Raccolta dell'idratazione: come raccoglieremo l'acqua su Marte

Abbiamo sognato di inviare esseri umani su un altro pianeta per decenni e, con il recente aumento di interesse per l'esplorazione di Marte, sembra che un giorno potrebbe diventare realtà.

Ma c'è molto lavoro da fare prima di essere pronti per una persona a mettere piede sul pianeta rosso.

Di tutte le risorse di cui avranno bisogno i visitatori di Marte, una delle più significative è l'acqua, non solo per bere, ma anche per produrre propellente per razzi e altre sostanze come l'ossigeno. E se lo siamo sperando di avviare l'agricoltura lì, avremo bisogno di molta acqua per mantenere le colture in crescita.

Ma la superficie di Marte sembra un deserto arido e inospitale. Oggi Marte non ha laghi, fiumi e precipitazioni.

Quindi da dove prenderemo la nostra acqua? Abbiamo parlato con tre esperti per scoprirlo.

Questo articolo fa parte di Vita su Marte – una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che permetteranno agli esseri umani di occupare Marte

Alla ricerca di acqua su Marte

Anche se mancano molti anni alla creazione di una base pienamente operativa su Marte, le agenzie spaziali come la NASA stanno già pensando alla questione dell'acqua. Portare l'acqua dalla Terra non è pratico: è troppo pesante per trasportare tutta l'acqua necessaria per una missione in un razzo. Quindi il piano è raccogliere l'acqua dall'ambiente marziano e per farlo dovremmo sapere dove si trova l'acqua.

La buona notizia è che c'è molta acqua sotto forma di ghiaccio sulla superficie di Marte, compreso il ghiaccio che ricopre i poli e in enormi crateri. La cattiva notizia è che una missione in queste regioni gelide presenta i suoi problemi, come la quantità di energia necessaria per mantenere caldi sia gli esseri umani che le macchine a temperature fino a -240 ° F. Ecco perché il fulcro della maggior parte delle missioni su Marte sono le regioni di media latitudine, dove le temperature sono più miti.

Non c'è ghiaccio in superficie in queste regioni, sebbene ci sia ghiaccio sotto terra. Ma a meno che tu non voglia inviare un astronauta con una pala per campionare ogni pezzo di terra del pianeta, hai bisogno di un modo per mappare quel ghiaccio sotterraneo in modo rapido ed efficiente.

X segna il punto

Questo è ciò a cui stanno lavorando Gareth Morgan e Than Putzig del Planetary Science Institute nell'ambito del progetto Subsurface Water Ice Mapping (SWIM). Loro e i loro colleghi hanno combinato 20 anni di dati provenienti da cinque diversi strumenti orbitali di Marte per mappare dove si trova più probabilmente il ghiaccio sotto la superficie. Da solo, ogni set di dati, come letture radar o indicazioni sull'idrogeno, può solo dirti molto sul fatto il ghiaccio si trova in una posizione particolare, ma in combinazione, possono indicare quali sarebbero le posizioni principali per trovare il ghiaccio Essere.

L'obiettivo del loro lavoro è aiutare la NASA a selezionare futuri siti di atterraggio per missioni con equipaggio in modo che gli astronauti possano accedervi ghiaccio sotterraneo, pur consentendo la massima libertà possibile per selezionare un'esplorazione scientificamente interessante la zona.

"La tecnologia e l'ingegneria definiranno come portare gli umani su Marte", ha detto Morgan, "e avranno i propri vincoli su dove ciò può accadere. Vogliono anche che la comunità scientifica trovi i luoghi scientificamente più validi, interessanti e affascinanti in cui atterrare. Quindi il nostro compito è collegare entrambi questi mondi, fornendo a entrambi i team un'ampia comprensione di dove si trovano le risorse".

Questa mappa può mostrare dove è probabile che si trovi il ghiaccio, ma solo se quel ghiaccio si trova a meno di cinque metri sotto terra. È anche difficile essere precisi sulla profondità esatta del ghiaccio in una data area, perché i metodi di rilevamento utilizzati possono fornire solo stime approssimative del contenuto di ghiaccio lì.

E c'è una grande differenza pratica in quanto sia difficile accedere al ghiaccio che si trova a pochi centimetri sotto la superficie rispetto al ghiaccio che si trova sotto metri di roccia densa.

Un nuovo strumento per rilevare il ghiaccio

Per capire quanto è profondo il ghiaccio su Marte, avremo bisogno di nuovi sforzi come il Missione Mars Ice Mapper: Un veicolo spaziale su cui la NASA e altre agenzie spaziali internazionali stanno lavorando insieme che lo farà orbita attorno a Marte e utilizza due tipi di metodologie radar per rilevare la profondità del ghiaccio sotto il superficie.

"L'idea centrale è quella di avere un radar ad alta frequenza e ad alta risoluzione", ha spiegato Putzig. La missione Ice Mapper è ancora nella sua fase concettuale e lui e Morgan non sono direttamente coinvolti. Ma hanno sentito parlare dei concetti per la missione da altri scienziati e hanno condiviso alcuni dettagli su come funzionerà.

Il primo metodo radar utilizzato dal mappatore è chiamato imaging radar ad apertura sintetica. Ciò comporta un radar puntato ad angolo rispetto alla superficie, che "dà un'idea dell'ampia distribuzione del ghiaccio poco profondo", ha detto Putzig. "Puoi mapparlo su una vasta regione in tempi relativamente brevi con quel metodo."

