Hidratācijas iegūšana: kā mēs savāksim ūdeni uz Marsa

Mēs jau gadu desmitiem esam sapņojuši par cilvēku nosūtīšanu uz citu planētu, un, ņemot vērā neseno intereses pieaugumu par Marsa izpēti, šķiet, ka kādu dienu tas varētu kļūt par realitāti.

Taču vēl ir daudz darāmā, pirms mēs būsim gatavi tam, ka cilvēks spēs kāju uz sarkanās planētas.

No visiem resursiem, kas būs nepieciešami Marsa apmeklētājiem, viens no nozīmīgākajiem ir ūdens – ne tikai dzeršanai, bet arī raķešu degvielas un citu vielu, piemēram, skābekļa, ražošanai. Un ja mēs esam cerot tur izveidot lauksaimniecību, mums būs nepieciešams daudz ūdens, lai saglabātu labības augšanu.

Bet Marsa virsma izskatās pēc sausa, neviesmīlīga tuksneša. Mūsdienās Marsam nav ne ezeru, ne upju, ne nokrišņu.

Tātad, no kurienes mēs ņemsim ūdeni? Mēs runājām ar trim ekspertiem, lai noskaidrotu.

Šis raksts ir daļa no Dzīve uz Marsa

Ūdens atrašana uz Marsa

Lai gan mums ir daudzu gadu attālumā no pilnībā funkcionējošas bāzes izveides uz Marsa, kosmosa aģentūras, piemēram, NASA, jau domā par ūdens problēmu. Nest ūdeni no Zemes ir nepraktiski – tas ir pārāk smags, lai raķetē pārvadātu visu misijai nepieciešamo ūdeni. Tātad plāns ir savākt ūdeni no Marsa vides, un, lai to izdarītu, mums būtu jāzina, kur ūdens atrodas.

Labā ziņa ir tā, ka uz Marsa virsmas ir daudz ūdens ledus veidā, tostarp ledus klāj polus un milzīgi krāteri. Sliktā ziņa ir tā, ka misija uz šiem stindzinoši aukstajiem reģioniem rada savas problēmas, piemēram, enerģijas daudzumu, kas būtu nepieciešams, lai gan cilvēki, gan mašīnas uzturētu siltumu pat -240 °F temperatūrā. Tāpēc lielākā daļa Marsa misiju koncentrējas uz vidējo platuma grādu reģioniem, kur temperatūra ir maigāka.

Šajos reģionos ledus uz virsmas nav, lai gan zem zemes ledus ir. Taču, ja vien nevēlaties izsūtīt astronautu ar lāpstu, lai ņemtu paraugus no katra planētas netīruma, jums ir nepieciešams veids, kā ātri un efektīvi kartēt šo zemūdens ledu.

X apzīmē vietu

Tas ir tas, pie kā Garets Morgans un Tans Putcigs no Planētu zinātnes institūta strādā Subsurface Water Ice Mapping (SWIM) projekta ietvaros. Viņi un viņu kolēģi ir apvienojuši 20 gadu datus no pieciem dažādiem orbitālajiem Marsa instrumentiem, lai noteiktu, kur ledus, visticamāk, atrodas zem virsmas. Katra datu kopa, piemēram, radara rādījumi vai ūdeņraža indikācijas, var pastāstīt tikai tik daudz par to, vai ledus atrodas noteiktā vietā, taču kopā tie var norādīt, kādas būtu labākās ledus atrašanas vietas būt.

Viņu darba mērķis ir palīdzēt NASA izvēlēties turpmākās nolaišanās vietas apkalpes misijām, lai astronauti varētu piekļūt pazemes ledus, vienlaikus ļaujot pēc iespējas vairāk brīvības izvēlēties zinātniski interesantu izpēti apgabalā.

"Tehnoloģija un inženierija noteiks, kā novietot cilvēkus uz Marsa," sacīja Morgans, "un viņiem būs savi ierobežojumi, kur tas var notikt. Viņi arī vēlas, lai zinātnes aprindas atrastu zinātniski dzīvotspējīgākās, interesantākās un aizraujošākās vietas, kur nolaisties. Tāpēc mūsu uzdevums ir savienot abas šīs pasaules, sniedzot abām komandām plašu izpratni par to, kur atrodas resursi.

