Kaip Marse pastatysime bazę su kvėpuojančiu oru

Kad ir kaip baugintų pirmą kartą išsiųsti žmones į kitą planetą, patekti ten yra tik pusė iššūkio. Didelė problema yra ta, kaip žmonės gali egzistuoti planetos paviršiuje su nekvėpuojančia atmosfera, kosmine spinduliuote ir užšalusia paviršiaus temperatūra milijonus mylių nuo namų.

Norėjome sužinoti, kaip paruoštumėte svetimą planetą žmonėms gyventi, todėl kalbėjomės su dviem ekspertais iš Masačusetso instituto. Technologijų profesorius Michaelas Hechtas ir NASA inžinierius Asadas Aboobakeris, norėdami išsiaiškinti, kaip išlaikyti astronautus gyvus planetoje, kuri nori žudyti juos.

Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse - 10 dalių serija, kurioje nagrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą

Galimybių langas

Siunčiant žmones į raudonąją planetą yra esminis laiko tarpas. Dėl Žemės ir Marso orbitų lengviausias būdas patekti iš vienos planetos į kitą yra trajektorija, vadinama Hohmano perdavimo orbita, kuriame laivas juda orbita, kuri palaipsniui spirale krypsta į išorę.

"Taip yra dėl to, kaip planetos sukasi", - paaiškino Hechtas. „Žemė yra Marso orbitos viduje ir sukasi greičiau nei Marsas, todėl aplenkia ją keletą kartų. Marso metai yra beveik dveji Žemės metai.

„Taigi jūs turite nustatyti paleidimo laiką. O langas yra kiekvienais Marso metais – kas 26 mėnesius, tuo metu, kai Marsas yra arti Žemės, vadinamas Marso opozicija. Taigi kas 26 mėnesius turite galimybę paleisti erdvėlaivį į Marsą šia optimalia orbita.... Taigi planai į Marsą yra pirmiausia atsiųsti infrastruktūrą, o po 26 mėnesių mes atsiųsime įgulą.

Infrastruktūros siuntimas reiškia ne tik pasirūpinimą, kad astronautai galėtų kvėpuoti, ir maisto, kad jie galėtų valgyti. Tai taip pat reiškia, kad reikia išsiųsti ir pastatyti elektrinę, buveinę, roverius ir kilimo transporto priemonę, kad astronautai galėtų išvykti, kai tik jų misija bus baigta.

Kodėl deguonis toks svarbus

Pirmas didelis klausimas, kurį reikia išspręsti kuriant Marso bazę, yra deguonies gamyba. Kai girdite apie deguonies gamybą Marse, tikriausiai galvojate apie pagrindinį žmogaus poreikį: turėti oro, kuriuo galėtų kvėpuoti. Ir, žinoma, turime rasti būdą, kaip sukurti kvėpuojančią atmosferą uždaroje Marso buveinėje. Tačiau tam reikia tik palyginti nedidelio deguonies kiekio, palyginti su dideliu poreikiu – raketos, kuri iškels astronautus iš paviršiaus, kuro kuro.

„Mes bandome gaminti raketinį kurą“, – sakė Hechtas. „Mes nebandome gaminti kuro, mes bandome padaryti tą cheminės reakcijos dalį, apie kurią Žemėje niekada negalvojame“. Čia toliau Žeme, kai deginate benziną savo automobilio variklyje, sunaudojate kelis kartus daugiau degalų svorio deguonyje, kad sukurtumėte reakcija. Tas pats su rąsto degimu židinyje.

Tačiau „jei einate kur nors, kur nėra laisvo deguonies, turite jį pasiimti su savimi“, - pridūrė Hechtas.

Šiuolaikinėse raketose yra skysto deguonies rezervuarai, kurie tiekia šį raketinį kurą, o paleidimo metu jie sudaro didelę svorio dalį.

