Hogyan építsünk bázist lélegző levegővel a Marson

Bármennyire is félelmetes embert küldeni először egy másik bolygóra, odajutni csak a kihívás fele. A nagy probléma az, hogy az emberek hogyan tudnak létezni egy belélegzhetetlen légkörrel, kozmikus sugárzással és fagyos felszíni hőmérséklettel rendelkező bolygó felszínén több millió mérföldre otthonuktól.

Szerettük volna tudni, hogyan készítené fel egy idegen bolygót az emberi tartózkodásra, ezért két szakértővel, a Massachusetts Institute of the Massachusetts Institute of Technology-val beszélgettünk. Michael Hecht technológiai professzor és Asad Aboobaker, a NASA mérnöke, hogy megtudják, hogyan tarthatnak életben űrhajósokat egy ölni akaró bolygón őket.

Ez a cikk része Élet a Marson - egy 10 részes sorozat, amely azt a legmodernebb tudományt és technológiát tárja fel, amely lehetővé teszi az emberek számára, hogy elfoglalják a Marsot

A lehetőség ablaka

Lényeges időeltolódás van abban, hogy embereket küldjünk a vörös bolygóra. A Föld és a Mars keringési pályája miatt a legegyszerűbb módja annak, hogy az egyik bolygóról a másikra juthassunk egy ún. Hohmann transzfer pálya, amelyben egy vízi jármű fokozatosan kifelé spirálozott pályán mozog.

"Ez a bolygók forgási módjának köszönhető" - magyarázta Hecht. „A Föld a Mars pályáján belül van, és gyorsabban forog, mint a Mars, ezért néhányszor megkerüli. Egy Mars-év majdnem két földi év.”

„Tehát időzíteni kell az indítást. És minden Mars-évben van egy ablak – 26 havonta, a Mars-ellenállásnak nevezett időpontban, amikor a Mars közel van a Földhöz. Így 26 havonta lehetősége van arra, hogy ezen az optimális pályán űrhajót indítson a Marsra. Tehát a tervek szerint a Marsra először az infrastruktúrát küldjük, majd 26 hónappal később küldjük a legénységet.”

Az infrastruktúra küldése nem csak azt jelenti, hogy gondoskodni kell arról, hogy az űrhajósok levegőhöz jusson, és legyen ennivalójuk. Ez azt is jelenti, hogy erőművet, élőhelyet, rovereket és egy felszálló járművet kell küldeni és felépíteni, hogy az űrhajósok küldetésük befejeztével távozhassanak.

Miért olyan fontos az oxigén?

A Mars-bázis felállításának első nagy problémája az oxigéntermelés. Amikor arról hall, hogy oxigént termelnek a Marson, valószínűleg az emberiség legalapvetőbb szükséglete jut eszébe: levegőhöz jutni. És minden bizonnyal meg kell találnunk a módját, hogy lélegző atmoszférát hozzunk létre egy zárt Mars-élőhelyen. Ehhez azonban csak viszonylag kis mennyiségű oxigénre van szükség a nagy szükséglethez képest – az űrhajósokat a felszínről kilövő rakéta hajtóanyagához képest.

„Megpróbálunk rakétahajtóanyagot gyártani” – mondta Hecht. „Nem üzemanyagot próbálunk előállítani, hanem a kémiai reakciónak azt a részét, amelyre a Földön soha nem gondolunk.” Itt tovább Föld, amikor benzint éget el az autó motorjában, akkor az üzemanyag tömegének többszörösét használja fel oxigénben, hogy létrehozza ezt. reakció. Ugyanez a kandallóban való fahasábégetésnél.

Azonban „ha olyan helyre megy, ahol nincs szabad oxigén, akkor magával kell vinnie” – tette hozzá Hecht.

A modern rakéták folyékony oxigéntartályokkal rendelkeznek, amelyek ezt a hajtóanyagot biztosítják, és a rakéták tömegének jelentős részét indításkor teszik ki.

