איך נבנה בסיס עם אוויר לנשימה על מאדים

מפחיד ככל שליחת בני אדם לכוכב אחר בפעם הראשונה, להגיע לשם הוא רק חצי מהאתגר. הבעיה הגדולה היא איך בני אדם יכולים להתקיים על פני כוכב לכת עם אטמוספרה בלתי נשימה, קרינה קוסמית וטמפרטורות פני השטח מקפיאות מיליוני קילומטרים מהבית.

רצינו לדעת איך תכינו כוכב לכת זר למגורים אנושיים, אז דיברנו עם שני מומחים, מכון מסצ'וסטס פרופסור לטכנולוגיה מייקל הכט ומהנדס נאס"א אסד אבובאקר, כדי לגלות איך לשמור על אסטרונאוטים בחיים על כוכב שרוצה להרוג אוֹתָם.

מאמר זה הוא חלק מ החיים על מאדים - סדרה בת 10 חלקים החוקרת את המדע והטכנולוגיה המתקדמים שיאפשרו לבני אדם לכבוש את מאדים

חלון הזדמנויות

יש פיגור זמן מהותי בשליחת אנשים לכוכב האדום. בגלל מסלולי כדור הארץ ומאדים, הדרך הקלה ביותר להגיע מכוכב לכת אחד לשני היא באמצעות מסלול הנקרא מסלול העברה של הוהמן, שבו כלי שייט נעה במסלול שמתגלגל החוצה בהדרגה.

"זה בגלל האופן שבו כוכבי הלכת מסתובבים", הסביר הכט. "כדור הארץ נמצא בתוך מסלולו של מאדים, והוא מסתובב מהר יותר ממאדים, אז הוא מקיף אותו כמה פעמים. שנת מאדים היא כמעט שנתיים כדור הארץ".

"אז אתה צריך לתזמן את ההשקה. ויש חלון בכל שנה של מאדים - כל 26 חודשים, בזמן שנקרא אופוזיציה של מאדים כאשר מאדים קרוב לכדור הארץ. אז כל 26 חודשים, יש לך הזדמנות לשגר חללית למאדים במסלול האופטימלי הזה.... אז התוכניות למאדים הן לשלוח תחילה את התשתית, ואז 26 חודשים לאחר מכן נשלח את הצוות."

שליחת תשתית לא אומרת רק לוודא שיש אוויר לאסטרונאוטים לנשום ואוכל שיאכלו. זה גם אומר לשלוח ולבנות תחנת כוח, בית גידול, רוברים ורכב עלייה כדי לאפשר לאסטרונאוטים לעזוב לאחר שהמשימה שלהם תסתיים.

למה חמצן כל כך חשוב

הנושא הגדול הראשון שיש לטפל בו בהקמת בסיס מאדים הוא ייצור חמצן. כשאתם שומעים על ייצור חמצן על מאדים, סביר להניח שאתם חושבים על הצורך האנושי הבסיסי ביותר: שיהיה לו אוויר לנשימה. ובהחלט, אנחנו צריכים למצוא דרך לייצר אטמוספירה נושמת בבית גידול של מאדים. אבל זה דורש רק כמות קטנה יחסית של חמצן בהשוואה לביקוש הגדול - זה של חומר הנעה לרקטה שתשגר אסטרונאוטים מעל פני השטח.

"אנחנו מנסים לייצר רקטות הנעה", אמר הכט. "אנחנו לא מנסים לייצר דלק, אנחנו מנסים לעשות את החלק של התגובה הכימית שעל כדור הארץ אנחנו אף פעם לא חושבים עליו." הנה הלאה כדור הארץ, כשאתה שורף בנזין במנוע המכונית שלך, אתה משתמש כמה פעמים שווה את משקל הדלק בחמצן כדי ליצור את זה תְגוּבָה. אותו דבר עם שריפת בול עץ באח.

עם זאת, "אם אתה הולך למקום שאין בו חמצן פנוי, אתה צריך לקחת אותו איתך", הוסיף הכט.

לרקטות מודרניות יש מיכלי חמצן נוזלי המספקים את הדחף הזה, והם מהווים נתח ניכר מהמשקל בעת השיגור.

