Bagaimana Kami Akan Membangun Pangkalan Dengan Udara Bernapas Di Mars

Sama menakutkannya dengan mengirim manusia ke planet lain untuk pertama kalinya, mencapainya hanya setengah dari tantangannya. Masalah besarnya adalah bagaimana manusia bisa ada di permukaan planet dengan atmosfer yang tidak dapat dihirup, radiasi kosmik, dan suhu permukaan yang membekukan jutaan mil dari rumah.

Kami ingin tahu bagaimana Anda mempersiapkan planet asing untuk tempat tinggal manusia, jadi kami berbicara dengan dua ahli, Massachusetts Institute of Profesor teknologi Michael Hecht dan insinyur NASA Asad Aboobaker, untuk mencari tahu cara menjaga astronot tetap hidup di planet yang ingin membunuh mereka.

Artikel ini adalah bagian dari Kehidupan di Mars — seri 10 bagian yang mengeksplorasi sains dan teknologi mutakhir yang memungkinkan manusia menduduki Mars

Jendela kesempatan

Ada jeda waktu yang penting dalam mengirim orang ke planet merah. Karena orbit Bumi dan Mars, cara termudah untuk berpindah dari satu planet ke planet lainnya adalah dengan menggunakan lintasan yang disebut a Orbit transfer Hohmann, di mana sebuah pesawat bergerak dalam orbit yang secara bertahap berputar ke luar.

“Ini karena cara planet berputar,” jelas Hecht. “Bumi berada di dalam orbit Mars, dan berputar lebih cepat dari Mars, jadi ia memutarnya beberapa kali. Satu tahun Mars hampir dua tahun Bumi.”

“Jadi, Anda harus mengatur waktu peluncurannya. Dan ada jendela setiap tahun Mars — setiap 26 bulan, pada waktu yang disebut oposisi Mars saat Mars dekat dengan Bumi. Jadi setiap 26 bulan, Anda memiliki kesempatan untuk meluncurkan pesawat ruang angkasa ke Mars di orbit yang optimal ini. … Jadi rencana ke Mars adalah mengirim infrastruktur terlebih dahulu, lalu 26 bulan kemudian kami akan mengirim awaknya.

Mengirim infrastruktur tidak hanya berarti memastikan ada udara untuk dihirup para astronot dan makanan untuk mereka makan. Itu juga berarti mengirim dan membangun pembangkit listrik, habitat, penjelajah, dan kendaraan pendakian untuk memungkinkan para astronot pergi setelah misi mereka selesai.

Mengapa oksigen sangat penting

Masalah besar pertama yang harus diatasi dalam mendirikan pangkalan Mars adalah produksi oksigen. Ketika Anda mendengar tentang memproduksi oksigen di Mars, Anda mungkin memikirkan kebutuhan manusia yang paling dasar: Memiliki udara untuk bernafas. Dan tentu saja, kita perlu menemukan cara untuk menghasilkan atmosfer yang dapat bernapas di habitat Mars yang terkandung. Tapi ini hanya membutuhkan oksigen dalam jumlah yang relatif kecil dibandingkan dengan permintaan besar — ​​propelan untuk roket yang akan meluncurkan astronot dari permukaan.

“Kami mencoba membuat propelan roket,” kata Hecht. "Kami tidak mencoba membuat bahan bakar, kami mencoba membuat bagian dari reaksi kimia yang tidak pernah kami pikirkan di Bumi." Di sini Bumi, saat Anda membakar bensin di mesin mobil Anda, Anda menggunakan berat bahan bakar dalam oksigen beberapa kali lipat untuk membuatnya reaksi. Sama halnya dengan membakar batang kayu di perapian.

Namun, "jika Anda pergi ke suatu tempat tidak ada oksigen gratis, Anda harus membawanya," tambah Hecht.

Roket modern memiliki tangki oksigen cair yang menyediakan propelan ini, dan beratnya cukup besar saat diluncurkan.

