resurse putem rudarenja, MOXIE je puno jednostavniji, tvrdi Hecht. “Ne mora nikamo ići, ne mora ništa tražiti. To su vrste IRSU metoda koje su stvarno praktične u kratkom roku. Ostatak odgađate dok na površini ne budete imali ljude koji mogu obavljati kompliciranije zadatke.”
Neočekivana marsovska nagrada
Mars ima dosta vodenog leda, ali se nalazi na polovima, dok se većina misija na Mars želi usredotočiti na slijetanje na ekvator, koji je poput pustinje. Trenutačni koncepti za rješavanje ovog problema uključuju ideju globalnog mapiranja leda, gdje se lokacije manjih količina leda mogu mapirati za buduću upotrebu.
Druga mogućnost je izvlačenje vode iz minerala u Marsovom tlu. "Postoje minerali poput gipsa i Epsom soli koji su sulfati i privlače puno vode", objasnio je Hecht. “Da biste ih mogli iskopati i ispeći i izvaditi vodu. Mogli biste iskopati tlo za vodu, koje ima prilično u izobilju.”
"Kada otpustite atome kisika iz ClO4 da biste napravili Cl, oslobađa se ogromna količina energije"
Ali Mars nema samo materijale slične onima koje nalazimo ovdje na Zemlji. Također sadrži velike količine kemikalije koja se zove perklorat (ClO4), koja je opasna za ljudsko zdravlje i nalazi se samo u malim količinama na našem planetu. Unatoč tome što je otrovna, ova bi tvar mogla biti iznimno korisna zbog svojih kemijskih svojstava, jer se koristi u stvarima poput raketnih pojačivača na čvrsto gorivo, vatrometa i zračnih jastuka.
"Na Marsu se pokazalo da je većina klora u tlu perklorat", rekao je Hecht. “Čini gotovo 1% tla. I ima ogromnu količinu energije. Kada otpustite atome kisika iz ClO4 da biste napravili Cl, oslobađa se ogromna količina energije. Uvijek sam mislio da bi to bio izvrstan izvor za žetvu.”
Problem je u tome što su sve ove primjene eksplozivne, a kontroliranje reakcije ClO4 je izazovno. Međutim, postoji sustav koji ima potencijal za lagano oslobađanje energije, koristeći a biološki reaktor.
"Mikrobi mogu jesti ove stvari i proizvoditi energiju", objasnio je Hecht. “I ljudi su zapravo izgradili te vrste bioloških reaktora, koji su spremnici bakterija koje probavljaju neku tvar i iz nje izvlače energiju.
“Imam viziju biološkog reaktora u stražnjem dijelu rovera, a astronaut ulazi i vozi se okolo. A kad mjerač snage padne, oni izađu i počnu lopaticom bacati tlo u spremnik straga, a mikrobi jedu tlo i stvaraju energiju, a astronaut može nastaviti voziti. To je luda ideja, ali to je moj ljubimac koncept korištenja resursa.”
Ovaj je članak dio Život na Marsu — serija od 10 dijelova koja istražuje vrhunsku znanost i tehnologiju koja će omogućiti ljudima da zaposjednu Mars.
Preporuke urednika
- Kozmološko putovanje na posao: Zamršena logistika slanja ljudi na Mars
- Usavršavanje pogona: Kako ćemo odvesti ljude na Mars
- Dvorci od pijeska: Kako ćemo napraviti staništa s Marsovim tlom
- Žetva hidratacije: Kako će budući doseljenici stvarati i skupljati vodu na Marsu
- Astropoljoprivreda: Kako ćemo uzgajati usjeve na Marsu
