화성에 통기성 공기로 기지를 건설하는 방법

인간을 처음으로 다른 행성에 보내는 것이 겁이 날 수도 있지만, 거기에 도달하는 것은 도전의 절반에 불과합니다. 가장 큰 문제는 집에서 수백만 마일 떨어진 곳에서 숨 쉴 수 없는 대기, 우주 방사선, 얼어붙은 표면 온도를 가진 행성의 표면에 인간이 어떻게 존재할 수 있는지입니다.

우리는 인간 거주를 위해 외계 행성을 준비하는 방법을 알고 싶었기 때문에 두 명의 전문가인 Massachusetts Institute of 기술 교수 Michael Hecht와 NASA 엔지니어 Asad Aboobaker는 죽이고 싶어하는 행성에서 우주 비행사를 살리는 방법을 알아냅니다. 그들을.

이 글은 화성에 생명체 — 인간이 화성을 점령할 수 있는 최첨단 과학 기술을 탐구하는 10부작 시리즈

기회의 창

사람들을 붉은 행성으로 보내는 데는 필수적인 시차가 있습니다. 지구와 화성의 궤도 때문에 한 행성에서 다른 행성으로 이동하는 가장 쉬운 방법은 호만 전이 궤도, 우주선이 점차 바깥쪽으로 나선 궤도를 따라 이동합니다.

"이것은 행성이 회전하는 방식 때문입니다."라고 Hecht는 설명했습니다. “지구는 화성의 궤도 안에 있고, 화성보다 더 빨리 자전하기 때문에 몇 번 바퀴를 돌죠. 화성의 1년은 거의 지구의 2년입니다.”

“따라서 발사 시간을 맞춰야 합니다. 화성이 지구에 가까워질 때 화성 대립이라고 불리는 시간에 매 26개월마다 창이 있습니다. 따라서 26개월마다 이 최적의 궤도에서 우주선을 화성에 발사할 수 있는 기회가 있습니다. … 따라서 화성에 대한 계획은 인프라를 먼저 보낸 다음 26개월 후에 승무원을 보내는 것입니다.”

인프라를 보낸다는 것은 우주 비행사가 숨쉴 공기와 먹을 음식이 있는지 확인하는 것만을 의미하지 않습니다. 또한 우주 비행사가 임무가 끝나면 떠날 수 있도록 발전소, 서식지, 로버 및 상승 차량을 보내고 건설하는 것을 의미합니다.

산소가 중요한 이유

화성 기지를 건설할 때 가장 먼저 해결해야 할 큰 문제는 산소 생산입니다. 화성에서 산소를 생산한다는 소식을 들으면 인간의 가장 기본적인 욕구인 숨 쉴 공기를 생각하게 될 것입니다. 그리고 확실히 우리는 화성 서식지에 숨쉴 수 있는 대기를 만드는 방법을 찾아야 합니다. 그러나 이것은 우주 비행사를 표면에서 발사할 로켓 추진체의 큰 수요에 비해 상대적으로 적은 양의 산소만 필요로 합니다.

"우리는 로켓 추진체를 만들려고 노력하고 있습니다."라고 Hecht는 말했습니다. "우리는 연료를 만들려고 하는 것이 아니라 지구상에서 생각지도 못한 화학 반응의 일부를 만들려고 합니다." 여기에 지구야, 자동차 엔진에서 휘발유를 태울 때 연료 무게의 몇 배에 해당하는 산소를 사용하여 반응. 벽난로에 장작을 태우는 것과 동일합니다.

그러나 "공짜 산소가 없는 곳에 가면 산소를 가지고 가야 합니다."라고 Hecht는 덧붙였습니다.

현대식 로켓에는 이 추진제를 제공하는 액체 산소 탱크가 있으며 발사 시 무게의 상당 부분을 차지합니다.