“Kita akan membutuhkan hampir 30 metrik ton oksigen untuk menggerakkan roket itu guna membawa para astronot itu keluar dari planet ini dan menuju orbit,” kata Hecht. “Dan jika kita harus membawa 30 metrik ton oksigen itu ke Mars, itu akan mendorong seluruh misi satu dekade ke belakang. Jauh lebih mudah mengirim tangki kosong dan mengisinya dengan oksigen di sana.”

Memanfaatkan apa yang tersedia

Untuk menciptakan oksigen di Mars, Hecht dan rekannya sedang mengerjakan konsep yang disebut pemanfaatan sumber daya in-situ (ISRU). Intinya, itu berarti memanfaatkan apa yang sudah ada di Mars untuk menciptakan apa yang kita butuhkan.

Mereka telah membangun eksperimen yang disebut MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), yang dengan mudah dibawa ke Mars bersama dengan Penjelajah Ketekunan NASA yang berhasil mendarat pada Februari 2021. MOXIE secara efektif adalah versi miniatur dari perangkat yang berpotensi jauh lebih besar yang menyerap karbon dioksida, yang berlimpah di atmosfer Mars, dan menghasilkan oksigen.

Itu mungkin terdengar rumit, tetapi sebenarnya perangkat itu mirip dengan sesuatu yang terkenal di Bumi. “MOXIE sangat mirip dengan sel bahan bakar,” kata Hecht. “Ini hampir identik. Jika Anda mengambil sel bahan bakar dan membalikkan kedua kabel yang masuk, Anda akan memiliki sistem elektrolisis. Itu berarti jika ini adalah sel bahan bakar, Anda akan memiliki bahan bakar dan pengoksidasi yang menghasilkan molekul yang stabil. Jika itu karbon monoksida sebagai bahan bakar dan oksigen, itu akan menghasilkan karbon dioksida. Anda juga keluar listrik.

“Jika Anda menjalankannya secara terbalik, Anda harus memasukkan karbon dioksida, dan Anda harus memasukkan listrik. Tapi Anda mengeluarkan karbon monoksida dan oksigen. Inilah cara kami mengetahui cara melakukan ini.”

Ide yang tampaknya sederhana ini radikal karena menangani masalah yang hampir tidak dianggap oleh siapa pun di luar komunitas luar angkasa sebagai masalah: Memproduksi oksigen. “Tidak ada yang ingin membuat oksigen di Bumi – kami tidak punya alasan untuk itu,” kata Hecht. “Kami punya banyak di mana-mana. Tapi kami memiliki banyak pengetahuan karena sel bahan bakar.”

Cara membuat mesin oksigen

Memahami prinsip-prinsip kimia untuk membuat mesin oksigen adalah satu hal, tetapi merancang dan membangun versi yang dapat masuk ke dalam penjelajah adalah hal lain. Aboobaker, seorang insinyur termal untuk MOXIE di Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA yang telah terlibat dalam MOXIE proyek selama pengembangannya, menjelaskan bagaimana percobaan dibangun dan beberapa tantangan yang harus dihadapi tim JPL menangani.

“Kendala sumber daya utama yang kami miliki, selain massa dan ruang kecil untuk bekerja, adalah energi,” katanya. “Penjelajah memiliki generator termoelektrik radioisotop, yang merupakan sumber tenaga nuklir. Jadi orang mengira rover itu bertenaga nuklir, padahal tidak. Bertenaga baterai, dengan pengisi daya nuklir.”

Itu berarti para peneliti harus sangat berhati-hati dengan berapa banyak daya yang mereka gunakan agar tidak menguras baterai. Seluruh penjelajah Perseverance bekerja hanya dengan 110 watt, yang hanya sedikit lebih banyak dari bola lampu yang terang.

Pada gilirannya, percobaan seperti MOXIE hanya dapat menggunakan sedikit daya. “Sehingga menetapkan batas berapa banyak daya pemanas yang dapat kita gunakan untuk memanaskannya, berapa banyak daya yang dapat ditarik oleh kompresor – yang meniupkan gas ke dalam sistem, dan berapa lama kita dapat menjalankannya,” kata Aboobaker.