Il secondo metodo è il suono del radar, in cui il radar è puntato verso il basso per rimbalzare sulla parte superiore dello strato di ghiaccio. Questo ti dice quanto è profondo lo strato di ghiaccio. Quando combini i due, "ottieni una vista mappa e una vista in sezione trasversale", ha detto.

E poi sai dove scavare.

Accedere all'acqua una volta trovata

Individuare il ghiaccio è solo il primo passo per raccogliere l'acqua. Per ottenere da blocchi di ghiaccio solido sotto terra acqua pulita e sicura per bere e per altri scopi, dovremo trovare un modo per estrarre ed elaborare il ghiaccio.

Se sai quanto è profondo il ghiaccio e pensi che ci sia una quantità considerevole di ghiaccio a cui accedere, puoi eseguire il drill-down per raggiungerlo. Il problema, come ha spiegato Sydney Do, il progetto Mars Water Mapping Project presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, è che devi sapere che tipo di roccia perforerai in modo da poter portare lo strumento giusto per il lavoro.

Attualmente, la nostra comprensione della composizione della superficie e del sottosuolo di Marte è limitata, il che ha causato problemi nelle missioni su Marte come InSight, dove la sonda termica del lander non poteva andare sotto la superficie perché il terreno aveva livelli di attrito leggermente diversi da quelli previsti. Quindi avremo bisogno di maggiori informazioni sulla composizione delle rocce in una particolare area prima di poter progettare un trapano per scavare in essa.

Dopo aver praticato un foro nel ghiaccio, puoi utilizzare un sistema chiamato pozzo Rodriguez, attualmente in uso sulla Terra in luoghi come Antartide, per accedere all'acqua. In sostanza, immergi un'asta riscaldata nel foro praticato, che scioglie il ghiaccio e crea un pozzo di acqua liquida che puoi quindi pompare in superficie. Ciò richiede la fornitura di energia sotto forma di calore, ma è un modo efficiente per accedere a quantità potenzialmente grandi di acqua.

Rocce cotte

C'è anche un'altra opzione per raccogliere l'acqua: potremmo estrarla dai minerali idrati, che sono abbondanti in molte aree di Marte. Ci sono rocce come il gesso che contengono acqua, e se frantumi e poi cuoci quelle rocce, puoi condensare l'acqua e raccoglierla.

Ma individuare questi minerali non è facile. Per identificare questi minerali idratati dall'orbita, i ricercatori usano una tecnica chiamata spettroscopia di riflettanza. Gli strumenti sui veicoli spaziali attorno a Marte possono rilevare la luce solare mentre viene riflessa dalla superficie, creando quelli che vengono chiamati spettri. Alcune lunghezze d'onda della luce riflessa vengono assorbite da determinate sostanze chimiche, consentendo agli scienziati di dedurre di cosa sono fatte le rocce sottostanti. Ma questo segnale è solo la media per l'area osservata e possono esserci più sostanze chimiche che assorbono le stesse lunghezze d'onda. Quindi decifrare i diversi segnali può essere una sfida.

"Il modo in cui mi piace spiegarlo è: hai una torta che hai ricevuto", ha detto Do. “Devi provare e capire da quali ingredienti è stato fatto e quanto di ogni ingrediente ha contribuito a realizzarlo torta. Questo è essenzialmente ciò che stiamo facendo con questi segnali riflessivi: stiamo cercando di scomporli nelle loro parti costitutive per capire cosa c'è dentro".

Rendere l'acqua sicura

In ogni caso, una volta raccolta l'acqua sciogliendo il ghiaccio o cuocendo le rocce, è necessario elaborarla. L'acqua potrebbe essere piena di impurità nocive come metalli pesanti o sali come perclorati, quindi deve essere pulita e desalinizzata prima di poter essere utilizzata. In teoria, sappiamo come farlo eseguendo un trattamento simile all'acqua sulla Terra, ma una sfida su Marte è che al momento non sappiamo quali contaminanti aspettarci.

Come molti aspetti della gestione dell'acqua su Marte, il problema non è nel concetto ma nell'esecuzione. La tecnologia per la gestione dell'acqua sulla Terra è ben nota, ma c'è ancora molto da fare prima di poter costruire un sistema che funzioni su un altro pianeta.

"Conosciamo i principi fondamentali per farlo", ha detto Do. "Ma non comprendiamo appieno le condizioni ambientali in cui dovremmo far funzionare questo macchinario". Tutto, dalla sottile atmosfera di Marte alla sua bassa gravità abbondante polvere potrebbe cambiare il modo in cui funzionano le macchine. Per non parlare del fatto che non solo un sistema idrico dovrebbe essere abbastanza piccolo e leggero da essere messo su un razzo, ma dovrebbe anche essere estremamente affidabile: non ci sono officine di riparazione su Marte.

È qui che emergerà la prossima frontiera dell'innovazione tecnologica. Abbiamo le conoscenze in questo momento su come costruire un sistema per l'estrazione e il trattamento dell'acqua, ha detto Do, “ma girando quei presidi nella tecnologia che funzionano in modo affidabile nell'ambiente che ci aspettiamo - questo è ancora aprire."

Questo articolo fa parte di Vita su Marte – una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che permetteranno agli esseri umani di occupare Marte

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