"우리는 우주 비행사를 행성에서 궤도로 데려가기 위해 로켓에 동력을 공급하기 위해 거의 30미터 톤의 산소가 필요할 것입니다."라고 Hecht는 말했습니다. “그리고 우리가 30미터톤의 산소를 화성으로 가져가야 한다면 전체 임무를 10년 뒤로 미루게 될 것입니다. 빈 탱크를 보내 산소로 채우는 것이 훨씬 쉽습니다.”

사용 가능한 것을 활용하기

화성에서 산소를 생성하기 위해 Hecht와 그의 동료들은 현장 자원 활용(ISRU)이라는 개념을 연구하고 있습니다. 본질적으로 그것은 우리가 필요로 하는 것을 만들기 위해 이미 화성에 있는 것을 활용하는 것을 의미합니다.

그들은 MOXIE(Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)라는 실험을 구축했으며, 이는 화성으로 간편하게 운반되었습니다. NASA 인내 로버 2021년 2월에 성공적으로 착륙했습니다. MOXIE는 사실상 화성 대기에 풍부한 이산화탄소를 흡수하고 산소를 생성하는 잠재적으로 훨씬 더 큰 장치의 미니어처 버전입니다.

복잡하게 들릴 수 있지만 사실 이 장치는 여기 지구에서 잘 알려진 것과 유사합니다. "MOXIE는 연료 전지와 매우 흡사합니다."라고 Hecht는 말했습니다. “거의 똑같습니다. 연료 전지를 가져 와서 들어오는 두 개의 전선을 뒤집으면 전기 분해 시스템이 생깁니다. 즉, 이것이 연료 전지라면 안정한 분자를 생성하는 연료와 산화제가 있어야 합니다. 연료와 산소가 일산화탄소라면 이산화탄소가 될 것입니다. 전기도 나옵니다.

“역방향으로 돌리면 이산화탄소도 넣어야 하고, 전기도 넣어야 해요. 그러나 일산화탄소와 산소를 배출합니다. 이것이 우리가 이것을 수행하는 방법을 아는 방법입니다.”

겉으로 보기에 단순해 보이는 이 아이디어는 우주 커뮤니티 외부의 사람들이 거의 문제로 생각하지 않는 문제인 산소 생산을 다루기 때문에 급진적입니다. Hecht는 "아무도 지구에서 산소를 만들고 싶어하지 않습니다. 그럴 이유가 없습니다."라고 말했습니다. “어디에나 많이 있습니다. 하지만 우리는 연료 전지 덕분에 많은 지식을 가지고 있습니다.”

산소 기계를 만드는 방법

산소 기계를 만드는 화학적 원리를 이해하는 것과 로버에 맞는 버전을 설계하고 만드는 것은 또 다른 일입니다. Aboobaker, MOXIE에 참여한 NASA 제트 추진 연구소(JPL)의 MOXIE 열 엔지니어 프로젝트 개발 전반에 걸쳐 실험이 구축된 방법과 JPL 팀이 해결해야 했던 몇 가지 과제를 설명했습니다. 태클.

"작업할 공간이 작고 부피가 큰 것 외에 우리가 가진 주요 자원 제약은 에너지였습니다."라고 그는 말했습니다. “로버에는 핵 동력원인 방사성 동위원소 열전 발전기가 있습니다. 그래서 사람들은 로버가 원자력으로 작동한다고 생각하지만 그렇지 않습니다. 핵 세류 충전기와 함께 배터리로 작동합니다.”

이는 연구원들이 배터리를 소모하지 않도록 사용하는 전력량에 극도로 주의해야 한다는 것을 의미합니다. 전체 Perseverance 로버는 110와트로 작동하며 이는 밝은 전구보다 약간 더 많습니다.

결과적으로 MOXIE와 같은 실험은 소량의 전력만 사용할 수 있습니다. Aboobaker는 "그래서 가열하는 데 사용할 수 있는 히터 전력의 양, 시스템에 가스를 불어넣는 컴프레서의 전력량, 그리고 얼마나 오래 실행할 수 있는지에 대한 제한을 설정했습니다."라고 말했습니다.