"נצטרך קרוב ל-30 טונות של חמצן כדי להפעיל את הטיל הזה כדי להוציא את האסטרונאוטים האלה מהכוכב ולמסלול", אמר הכט. "ואם נצטרך לקחת את 30 טונות החמצן האלה איתנו למאדים, זה ידחוף את כל המשימה עשור אחורה. הרבה יותר קל לשלוח מיכל ריק ולמלא אותו שם בחמצן".

שימוש במה שזמין

כדי ליצור חמצן על מאדים, הכט ועמיתיו עובדים על רעיון שנקרא ניצול משאבים במקום (ISRU). בעיקרו של דבר, זה אומר לעשות שימוש במה שכבר נמצא על מאדים כדי ליצור את מה שאנחנו צריכים.

הם בנו ניסוי שנקרא MOXIE (ניסוי ניצול משאבי משאבים במקום במאדים), אשר הועבר בקלות למאדים יחד עם רובר התמדה של נאס"א שנחת בהצלחה בפברואר 2021. MOXIE הוא למעשה גרסה מיניאטורית של מכשיר בעל פוטנציאל הרבה יותר גדול שמכניס פחמן דו חמצני, שנמצא בשפע באטמוספרה של מאדים, ומייצר חמצן.

זה אולי נשמע מסובך, אבל למעשה, המכשיר דומה למשהו מוכר כאן על כדור הארץ. "MOXIE דומה מאוד לתא דלק", אמר הכט. "זה כמעט זהה. אם היית לוקח תא דלק ותהפוך את שני החוטים הנכנסים, תהיה לך מערכת אלקטרוליזה. זה אומר שאם זה היה תא דלק, היה לך דלק ומחמצן שיתבררו כמולקולה יציבה. אם זה היה פחמן חד חמצני כדלק וחמצן, הוא היה מייצר פחמן דו חמצני. אתה גם מוציא חשמל.

"אם אתה מפעיל אותו הפוך, אתה צריך להכניס פחמן דו חמצני, ואתה צריך להכניס חשמל. אבל אתה מוציא פחמן חד חמצני וחמצן. ככה אנחנו יודעים לעשות את זה".

הרעיון הפשוט לכאורה הזה הוא קיצוני מכיוון שהוא מתמודד עם בעיה שכמעט אף אחד מחוץ לקהילת החלל חושב עליה כבעיה: ייצור חמצן. "אף אחד לא רוצה לייצר חמצן על פני כדור הארץ - אין לנו סיבה לעשות זאת", אמר הכט. "יש לנו הרבה מזה בכל מקום. אבל יש לנו הרבה ידע בזכות תאי דלק".

איך לבנות מכונת חמצן

הבנת העקרונות הכימיים של יצירת מכונת חמצן היא דבר אחד, אבל תכנון ובניית גרסה שיכולה להתאים לרובר זה דבר אחר. Aboobaker, מהנדס תרמי עבור MOXIE במעבדת הנעה סילון של נאס"א (JPL) שהיה מעורב ב-MOXIE הפרויקט לאורך כל הפיתוח שלו, הסביר כיצד נבנה הניסוי וכמה מהאתגרים שצוות JPL היה צריך לְהִתְמוֹדֵד.

"אילוץ המשאבים העיקרי שהיה לנו, מלבד המסה והשטח הקטן לעבוד איתו, היה אנרגיה", אמר. "לרובר יש גנרטור תרמו-אלקטרי רדיואיזוטופ, שהוא מקור כוח גרעיני. אז אנשים חושבים שהרובר מופעל על בסיס גרעיני, אבל זה לא. הוא מופעל באמצעות סוללות, עם מטען טפטוף גרעיני".

זה אומר שהחוקרים צריכים להיות זהירים ביותר עם כמות החשמל שהם משתמשים כדי לא לרוקן את הסוללה. הרובר של Perseverance כולו פועל על 110 וואט בלבד, שזה רק קצת יותר מנורה בהירה.

בתורו, ניסוי כמו MOXIE יכול להשתמש רק בכמות קטנה של כוח. "אז זה קבע גבול לכמה כוח המחמם נוכל להשתמש כדי לחמם אותו, כמה כוח יכול המדחס - שמפריח את הגז למערכת - למשוך, וכמה זמן אנחנו יכולים לפעול", אמר אבובקר.