„Közel 30 metrikus tonna oxigénre lenne szükségünk a rakéta meghajtásához ahhoz, hogy ezeket az űrhajósokat a bolygóról pályára hozzuk” – mondta Hecht. „És ha magunkkal kell vinnünk azt a 30 metrikus tonna oxigént a Marsra, az egy évtizeddel vissza fogja tolni az egész küldetést. Sokkal egyszerűbb egy üres tartályt küldeni, és ott feltölteni oxigénnel.”

Kihasználva azt, ami elérhető

Ahhoz, hogy oxigént hozzon létre a Marson, Hecht és kollégái az in-situ erőforrás-felhasználás (ISRU) koncepción dolgoznak. Ez lényegében azt jelenti, hogy felhasználjuk azt, ami már a Marson van, hogy megteremtsük azt, amire szükségünk van.

Megépítették a MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilisation Experiment) nevű kísérletet, amelyet könnyedén vittek a Marsra a NASA Perseverance rover amely 2021 februárjában sikeresen landolt. A MOXIE tulajdonképpen egy potenciálisan sokkal nagyobb eszköz miniatűr változata, amely a marsi légkörben bőséges szén-dioxidot vesz fel, és oxigént termel.

Ez bonyolultnak tűnhet, de valójában az eszköz hasonlít valami jól ismert dologhoz itt a Földön. „A MOXIE nagyon hasonlít egy üzemanyagcellához” – mondta Hecht. „Majdnem azonos. Ha venne egy üzemanyagcellát, és felcserélné a bejövő két vezetéket, akkor elektrolizáló rendszere lenne. Ez azt jelenti, hogy ha ez egy üzemanyagcella lenne, akkor van egy üzemanyaga és egy oxidálószere, amelyek stabil molekulát alkotnak. Ha szén-monoxid lenne az üzemanyag és az oxigén, akkor szén-dioxid keletkezne. Kikapcsolod az áramot is.

„Ha fordítva működteted, akkor szén-dioxidot kell bevinned, és elektromos áramot. De kikerül a szén-monoxid és az oxigén. Így tudjuk, hogyan kell ezt csinálni.”

Ez az egyszerűnek tűnő ötlet azért radikális, mert olyan problémát old meg, amelyre az űrközösségen kívül aligha gondol: az oxigéntermelés. „Senki sem akar oxigént előállítani a Földön – erre nincs okunk” – mondta Hecht. „Mindenhol van belőle bőven. De rengeteg tudással rendelkezünk az üzemanyagcellák miatt.”

Hogyan építsünk oxigéngépet

Az oxigéngép létrehozásának kémiai elveinek megértése egy dolog, de egy olyan változat tervezése és gyártása, amely alkalmas egy roverbe, egy másik dolog. Aboobaker, a NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) MOXIE hőmérnöke, aki részt vett a MOXIE-ban a projektet a fejlesztés során, elmagyarázta, hogyan épült fel a kísérlet, és néhány kihívást a JPL csapatnak kellett teljesítenie megbirkózni.

„A fő erőforrás-korlátunk a tömeg és a kis munkaterület mellett az energia volt” – mondta. „A rovernek van egy radioizotópos termoelektromos generátora, amely nukleáris energiaforrás. Tehát az emberek azt hiszik, hogy a rover atommeghajtású, de nem az. Akkumulátorról működik, nukleáris csepegtető töltővel."

Ez azt jelenti, hogy a kutatóknak rendkívül óvatosnak kell lenniük az energiafogyasztással, hogy ne merítsék le az akkumulátort. A teljes Perseverance rover mindössze 110 watton működik, ami egy kicsivel több, mint egy fényes izzó.

Egy olyan kísérlet viszont, mint a MOXIE, csak kis mennyiségű energiát tud használni. "Tehát ez korlátozza, hogy mennyi fűtőteljesítményt használhatunk fel a fűtésre, mekkora teljesítményt tud felvenni a kompresszor - amely a gázt a rendszerbe fújja - és mennyi ideig működhetünk" - mondta Aboobaker.