„Mums prireiktų beveik 30 metrinių tonų deguonies, kad ši raketa išgabentų tuos astronautus iš planetos ir į orbitą“, – sakė Hechtas. „Ir jei turėsime pasiimti tas 30 metrinių tonų deguonies su savimi į Marsą, tai nustums visą misiją dešimtmečiu atgal. Daug lengviau išsiųsti tuščią baką ir užpildyti jį deguonimi.

Pasinaudodami tuo, kas yra prieinama

Norėdami sukurti deguonį Marse, Hechtas ir jo kolegos kuria koncepciją, vadinamą in situ išteklių panaudojimu (ISRU). Iš esmės tai reiškia, kad reikia panaudoti tai, kas jau yra Marse, kad sukurtume tai, ko mums reikia.

Jie sukūrė eksperimentą, pavadintą MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilisation Experiment), kuris buvo patogiai nugabentas į Marsą kartu su NASA Perseverance rover kuris sėkmingai nusileido 2021 m. vasario mėn. MOXIE iš tikrųjų yra miniatiūrinė potencialiai daug didesnio įrenginio versija, kuri sugeria anglies dioksidą, kurio Marso atmosferoje yra daug, ir gamina deguonį.

Tai gali atrodyti sudėtinga, bet iš tikrųjų įrenginys panašus į kažką gerai žinomo čia, Žemėje. „MOXIE labai panašus į kuro elementą“, – sakė Hechtas. „Tai beveik identiška. Jei paimtumėte kuro elementą ir pakeistumėte du įeinančius laidus, turėtumėte elektrolizės sistemą. Tai reiškia, kad jei tai būtų kuro elementas, turėtumėte kurą ir oksidatorių, kurių molekulė yra stabili. Jei tai būtų anglies monoksidas kaip kuras ir deguonis, jis sudarytų anglies dioksidą. Taip pat atjungsite elektrą.

„Jei paleidžiate atbuline eiga, turite įdėti anglies dvideginio ir įvesti elektrą. Bet jūs pašalinate anglies monoksidą ir deguonį. Štai kaip mes žinome, kaip tai padaryti“.

Ši iš pažiūros paprasta idėja yra radikali, nes ji sprendžia problemą, kurią vargu ar kas nors iš kosmoso bendruomenės laiko problema: deguonies gamyba. „Niekas nenori gaminti deguonies Žemėje – neturime tam jokios priežasties“, – sakė Hechtas. „Jo turime daug visur. Tačiau mes turime daug žinių dėl kuro elementų.

Kaip sukurti deguonies aparatą

Suprasti cheminius deguonies aparato kūrimo principus yra vienas dalykas, o suprojektuoti ir sukurti versiją, kuri tilptų į roverį, yra kita. Aboobaker, NASA Reaktyvinio varymo laboratorijos (JPL) MOXIE šilumos inžinierius, dalyvavęs MOXIE Projekto kūrimo metu, paaiškino, kaip buvo sukurtas eksperimentas ir kai kuriuos iššūkius JPL komandai teko įveikti spręsti.

„Pagrindinis mūsų išteklių apribojimas, be masės ir nedidelės darbo vietos, buvo energija“, – sakė jis. „Roveryje yra radioizotopinis termoelektrinis generatorius, kuris yra branduolinės energijos šaltinis. Taigi žmonės mano, kad roveris varomas branduoline energija, bet taip nėra. Jis maitinamas akumuliatoriumi, su branduoliniu įkrovikliu.

Tai reiškia, kad tyrėjai turi būti ypač atsargūs, kiek energijos jie naudoja, kad neišeikvotų akumuliatoriaus. Visas Perseverance roveris veikia tik 110 vatų, o tai tik šiek tiek daugiau nei ryški lemputė.

Savo ruožtu toks eksperimentas kaip MOXIE gali sunaudoti tik nedidelį kiekį energijos. „Taigi nustatome ribą, kiek šildytuvo galios galime naudoti jam pašildyti, kiek galios kompresorius, kuris pučia dujas į sistemą, gali sunaudoti ir kiek laiko galime veikti“, – sakė Aboobakeris.

