Per quanto intimidatorio possa essere l'invio di esseri umani su un altro pianeta per la prima volta, arrivarci è solo metà della sfida. Il grosso problema è come gli esseri umani possano esistere sulla superficie di un pianeta con un'atmosfera irrespirabile, radiazioni cosmiche e temperature superficiali gelide a milioni di miglia da casa.
Contenuti
- Una finestra di opportunità
- Perché l'ossigeno è così importante
- Sfruttare ciò che è disponibile
- Come costruire una macchina per l'ossigeno
- Vogliamo solo sapere se funziona
- Una stazione McMurdo per Marte
- Taglia marziana inaspettata
Volevamo sapere come avresti preparato un pianeta alieno per l'abitazione umana, così abbiamo parlato con due esperti, Massachusetts Institute of Il professore di tecnologia Michael Hecht e l'ingegnere della NASA Asad Aboobaker, per scoprire come mantenere in vita gli astronauti su un pianeta che vuole uccidere loro.
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Questo articolo fa parte di Vita su Marte - una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che consentiranno agli esseri umani di occupare Marte
Una finestra di opportunità
C'è un intervallo di tempo essenziale nell'inviare persone sul pianeta rosso. A causa delle orbite della Terra e di Marte, il modo più semplice per spostarsi da un pianeta all'altro è utilizzare una traiettoria chiamata Orbita di trasferimento di Hohmann, in cui un velivolo si muove in un'orbita che gradualmente si sviluppa a spirale verso l'esterno.
"Questo è dovuto al modo in cui ruotano i pianeti", ha spiegato Hecht. “La Terra è all'interno dell'orbita di Marte e ruota più velocemente di Marte, quindi la gira un paio di volte. Un anno su Marte è quasi due anni terrestri.
“Quindi devi cronometrare il lancio. E c'è una finestra ogni anno su Marte - ogni 26 mesi, in un momento chiamato opposizione di Marte quando Marte è vicino alla Terra. Quindi ogni 26 mesi hai l'opportunità di lanciare un veicolo spaziale su Marte in questa orbita ottimale. … Quindi i piani per Marte sono di inviare prima l'infrastruttura, e poi 26 mesi dopo invieremo l'equipaggio.
"Ogni 26 mesi, hai l'opportunità di lanciare un veicolo spaziale su Marte in questa orbita ottimale."
Inviare infrastrutture non significa solo assicurarsi che gli astronauti abbiano aria da respirare e cibo da mangiare. Significa anche inviare e costruire una centrale elettrica, un habitat, rover e un veicolo di ascesa per consentire agli astronauti di partire una volta terminata la loro missione.
Perché l'ossigeno è così importante
Il primo grande problema da affrontare nella creazione di una base su Marte è la produzione di ossigeno. Quando senti parlare della produzione di ossigeno su Marte, probabilmente pensi al bisogno umano più elementare: avere aria per respirare. E certamente, dobbiamo trovare un modo per produrre un'atmosfera respirabile in un habitat marziano contenuto. Ma questo richiede solo una quantità relativamente piccola di ossigeno rispetto alla grande richiesta, quella del propellente per il razzo che lancerà gli astronauti dalla superficie.
"Stiamo cercando di produrre propellente per razzi", ha detto Hecht. "Non stiamo cercando di produrre carburante, stiamo cercando di creare la parte della reazione chimica a cui sulla Terra non pensiamo mai". Qui su Terra, quando bruci la benzina nel motore della tua auto, usi parecchie volte il peso del carburante in ossigeno per crearlo reazione. Lo stesso con la combustione di un ceppo in un camino.
Tuttavia, "se vai da qualche parte non c'è ossigeno gratuito, devi portarlo con te", ha aggiunto Hecht.
I razzi moderni hanno serbatoi di ossigeno liquido che forniscono questo propellente e formano una parte considerevole del peso al momento del lancio.
"Avremmo bisogno di quasi 30 tonnellate di ossigeno per alimentare quel razzo e portare quegli astronauti fuori dal pianeta e in orbita", ha detto Hecht. “E se dobbiamo portare con noi su Marte quelle 30 tonnellate di ossigeno, l'intera missione verrà spostata indietro di un decennio. È molto più facile inviare lì un serbatoio vuoto e riempirlo di ossigeno”.
Sfruttare ciò che è disponibile
Per creare ossigeno su Marte, Hecht ei suoi colleghi stanno lavorando a un concetto chiamato utilizzo delle risorse in situ (ISRU). In sostanza, ciò significa utilizzare ciò che è già presente su Marte per creare ciò di cui abbiamo bisogno.
Hanno costruito un esperimento chiamato MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), che è stato facilmente portato su Marte insieme al Il rover Perseverance della NASA che è atterrato con successo nel febbraio 2021. MOXIE è effettivamente una versione in miniatura di un dispositivo potenzialmente molto più grande che assorbe anidride carbonica, che è abbondante nell'atmosfera marziana, e produce ossigeno.