Ezért olyan kicsi a MOXIE Perseverance-en utazó verziója, pedig a rendszer ugyanolyan jól, vagy akár jobban is működne nagyobb léptékben.

Csak azt szeretnénk tudni, hogy működik-e

A berendezés tervezése azonban csak a kísérlet egyik oldala – a másik oldal annak ellenőrzése, hogy valóban működik-e a Marson. Még egy olyan koncepció mellett is, amely szilárdan működik itt a Földön, nem várt következményei lehetnek az idegen környezeteknek, a vékony légkör, amely befolyásolja a hőátadást, a csapágyak nem várt módon kopnak az alacsonyabb gravitáció miatt és ismeretlen por. Ezért a JPL mérnökei hamarosan adatokat gyűjtenek a MOXIE-tól, hogy megnézzék, hogyan boldogul egy igazi marsi környezetben.

„A MOXIE sok szempontból nem igazán veszi figyelembe a tudományos adatokat” – mondta Aboobaker. A kőzetminták elemzésére használt tudományos eszközökhöz, például teleszkópokhoz vagy spektrométerekhez képest a MOXIE-ból gyűjtött adatok viszonylag egyszerűek. „Amink van, szinte olyan, mint a mérnöki telemetriai adatok. Feszültségeket, áramokat és hőmérsékleteket mérünk, ilyesmi. Ezek a mi adataink, és az adatmennyiség valójában meglehetősen kicsi. Szinte egy hajlékonylemezre is elférne."

Ez azt jelenti, hogy a csapat néhány napon belül nagyon gyors visszajelzést kaphat arról, hogy a rendszer megfelelően működik-e. Más Perseverance műszerekkel ellentétben, amelyeknél az adatelemzés heteket, hónapokat vagy akár éveket vesz igénybe, a MOXIE gyakorlati bemutató éppúgy, mint kísérlet.

„Amit mi csinálunk, sok szempontból nem tudomány, hanem technológia” – mondta Aboobaker. „Leginkább csak azt szeretnénk tudni, hogy működik-e. És ha a jövőben növelni akarjuk, milyen dolgokat kell tennünk ennek érdekében?”

McMurdo állomás a Mars számára

Ha a MOXIE sikeres, bemutathatja, hogyan működik az ISRU elve a Marson. Ezután viszonylag egyszerű felnagyítani a projektet, és létrehozni egy teljes körű változatot, amely sokkal nagyobb sebességgel képes oxigént termelni. A jó hír pedig az, hogy egy nagyobb változat hatékonyabb lenne, és jelentős mennyiségű oxigént termelne anélkül, hogy túl sok energiát igényelne.

Az oxigén szétválogatásával áttérhetünk másfajta erőforrásokra, amelyekre a Marson élő embereknek szükségünk van. A másik legfontosabb erőforrás, amelyre szükségünk lenne egy bázis létrehozásához a bolygón víz. Nemcsak azért, hogy az ember igya, hanem azért is, mert a víz (vagy hidrogén) és a szén-dioxid nagyon sokféle hasznos vegyi anyaggá kombinálható.

"Az ötlet rövid távon az, hogy bizonyos mennyiségű autonóm ISRU-t szeretnénk megvalósítani, hogy megvalósíthatóvá tegyük küldetéseinket" - mondta Hecht. „Ha egyszer lesz egy bázisunk a bolygón, mint például a McMurdo állomás az Antarktiszon vagy a Nemzetközi Űrállomás, akkor sokkal agresszívebb ISRU típusokon gondolkodhatunk, mint például a jégbányászat.

„Sokan úgy gondolják, hogy önállóan kellene jeget bányásznunk. De azt mondom, hogy nem, nem éri meg a fáradságot. A jég ásvány, vagyis keresni kell, ki kell ásni, meg kell tisztítani. Egyszerűbb lesz elhozni. A MOXIE-hoz hasonló valami azonban egy mechanikus fa. Belélegzi a szén-dioxidot és kilélegzi az oxigént.