Štai kodėl MOXIE versija, keliaujanti per Perseverance, yra tokia maža, nors sistema veiktų taip pat gerai ar net geriau didesniu mastu.

Mes tiesiog norime sužinoti, ar tai veikia

Tačiau įrangos projektavimas yra tik viena eksperimento pusė – kita pusė tikrina, ar ji iš tikrųjų veikia Marse. Net ir naudojant koncepciją, kuri tvirtai veikia čia, Žemėje, gali atsirasti netikėtų svetimos aplinkos pasekmių plona atmosfera, turinti įtakos šilumos perdavimui, guoliams, kurie netikėtai susidėvi dėl mažesnės gravitacijos ir nepažįstamų dulkės. Štai kodėl JPL inžinieriai netrukus rinks duomenis iš MOXIE, kad pamatytų, kaip sekasi tikroje Marso aplinkoje.

„Daugeliu atžvilgių MOXIE iš tikrųjų nesiima mokslo duomenų“, - sakė Aboobaker. Palyginti su moksliniais instrumentais, tokiais kaip teleskopai ar spektrometrai, naudojami uolienų mėginiams analizuoti, iš MOXIE surinkti duomenys yra gana paprasti. „Mes turime beveik inžinerinius telemetrijos duomenis. Matuojame įtampas, sroves ir temperatūrą, panašius dalykus. Tai yra mūsų duomenys, o duomenų kiekis iš tikrųjų yra gana mažas. Jį beveik galėtumėte sutalpinti į diskelį.

Tai reiškia, kad komanda gali gauti labai greitą atsiliepimą apie tai, ar sistema veikia taip, kaip numatyta – per kelias dienas. Skirtingai nuo kitų Perseverance instrumentų, kurių duomenų analizė užtrunka savaites, mėnesius ar net metus, MOXIE yra tiek praktinis demonstravimas, tiek eksperimentas.

„Daugeliu atžvilgių tai, ką mes darome, yra ne mokslas, o technologijos“, - sakė Aboobaker. „Dažniausiai mes tiesiog norime sužinoti, ar tai veikia. Ir jei ateityje norėtume jį padidinti, kokių dalykų turėtume padaryti, kad tai padarytume?

McMurdo stotis Marsui

Jei MOXIE pasiseks, jis gali parodyti, kaip ISRU principas gali veikti Marse. Tada gana paprasta išplėsti projektą ir sukurti pilno masto versiją, kuri galėtų gaminti deguonį daug greičiau. Ir gera žinia yra ta, kad didesnė versija būtų efektyvesnė ir galėtų pagaminti daug deguonies nereikalaujant per daug energijos.

Surūšiavus deguonį, galėtume pereiti prie kitų išteklių, kurių mums prireiktų Marse gyvenantiems žmonėms. Dar vienas iš svarbiausių išteklių, kurių mums prireiktų bazei planetoje įkurti vandens. Ne tik žmonėms gerti, bet ir todėl, kad vanduo (arba vandenilis) ir anglies dioksidas gali būti sujungti į daugybę naudingų cheminių medžiagų.

„Idėja trumpuoju laikotarpiu yra ta, kad norime atlikti tam tikrą savarankišką ISRU, kad mūsų misijos būtų įmanomos“, – sakė Hechtas. „Kai turėsime bazę planetoje, pavyzdžiui, McMurdo stotį Antarktidoje arba kaip Tarptautinę kosminę stotį, galėsite galvoti apie daug agresyvesnius ISRU tipus, pavyzdžiui, ledo kasimą.

„Daugelis žmonių mano, kad ledą turėtume kasti savarankiškai. Bet sakau, kad ne, neverta stengtis. Ledas yra mineralas, tai reiškia, kad jūs turite jį ieškoti, turite jį iškasti, turite jį išvalyti. Bus lengviau tiesiog atsinešti. Tačiau kažkas panašaus į MOXIE yra mechaninis medis. Jis įkvepia anglies dioksidą ir iškvepia deguonį.