Potrebbe sembrare complicato, ma in realtà il dispositivo è simile a qualcosa di ben noto qui sulla Terra. "MOXIE è molto simile a una cella a combustibile", ha detto Hecht. “È quasi identico. Se prendi una cella a combustibile e inverti i due fili che entrano, avresti un sistema di elettrolisi. Ciò significa che se questa fosse una cella a combustibile, avresti un combustibile e un ossidante che si trasformano in una molecola stabile. Se fosse monossido di carbonio come combustibile e ossigeno, produrrebbe anidride carbonica. Ottieni anche l'elettricità.
“Se lo fai funzionare al contrario, devi inserire anidride carbonica e devi inserire elettricità. Ma esci monossido di carbonio e ossigeno. Questo è il modo in cui sappiamo come farlo.
Questo assorbe l'anidride carbonica, che è abbondante nell'atmosfera marziana, e produce ossigeno.
Questa idea apparentemente semplice è radicale perché affronta un problema che quasi nessuno al di fuori della comunità spaziale considera un problema: la produzione di ossigeno. "Nessuno vuole produrre ossigeno sulla Terra - non abbiamo motivo di farlo", ha detto Hecht. “Ne abbiamo in abbondanza ovunque. Ma abbiamo molte conoscenze grazie alle celle a combustibile”.
Come costruire una macchina per l'ossigeno
Comprendere i principi chimici della creazione di una macchina dell'ossigeno è una cosa, ma progettare e costruire una versione che possa adattarsi a un rover è un'altra. Aboobaker, un ingegnere termico per MOXIE presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA che è stato coinvolto nel MOXIE progetto durante tutto il suo sviluppo, ha spiegato come è stato costruito l'esperimento e alcune delle sfide che il team JPL ha dovuto affrontare attrezzatura.
"Il principale vincolo di risorse che avevamo, oltre alla massa e al piccolo spazio con cui lavorare, era l'energia", ha affermato. “Il rover ha un generatore termoelettrico a radioisotopi, che è una fonte di energia nucleare. Quindi la gente pensa che il rover sia a propulsione nucleare, ma non lo è. È alimentato a batteria, con un caricatore di mantenimento nucleare.
Ciò significa che i ricercatori devono stare estremamente attenti a quanta energia usano per non scaricare la batteria. L'intero rover Perseverance funziona con soli 110 watt, che è poco più di una lampadina luminosa.
A sua volta, un esperimento come MOXIE può utilizzare solo una piccola quantità di energia. "Quindi questo ha fissato un limite alla quantità di potenza del riscaldatore che potremmo usare per riscaldarlo, quanta potenza può assorbire il compressore - che soffia il gas nel sistema - e per quanto tempo possiamo funzionare", ha detto Aboobaker.
Ecco perché la versione di MOXIE che viaggia su Perseverance è così piccola, anche se il sistema funzionerebbe altrettanto bene o anche meglio su scala più ampia.
Vogliamo solo sapere se funziona
Ma progettare l'attrezzatura è solo un lato dell'esperimento: l'altro lato sta verificando se funziona davvero su Marte. Anche con un concetto che funziona solidamente qui sulla Terra, possono esserci conseguenze inaspettate di ambienti alieni, dal atmosfera sottile che influenza il modo in cui il calore viene trasferito, ai cuscinetti che si usurano in modi inaspettati a causa della gravità inferiore e non familiare polvere. Ecco perché gli ingegneri del JPL raccoglieranno presto dati da MOXIE per vedere come si comporta in un vero ambiente marziano.
"In molti modi, MOXIE non prende davvero dati scientifici", ha detto Aboobaker. Rispetto a strumenti scientifici come telescopi o spettrometri, utilizzati per analizzare campioni di roccia, i dati raccolti da MOXIE sono relativamente semplici. “Quello che abbiamo è quasi come dati di telemetria ingegneristica. Misuriamo tensioni, correnti e temperature, cose del genere. Questi sono i nostri dati e il volume di dati è in realtà piuttosto ridotto. Potresti quasi metterlo su un floppy disk.
Ciò significa che il team può ottenere un feedback molto rapido sul funzionamento del sistema come previsto, entro pochi giorni. A differenza di altri strumenti Perseverance, per i quali l'analisi dei dati richiede settimane, mesi o addirittura anni, MOXIE è una dimostrazione pratica tanto quanto un esperimento.
“Il volume di dati è in realtà piuttosto ridotto. Potresti quasi metterlo su un floppy disk”
"In molti modi, quello che stiamo facendo non è scienza, è tecnologia", ha detto Aboobaker. “Principalmente, vogliamo solo sapere se funziona. E, se volessimo ampliarlo in futuro, quali sono le cose che avremmo bisogno di fare per farlo?"