Az erőforrások bányászattal történő levadászásához képest a MOXIE sokkal egyszerűbb, érvel Hecht. „Nem kell sehova mennie, nem kell keresnie semmit. Ezek azok az IRSU módszerek, amelyek rövid távon igazán praktikusak. Addig halasztja a többit, amíg nem találnak olyan embereket a felszínen, akik bonyolultabb feladatokat is el tudnak végezni."

Váratlan marsi jutalom

A Marsnak van bőven vízjege, de az a sarkokon helyezkedik el, míg a legtöbb Mars-misszió az Egyenlítőnél való leszállásra kíván koncentrálni, ami olyan, mint egy sivatag. A probléma megoldására szolgáló jelenlegi koncepciók közé tartozik a globális jégtérképezés ötlete, ahol kisebb mennyiségű jég helyét fel lehetne térképezni jövőbeli felhasználás céljából.

Egy másik lehetőség, hogy vizet vonnak ki a marsi talajban lévő ásványokból. "Vannak olyan ásványi anyagok, mint a gipsz és az Epsom-sók, amelyek szulfátok, és sok vizet vonzanak" - magyarázta Hecht. – Szóval kiáshatnád őket, megsüthetnéd, és kiengedhetnéd a vizet. A talajból bányászhatna vizet, ami elég bőséges.

De a Mars nem csak hasonló anyagokkal rendelkezik, mint a Földön. Nagy mennyiségben tartalmaz perklorát (ClO4) nevű vegyszert is, amely veszélyes az emberi egészségre, és csak kis mennyiségben található meg bolygónkon. Annak ellenére, hogy mérgező, ez az anyag rendkívül hasznos lehet kémiai tulajdonságai miatt, mivel olyan dolgokban használják, mint szilárd rakétaerősítők, tűzijátékok és légzsákok.

„A Marson a talajban lévő klór nagy része perklorátnak bizonyul” – mondta Hecht. „A talaj közel 1%-át teszi ki. És óriási mennyiségű energiája van. Ha oxigénatomokat szabadít fel a ClO4-ből, hogy Cl-t képezzen, az óriási mennyiségű energiát szabadít fel. Mindig is úgy gondoltam, hogy ez nagyszerű forrás lesz a betakarításhoz.”

Ezzel az a probléma, hogy ezek az alkalmazások mind robbanásveszélyesek, és a ClO4 reakciójának szabályozása kihívást jelent. Létezik azonban egy olyan rendszer, amely képes az energiát finoman felszabadítani, a biológiai reaktor.

„A mikrobák megehetik ezt az anyagot, és energiát termelnek” – magyarázta Hecht. „És az emberek valójában építettek ilyen típusú biológiai reaktorokat, amelyek baktériumok tartályai, amelyek megemésztenek bizonyos anyagokat, és energiát vonnak ki belőle.

– Szóval van egy látomásom egy biológiai reaktorról egy rover hátuljában, és az űrhajós beszáll és körbevezet. És amikor a teljesítménymérő lecsökken, kiszállnak, és elkezdenek talajt lapátolni egy hátsó garatba, a mikrobák pedig felfalják a talajt, energiát termelnek, és az űrhajós folytathatja a vezetést. Ez egy őrült ötlet, de ez az én kisállat erőforrás-felhasználási koncepcióm.”

Ez a cikk része Élet a Marson - egy 10 részes sorozat, amely azt a legmodernebb tudományt és technológiát tárja fel, amely lehetővé teszi az emberek számára, hogy elfoglalják a Marsot.

Szerkesztői ajánlások

• Kozmológiai ingázás: Az emberek Marsra helyezésének trükkös logisztikája
• A meghajtás tökéletesítése: Hogyan juttatjuk el az embereket a Marsra
• Homokból készült kastélyok: Hogyan készítsünk élőhelyeket marsi talajból
• Hidratáció begyűjtése: Hogyan teremtenek és gyűjtenek vizet a leendő telepesek a Marson
• Asztromezőgazdaság: Hogyan termesztünk majd növényeket a Marson