Itu sebabnya versi MOXIE bepergian dengan Ketekunan sangat kecil, meskipun sistemnya akan bekerja dengan baik atau bahkan lebih baik pada skala yang lebih besar.

Kami hanya ingin tahu apakah itu berhasil

Tetapi merancang peralatan hanyalah satu sisi dari percobaan — sisi lain sedang memeriksa apakah itu benar-benar berfungsi di Mars. Bahkan dengan konsep yang bekerja dengan kokoh di Bumi, mungkin ada konsekuensi tak terduga dari lingkungan asing, dari atmosfer tipis mempengaruhi bagaimana panas dipindahkan, ke bantalan yang aus dengan cara yang tidak terduga karena gravitasi yang lebih rendah dan tidak biasa debu. Itulah mengapa para insinyur JPL akan segera mengumpulkan data dari MOXIE untuk melihat bagaimana kinerjanya di lingkungan Mars yang sebenarnya.

“Dalam banyak hal, MOXIE tidak benar-benar mengambil data sains,” kata Aboobaker. Dibandingkan dengan instrumen sains seperti teleskop atau spektrometer, yang digunakan untuk menganalisis sampel batuan, data yang dikumpulkan dari MOXIE relatif sederhana. “Apa yang kami miliki hampir seperti data telemetri teknik. Kami mengukur tegangan dan arus dan suhu, hal-hal seperti itu. Itu data kami, dan volume data sebenarnya cukup kecil. Anda hampir bisa memasukkannya ke dalam floppy disk.”

Artinya, tim bisa mendapatkan umpan balik yang sangat cepat tentang apakah sistem berfungsi sebagaimana mestinya — dalam beberapa hari. Tidak seperti instrumen Ketekunan lainnya, yang analisis datanya memakan waktu berminggu-minggu, berbulan-bulan, atau bahkan bertahun-tahun, MOXIE adalah demonstrasi praktis sekaligus eksperimen.

“Dalam banyak hal, yang kami lakukan bukanlah sains, melainkan teknologi,” kata Aboobaker. “Sebagian besar, kami hanya ingin tahu apakah itu berhasil. Dan, jika kami ingin meningkatkannya di masa mendatang, hal-hal apa saja yang perlu kami lakukan untuk melakukannya?”

Stasiun McMurdo untuk Mars

Jika MOXIE berhasil, itu dapat menunjukkan bagaimana prinsip ISRU dapat bekerja di Mars. Maka relatif mudah untuk meningkatkan skala proyek dan membuat versi skala penuh yang dapat menghasilkan oksigen pada tingkat yang jauh lebih tinggi. Dan kabar baiknya adalah versi yang lebih besar akan lebih efisien dan dapat menghasilkan oksigen dalam jumlah yang cukup banyak tanpa memerlukan terlalu banyak tenaga.

Dengan penyortiran oksigen, kami dapat beralih ke jenis sumber daya lain yang kami perlukan untuk manusia yang hidup di Mars. Sumber daya terpenting lainnya yang kita perlukan untuk mendirikan pangkalan di planet ini adalah air. Tidak hanya untuk diminum manusia, tetapi juga karena air (atau hidrogen) dan karbon dioksida dapat digabungkan menjadi berbagai macam bahan kimia yang berguna.

“Gagasannya dalam jangka pendek adalah kami ingin melakukan ISRU otonom dalam jumlah tertentu agar misi kami dapat dilakukan,” kata Hecht. “Begitu kita memiliki pangkalan di planet ini, seperti Stasiun McMurdo di Antartika atau seperti Stasiun Luar Angkasa Internasional, Anda dapat memikirkan jenis ISRU yang jauh lebih agresif, seperti menambang es.

“Banyak orang merasa kita harus menambang es secara mandiri. Tapi saya katakan tidak, itu tidak sepadan dengan usaha. Es adalah mineral, artinya Anda harus mencarinya, Anda harus menggalinya, Anda harus memurnikannya. Akan lebih mudah untuk membawanya saja. Sesuatu seperti MOXIE, bagaimanapun, adalah pohon mekanik. Ia menghirup karbon dioksida dan menghembuskan oksigen.”