זו הסיבה שהגרסה של MOXIE הנוסע על Perseverance היא כל כך קטנה, למרות שהמערכת תעבוד באותה מידה או אפילו טוב יותר בקנה מידה גדול יותר.

אנחנו רק רוצים לדעת אם זה עובד

אבל עיצוב הציוד הוא רק צד אחד של הניסוי - הצד השני בודק אם הוא אכן עובד על מאדים. אפילו עם קונספט שעובד בצורה יציבה כאן על כדור הארץ, יכולות להיות השלכות בלתי צפויות של סביבות חייזרים, מה אטמוספירה דקה המשפיעה על אופן העברת החום, למיסבים שנשחקים בדרכים בלתי צפויות בגלל כוח המשיכה נמוך יותר ולא מוכר אָבָק. זו הסיבה שמהנדסי JPL יאספו בקרוב נתונים מ-MOXIE כדי לראות איך הוא מסתדר בסביבה של מאדים אמיתית.

"בהרבה מובנים, MOXIE לא באמת לוקחת נתונים מדעיים", אמר אבובקר. בהשוואה למכשירים מדעיים כמו טלסקופים או ספקטרומטרים, המשמשים לניתוח דגימות סלע, ​​הנתונים שנאספו מ-MOXIE פשוטים יחסית. "מה שיש לנו זה כמעט כמו נתוני טלמטריה הנדסיים. אנחנו מודדים מתחים וזרמים וטמפרטורות, דברים כאלה. אלו הנתונים שלנו, ונפח הנתונים למעשה די קטן. אתה כמעט יכול להכניס אותו לתקליטון."

זה אומר שהצוות יכול לקבל משוב מהיר מאוד אם המערכת פועלת כמתוכנן - תוך מספר ימים. שלא כמו מכשירי Perseverance אחרים, שעבורם ניתוח נתונים לוקח שבועות, חודשים או אפילו שנים, MOXIE הוא הדגמה מעשית כמו ניסוי.

"בהרבה מובנים, מה שאנחנו עושים זה לא מדע, זה טכנולוגיה", אמר אבובקר. "לרוב, אנחנו רק רוצים לדעת אם זה עובד. ואם נרצה להגדיל את זה בעתיד, מה הם סוגי הדברים שנצטרך לעשות כדי לעשות זאת?"

תחנת מקמורדו למאדים

אם MOXIE מצליח, הוא יכול להדגים כיצד העיקרון של ISRU יכול לעבוד על מאדים. אז זה פשוט יחסית להגדיל את הפרויקט וליצור גרסה בקנה מידה מלא שיכולה לייצר חמצן בקצב גבוה בהרבה. והחדשות הטובות הן שגרסה גדולה יותר תהיה יעילה יותר ויכולה לייצר כמות נכבדת של חמצן מבלי לדרוש יותר מדי חשמל.

עם מיון חמצן, נוכל לעבור לסוגים אחרים של משאבים שנצטרך עבור בני אדם החיים על מאדים. עוד אחד מהמשאבים החיוניים ביותר שנצטרך כדי להקים בסיס על הפלנטה הוא מים. לא רק לבני אדם לשתות, אלא גם בגלל שניתן לשלב מים (או מימן) ופחמן דו חמצני למגוון עצום של כימיקלים שימושיים.

"הרעיון בטווח הקצר הוא שאנחנו רוצים לעשות כמות מסוימת של ISRU אוטונומית כדי להפוך את המשימות שלנו למעשיות", אמר הכט. "ברגע שיש לנו בסיס על הפלנטה, כמו תחנת מקמורדו באנטארקטיקה או כמו תחנת החלל הבינלאומית, אז אתה יכול לחשוב על סוגים אגרסיביים יותר של ISRU, כמו כריית קרח.

"הרבה אנשים מרגישים שאנחנו צריכים לכרות קרח באופן אוטונומי. אבל אני אומר שלא, זה לא שווה את המאמץ. קרח הוא מינרל, כלומר צריך לחפש אותו, צריך לחפור אותו, צריך לטהר אותו. יהיה קל יותר פשוט להביא אותו. משהו כמו MOXIE, לעומת זאת, הוא עץ מכני. הוא נושם פחמן דו חמצני ומוציא חמצן".