Palyginti su išteklių medžiokle kasybos būdu, MOXIE yra daug paprastesnis, teigia Hechtas. „Tai neturi niekur eiti, nieko nereikia ieškoti. Tokie IRSU metodai yra tikrai praktiški per trumpą laiką. Likusią dalį atidedate, kol atsiras žmonių, galinčių atlikti sudėtingesnes užduotis.

Netikėta Marso dovana

Marse yra daug vandens ledo, tačiau jis yra ašigalyje, o dauguma Marso misijų nori sutelkti dėmesį į nusileidimą ties pusiauju, kuris yra tarsi dykuma. Dabartinės šios problemos sprendimo koncepcijos apima pasaulinio ledo žemėlapių sudarymo idėją, kai ateityje būtų galima nustatyti mažesnio ledo kiekio vietas.

Kitas variantas – išgauti vandenį iš Marso dirvoje esančių mineralų. "Yra mineralų, tokių kaip gipsas ir Epsom druskos, kurie yra sulfatai ir pritraukia daug vandens", - paaiškino Hechtas. „Kad galėtumėte juos iškasti, iškepti ir išleisti vandenį. Galite iškasti dirvožemį vandeniui, kurio yra gana daug.

Tačiau Marse yra ne tik panašių medžiagų į tas, kurias randame čia, Žemėje. Jame taip pat yra daug cheminės medžiagos, vadinamos perchloratu (ClO4), kuri yra pavojinga žmonių sveikatai ir mūsų planetoje randama tik nedideliais kiekiais. Nepaisant to, kad ši medžiaga yra toksiška, ji gali būti labai naudinga dėl savo cheminių savybių, nes ji naudojama kietiesiems raketų stiprintuvams, fejerverkams ir oro pagalvėms.

„Pasirodo, kad Marse didžioji dalis chloro dirvožemyje yra perchloratas“, - sakė Hechtas. „Jis sudaro beveik 1% dirvožemio. Ir jis turi nepaprastai daug energijos. Kai iš ClO4 išleidžiate deguonies atomus, kad susidarytumėte Cl, jis išskiria didžiulį kiekį energijos. Visada maniau, kad tai būtų puikus derliaus išteklius.

Problema ta, kad visos šios programos yra sprogios, o kontroliuoti ClO4 reakciją yra sudėtinga. Tačiau yra sistema, kuri gali švelniai išleisti energiją naudojant a biologinis reaktorius.

„Mikrobai gali valgyti šiuos dalykus ir gaminti energiją“, - paaiškino Hechtas. „Ir žmonės iš tikrųjų pastatė tokius biologinius reaktorius, kurie yra bakterijų bakai, kurie virškina kai kurias medžiagas ir išgauna iš jos energiją.

„Taigi aš turiu tokią biologinio reaktoriaus viziją roverio gale, o astronautas įlipa ir važiuoja aplinkui. Ir kai galios matuoklis sumažėja, jie išlipa ir pradeda kastuvu kasti žemę į bunkerį gale, o mikrobai suėda dirvą ir gamina energiją, o astronautas gali toliau važiuoti. Tai beprotiška idėja, bet tokia yra mano augintinio išteklių naudojimo koncepcija.

Šis straipsnis yra dalis Gyvenimas Marse - 10 dalių serija, kurioje nagrinėjami pažangiausi mokslai ir technologijos, kurios leis žmonėms užimti Marsą.

Redaktorių rekomendacijos

• Kosmologinė kelionė į darbą ir atgal: sudėtinga logistika, kai žmonės iškeliauja į Marsą
• Tobulinti varomąją jėgą: kaip mes nukelsime žmones į Marsą
• Pilys iš smėlio: kaip sukursime buveines su Marso dirvožemiu
• Derliaus nuėmimas: kaip būsimieji naujakuriai kurs ir rinks vandenį Marse
• Astroagrikultūra: kaip auginsime pasėlius Marse