따라서 Perseverance로 이동하는 MOXIE 버전은 시스템이 더 큰 규모에서 동일하게 또는 더 잘 작동하더라도 매우 작습니다.

우리는 그것이 효과가 있는지 알고 싶을 뿐입니다

그러나 장비를 설계하는 것은 실험의 한 측면일 뿐이며 다른 측면은 실제로 화성에서 작동하는지 확인하는 것입니다. 여기 지구에서 견고하게 작동하는 개념이 있더라도 외계 환경의 예기치 않은 결과가 있을 수 있습니다. 열이 전달되는 방식에 영향을 미치는 얇은 대기, 낮은 중력 및 익숙하지 않은 방식으로 인해 예상치 못한 방식으로 마모되는 베어링 먼지. 그렇기 때문에 JPL 엔지니어는 곧 MOXIE에서 데이터를 수집하여 실제 화성 환경에서 어떻게 작동하는지 확인할 것입니다.

Aboobaker는 “많은 면에서 MOXIE는 실제로 과학 데이터를 취하지 않습니다. 암석 샘플을 분석하는 데 사용되는 망원경이나 분광계와 같은 과학 기기에 비해 MOXIE에서 수집한 데이터는 비교적 간단합니다. “우리가 가진 것은 거의 엔지니어링 원격 측정 데이터와 같습니다. 우리는 전압, 전류, 온도 등을 측정합니다. 그것이 우리의 데이터이고 데이터 볼륨은 실제로 매우 작습니다. 플로피 디스크에 거의 넣을 수 있습니다.”

이는 팀이 시스템이 의도한 대로 작동하는지 여부에 대한 매우 빠른 피드백을 며칠 내에 얻을 수 있음을 의미합니다. 데이터 분석에 몇 주, 몇 달 또는 몇 년이 걸리는 다른 Perseverance 기기와 달리 MOXIE는 실험만큼이나 실용적인 데모입니다.

"많은 면에서 우리가 하고 있는 일은 과학이 아니라 기술입니다."라고 Aboobaker는 말했습니다. “대부분 우리는 그것이 효과가 있는지 알고 싶을 뿐입니다. 그리고 미래에 규모를 키우고 싶다면 그렇게 하기 위해 어떤 일을 해야 할까요?”

화성을 위한 McMurdo 기지

MOXIE가 성공하면 ISRU의 원리가 화성에서 어떻게 작동하는지 보여줄 수 있습니다. 그런 다음 프로젝트를 확장하고 훨씬 더 빠른 속도로 산소를 생산할 수 있는 본격적인 버전을 만드는 것이 상대적으로 간단합니다. 그리고 좋은 소식은 더 큰 버전이 더 효율적이고 너무 많은 전력을 필요로 하지 않고도 상당한 양의 산소를 생산할 수 있다는 것입니다.

산소를 분류하면 화성에 사는 인간에게 필요한 다른 종류의 자원으로 이동할 수 있습니다. 지구에 기지를 세우는 데 필요한 또 다른 필수 자원은 물. 인간이 마실 뿐만 아니라 물(또는 수소)과 이산화탄소가 매우 다양한 유용한 화학 물질로 결합될 수 있기 때문입니다.

Hecht는 "단기적으로 우리는 임무를 실현하기 위해 일정량의 자율적 ISRU를 수행하기를 원합니다."라고 말했습니다. “남극의 McMurdo 기지나 국제 우주 정거장과 같은 행성에 기지가 있으면 얼음 채굴과 같은 훨씬 더 공격적인 유형의 ISRU에 대해 생각할 수 있습니다.