בהשוואה לציד משאבים באמצעות כרייה, MOXIE הוא הרבה יותר פשוט, טוען הכט. "זה לא צריך ללכת לשום מקום, זה לא צריך לחפש שום דבר. אלו סוגים של שיטות IRSU שהן ממש מעשיות בטווח הקצר. אתה דוחה את השאר עד שיהיו לך אנשים על פני השטח שיכולים לעשות משימות מסובכות יותר".

שפע לא צפוי של מאדים

במאדים אמנם יש הרבה קרח מים, אבל הוא ממוקם בקטבים, בעוד שרוב המשימות של מאדים רוצות להתמקד בנחיתה בקו המשווה, שהוא כמו מדבר. מושגים נוכחיים להתמודדות עם בעיה זו כוללים את הרעיון של מיפוי קרח עולמי, שבו ניתן למפות מיקומים של כמויות קטנות יותר של קרח לשימוש עתידי.

אפשרות נוספת היא להפיק מים מהמינרלים שבאדמת המאדים. "יש מינרלים כמו גבס ומלחי אפסום שהם סולפטים ומושכים הרבה מים", הסביר הכט. "אז אתה יכול לחפור אותם ולאפות אותם ולהוציא את המים. אתה יכול לכרות את האדמה בשביל מים, שיש די בשפע."

אבל למאדים יש לא רק חומרים דומים לאלו שאנו מוצאים כאן על כדור הארץ. יש בו גם כמויות גדולות של חומר כימי בשם פרכלורט (ClO4), המסוכן לבריאות האדם ונמצא רק בכמויות קטנות על הפלנטה שלנו. למרות היותו רעיל, החומר הזה יכול להיות שימושי ביותר בשל התכונות הכימיות שלו, מכיוון שהוא משמש בדברים כמו מאיצי רקטות מוצקים, זיקוקים וכריות אוויר.

"על מאדים, מסתבר שרוב הכלור באדמה הוא פרכלורט", אמר הכט. "זה מהווה כמעט 1% מהאדמה. ויש לו כמות אדירה של אנרגיה. כאשר אתה משחרר אטומי חמצן מה-ClO4 כדי ליצור Cl, הוא משחרר כמות אדירה של אנרגיה. תמיד חשבתי שזה יהיה משאב נהדר לקצור."

הבעיה עם זה היא שהיישומים האלה כולם נפיצים, והשליטה בתגובה של ClO4 היא מאתגרת. עם זאת, קיימת מערכת בעלת פוטנציאל לשחרר את האנרגיה בעדינות, באמצעות א כור ביולוגי.

"מיקרובים יכולים לאכול את החומר הזה ולהפיק אנרגיה", הסביר הכט. "ואנשים למעשה בנו כורים ביולוגיים מסוג זה, שהם מיכלי חיידקים המעכלים חומר כלשהו ומוציאים ממנו אנרגיה.

"אז יש לי את החזון הזה של כור ביולוגי בחלק האחורי של רובר, והאסטרונאוט נכנס ומסתובב. וכשמד הכוח יורד, הם יוצאים ומתחילים לגרוף אדמה לתוך הופר מאחור, והחיידקים אוכלים את האדמה ומייצרים אנרגיה והאסטרונאוט יכול להמשיך לנסוע. זה רעיון מטורף אבל זה רעיון ניצול משאבי חיית המחמד שלי".

מאמר זה הוא חלק מ החיים על מאדים - סדרה בת 10 חלקים החוקרת את המדע והטכנולוגיה המתקדמים שיאפשרו לבני אדם לכבוש את מאדים.

המלצות עורכים

• נסיעה קוסמולוגית: הלוגיסטיקה המסובכת של העלאת אנשים על מאדים
• השלמת הנעה: איך נביא בני אדם למאדים
• טירות עשויות חול: איך ניצור בתי גידול עם אדמת מאדים
• הידרציה לקציר: כיצד מתיישבים עתידיים ייצרו ויאספו מים על מאדים
• אסטרו חקלאות: איך נצמיח יבולים על מאדים