Dibandingkan memburu sumber daya melalui penambangan, MOXIE jauh lebih sederhana, kata Hecht. “Tidak perlu kemana-mana, tidak perlu mencari apa-apa. Itulah macam-macam metode IRSU yang sangat praktis dalam jangka pendek. Anda menunda sisanya sampai ada orang di permukaan yang dapat melakukan tugas yang lebih rumit.”

Karunia Mars yang tak terduga

Mars memang memiliki banyak es air, tetapi terletak di kutub, sementara sebagian besar misi Mars ingin fokus mendarat di garis khatulistiwa yang seperti gurun. Konsep saat ini untuk mengatasi masalah ini mencakup gagasan pemetaan es global, di mana lokasi dengan jumlah es yang lebih kecil dapat dipetakan untuk digunakan di masa mendatang.

Pilihan lainnya adalah mengekstraksi air dari mineral di tanah Mars. “Ada mineral seperti gipsum dan garam Epsom yang merupakan sulfat dan menarik banyak air,” jelas Hecht. “Jadi Anda bisa menggalinya dan memanggangnya dan mengeluarkan airnya. Anda bisa menambang tanah untuk mendapatkan air, yang jumlahnya cukup banyak.”

Tapi Mars tidak hanya memiliki bahan yang mirip dengan yang kita temukan di Bumi. Ia juga memiliki bahan kimia dalam jumlah besar yang disebut perklorat (ClO4), yang berbahaya bagi kesehatan manusia dan hanya ditemukan dalam jumlah kecil di planet kita. Meskipun beracun, zat ini bisa sangat berguna karena sifat kimianya, seperti yang digunakan dalam hal-hal seperti pendorong roket padat, kembang api, dan kantung udara.

“Di Mars, sebagian besar klorin di tanah ternyata perklorat,” kata Hecht. “Itu membentuk hampir 1% dari tanah. Dan itu memiliki energi yang luar biasa. Ketika Anda melepaskan atom oksigen dari ClO4 untuk membuat Cl, ia melepaskan sejumlah besar energi. Saya selalu berpikir itu akan menjadi sumber daya yang bagus untuk dipanen.”

Masalah dengan ini adalah bahwa aplikasi ini semuanya eksplosif, dan mengendalikan reaksi ClO4 itu menantang. Namun, ada sistem yang berpotensi melepaskan energi dengan lembut, menggunakan a reaktor biologis.

“Mikroba dapat memakan bahan ini dan menghasilkan energi,” jelas Hecht. “Dan orang-orang benar-benar telah membangun reaktor biologis semacam ini, yang merupakan tangki bakteri yang mencerna suatu zat dan mengekstraksi energi darinya.

“Jadi saya memiliki visi tentang reaktor biologis di belakang penjelajah, dan astronot masuk dan berkeliling. Dan ketika pengukur daya hampir habis, mereka keluar dan mulai menyekop tanah ke dalam corong di belakang, dan mikroba memakan tanah dan menghasilkan energi dan astronot dapat terus mengemudi. Itu ide gila tapi itu konsep pemanfaatan sumber daya hewan peliharaan saya.

Artikel ini adalah bagian dari Kehidupan di Mars — seri 10 bagian yang mengeksplorasi sains dan teknologi mutakhir yang memungkinkan manusia menduduki Mars.

Rekomendasi Editor

• Perjalanan kosmologis: Logistik rumit untuk menempatkan orang di Mars
• Menyempurnakan daya dorong: Bagaimana kita membawa manusia ke Mars
• Kastil yang terbuat dari pasir: Bagaimana kita akan membuat habitat dengan tanah Mars
• Memanen hidrasi: Bagaimana pemukim masa depan akan membuat dan mengumpulkan air di Mars
• Astroagriculture: Bagaimana kita menanam tanaman di Mars