“많은 사람들이 우리가 자율적으로 얼음을 채굴해야 한다고 생각합니다. 그러나 나는 아니오라고 말합니다. 노력할 가치가 없습니다. 얼음은 광물입니다. 즉, 얼음을 캐내야 하고 정화해야 합니다. 그냥 가져오시면 편하실거에요. 그러나 MOXIE와 같은 것은 기계적인 나무입니다. 이산화탄소를 들이마시고 산소를 내뱉습니다.”

채굴을 통해 자원을 찾는 것과 비교할 때 MOXIE는 훨씬 간단하다고 Hecht는 주장합니다. “아무데도 가지 않아도, 아무것도 찾을 필요가 없습니다. 그것들은 단기적으로 정말 실용적인 IRSU 방법의 종류입니다. 더 복잡한 작업을 수행할 수 있는 사람이 표면에 나타날 때까지 나머지는 연기합니다.”

뜻밖의 화성 현상금

화성에는 많은 수빙이 있지만 극지방에 있으며 대부분의 화성 임무는 사막과 같은 적도에 착륙하는 데 초점을 맞추고 싶어합니다. 이 문제를 해결하기 위한 현재 개념에는 향후 사용을 위해 더 적은 양의 얼음 위치를 매핑할 수 있는 글로벌 얼음 매핑 아이디어가 포함됩니다.

또 다른 옵션은 화성 토양의 광물에서 물을 추출하는 것입니다. "석고와 엡솜 염과 같은 황산염과 같은 미네랄이 있고 많은 물을 끌어들입니다."라고 Hecht는 설명했습니다. “그래서 그것들을 파내고 굽고 물을 빼낼 수 있었습니다. 당신은 꽤 풍부한 물을 얻기 위해 토양을 채굴할 수 있습니다.”

그러나 화성에는 우리가 지구에서 발견하는 것과 유사한 물질만 있는 것은 아닙니다. 또한 과염소산염(ClO4)이라는 화학 물질이 다량 함유되어 있어 인체 건강에 유해하고 지구상에서 소량만 발견됩니다. 독성이 있음에도 불구하고 이 물질은 화학적 특성으로 인해 고체 로켓 부스터, 폭죽, 에어백 등에 사용되기 때문에 매우 유용할 수 있습니다.

"화성에서 토양에 있는 대부분의 염소는 과염소산염으로 밝혀졌습니다."라고 Hecht는 말했습니다. “토양의 거의 1%를 차지합니다. 그리고 그것은 엄청난 양의 에너지를 가지고 있습니다. ClO4에서 산소 원자를 방출하여 Cl을 만들면 엄청난 양의 에너지가 방출됩니다. 나는 항상 그것이 수확하기에 좋은 자원이 될 것이라고 생각했습니다.”

이것의 문제는 이러한 응용 프로그램이 모두 폭발적이며 ClO4의 반응을 제어하는 ​​것이 어렵다는 것입니다. 그러나 에너지를 부드럽게 방출할 수 있는 잠재력을 가진 시스템이 있습니다. 생물학적 반응기.

"미생물은 이 물질을 먹고 에너지를 생산할 수 있습니다."라고 Hecht는 설명했습니다. “그리고 사람들은 실제로 이런 종류의 생물학적 반응기를 만들었습니다. 이것은 어떤 물질을 소화하고 그것으로부터 에너지를 추출하는 박테리아 탱크입니다.

“그래서 저는 로버 뒤에 있는 생물학적 반응기에 대한 비전을 가지고 있고 우주비행사가 타고 돌아다닙니다. 그리고 파워 게이지가 낮아지면 그들은 나가서 뒤쪽에 있는 호퍼에 흙을 삽질하기 시작합니다. 그러면 미생물이 흙을 먹고 에너지를 만들고 우주 비행사는 계속 운전할 수 있습니다. 엉뚱한 생각이지만 그게 내 애완 자원 활용 개념입니다.”

이 글은 화성에 생명체 — 인간이 화성을 점령할 수 있게 해주는 최첨단 과학과 기술을 탐구하는 10부작 시리즈입니다.

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