Una stazione McMurdo per Marte
Se MOXIE avrà successo, potrà dimostrare come il principio dell'ISRU può funzionare su Marte. Quindi è relativamente semplice ridimensionare il progetto e creare una versione in scala reale che potrebbe produrre ossigeno a una velocità molto più elevata. E la buona notizia è che una versione più grande sarebbe più efficiente e potrebbe produrre una notevole quantità di ossigeno senza richiedere troppa potenza.
Con l'ossigeno ordinato, potremmo passare agli altri tipi di risorse di cui avremmo bisogno per gli esseri umani che vivono su Marte. Un'altra delle risorse più essenziali di cui avremmo bisogno per stabilire una base sul pianeta è acqua. Non solo per gli esseri umani da bere, ma anche perché l'acqua (o l'idrogeno) e l'anidride carbonica possono essere combinati in un'enorme varietà di sostanze chimiche utili.
Ingegneria folle: produrre ossigeno su Marte con MOXIE
"L'idea a breve termine è che vogliamo fare una certa quantità di ISRU autonomo per rendere fattibili le nostre missioni", ha detto Hecht. “Una volta che avremo una base sul pianeta, come la Stazione McMurdo in Antartide o come la Stazione Spaziale Internazionale, allora puoi pensare a tipi di ISRU molto più aggressivi, come l'estrazione del ghiaccio.
“Molte persone pensano che dovremmo estrarre il ghiaccio in modo autonomo. Ma io dico di no, non ne vale la pena. Il ghiaccio è un minerale, il che significa che devi cercarlo, devi scavarlo, devi purificarlo. Sarà più semplice portarlo. Qualcosa come MOXIE, tuttavia, è un albero meccanico. Inspira anidride carbonica ed espira ossigeno.
Rispetto alla caccia alle risorse tramite il mining, MOXIE è molto più semplice, sostiene Hecht. “Non deve andare da nessuna parte, non deve cercare niente. Questi sono i tipi di metodi IRSU che sono davvero pratici a breve termine. Rimandi il resto fino a quando non avrai persone in superficie che possono svolgere compiti più complicati.
Taglia marziana inaspettata
Marte ha un sacco di ghiaccio d'acqua, ma si trova ai poli, mentre la maggior parte delle missioni su Marte vuole concentrarsi sull'atterraggio all'equatore, che è come un deserto. I concetti attuali per affrontare questo problema includono l'idea della mappatura globale del ghiaccio, in cui le posizioni di piccole quantità di ghiaccio potrebbero essere mappate per un uso futuro.
Un'altra opzione è estrarre l'acqua dai minerali nel suolo marziano. "Ci sono minerali come il gesso e i sali di Epsom che sono solfati e attirano molta acqua", ha spiegato Hecht. “Così potresti scavarli e cuocerli e far uscire l'acqua. Potresti scavare nel terreno per l'acqua, che è abbastanza abbondante.
"Quando rilasci atomi di ossigeno dal ClO4 per produrre Cl, rilascia un'enorme quantità di energia"
Ma Marte non ha solo materiali simili a quelli che troviamo qui sulla Terra. Ha anche grandi quantità di una sostanza chimica chiamata perclorato (ClO4), che è pericolosa per la salute umana e si trova solo in piccole quantità sul nostro pianeta. Nonostante sia tossica, questa sostanza potrebbe essere estremamente utile grazie alle sue proprietà chimiche, poiché viene utilizzata in cose come propulsori a razzo solido, fuochi d'artificio e airbag.
"Su Marte, la maggior parte del cloro nel suolo risulta essere perclorato", ha detto Hecht. “Costituisce quasi l'1% del suolo. E ha un'enorme quantità di energia. Quando rilasci atomi di ossigeno dal ClO4 per produrre Cl, rilascia un'enorme quantità di energia. Ho sempre pensato che sarebbe stata una grande risorsa da raccogliere".
Il problema è che queste applicazioni sono tutte esplosive e il controllo della reazione del ClO4 è impegnativo. Tuttavia, esiste un sistema che ha il potenziale per rilasciare l'energia delicatamente, utilizzando a reattore biologico.
"I microbi possono mangiare questa roba e produrre energia", ha spiegato Hecht. “E le persone hanno effettivamente costruito questo tipo di reattori biologici, che sono serbatoi di batteri che digeriscono una sostanza e ne estraggono energia.
“Quindi ho questa visione di un reattore biologico nella parte posteriore di un rover, e l'astronauta sale e va in giro. E quando l'indicatore di potenza si abbassa, escono e iniziano a spalare il terreno in una tramoggia nella parte posteriore, ei microbi mangiano il terreno e producono energia e l'astronauta può continuare a guidare. È un'idea folle, ma questo è il mio concetto di utilizzo delle risorse per animali domestici.
Questo articolo fa parte di Vita su Marte - una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che consentiranno agli esseri umani di occupare Marte.
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