Šī karte var parādīt, kur ledus var atrasties, bet tikai tad, ja ledus atrodas mazāk nekā piecus metrus zem zemes. Ir arī grūti precīzi noteikt, cik dziļi ledus atrodas kādā noteiktā apgabalā, jo izmantotās noteikšanas metodes var sniegt tikai aptuvenus ledus satura aprēķinus.

Un pastāv liela praktiska atšķirība starp to, cik grūti ir piekļūt ledus, kas atrodas dažas collas zem virsmas, salīdzinājumā ar ledu, kas atrodas zem metriem blīva akmens.

Jauns rīks ledus noteikšanai

Lai noskaidrotu, cik dziļš ir ledus uz Marsa, mums būs vajadzīgi jauni centieni, piemēram, Marsa ledus kartētāja misija: Kosmosa kuģis, pie kura NASA un citas starptautiskās kosmosa aģentūras strādā kopā, un tas būs Marsa orbītā un izmantot divu veidu radaru metodes, lai noteiktu, cik dziļi ledus atrodas zem virsmas.

"Galvenā ideja ir iegūt augstākas frekvences un augstākas izšķirtspējas radaru," skaidroja Putcigs. Ice Mapper misija joprojām ir koncepcijas stadijā, un viņš un Morgans tajā nav tieši iesaistīti. Bet viņi ir dzirdējuši par misijas koncepcijām no citiem zinātniekiem, un viņi dalījās ar informāciju par to, kā tā darbosies.

Pirmo radara metodi, ko izmantos kartētājs, sauc par sintētisko apertūras radara attēlveidošanu. Tas ietver radaru, kas vērsts leņķī pret virsmu, kas "dod jums priekšstatu par sekla ledus plašo izplatību", sacīja Putcigs. "Ar šo metodi jūs varat to salīdzinoši ātri noteikt lielā reģionā."

Otrā metode ir radara zondēšana, kur radars ir vērsts tieši uz leju, lai tas atsitos no ledus slāņa augšdaļas. Tas parāda, cik dziļa ir ledus slānis. Apvienojot abus, "jūs iegūstat kartes skatu un šķērsgriezuma skatu," viņš teica.

Un tad jūs zināt, kur rakt.

Piekļūstam ūdenim, tiklīdz to atrodam

Ledus atrašanās vietas noteikšana ir tikai pirmais solis ūdens savākšanā. Lai no cieta ledus blokiem zem zemes nonāktu pie tīra, droša ūdens dzeršanai un citiem mērķiem, mums būs jāatrod veids, kā iegūt un apstrādāt ledu.

Ja zināt, cik dziļi atrodas ledus, un domājat, ka ir pieejams ievērojams ledus daudzums, varat veikt urbumus, lai līdz tam nokļūtu. Problēma, kā paskaidroja Sidneja, Marsa ūdens kartēšanas projekta vadītājs NASA reaktīvo dzinēju laboratorijā, ir tas, ka jums ir jāzina, kāda veida akmeni jūs urbsit, lai jūs varētu ņemt līdzi pareizo instrumentu darbs.

Pašlaik mūsu izpratne par Marsa virsmas un apakšzemes sastāvu ir ierobežota, un tas ir radījis problēmas Marsa misijās, piemēram, InSight, kur nolaižamās ierīces siltuma zonde nevarēja nokļūt zem virsmas jo augsnei bija nedaudz atšķirīgs berzes līmenis, nekā bija paredzēts. Tāpēc mums būs nepieciešama vairāk informācijas par iežu sastāvu noteiktā apgabalā, pirms mēs varam izstrādāt urbi, lai tajā iebrauktu.

Kad esat izurbis ledu caurumu, varat izmantot sistēmu, ko sauc par Rodrigesa aku, kas pašlaik tiek izmantota uz Zemes tādās vietās kā Antarktīda, lai piekļūtu ūdenim. Būtībā jūs iegremdējat apsildāmu stieni izurbtajā caurumā, kas izkausē ledu un izveido šķidra ūdens aku, ko pēc tam varat sūknēt uz virsmas. Tas prasa enerģijas piegādi siltuma veidā, taču tas ir efektīvs veids, kā piekļūt potenciāli lielam ūdens daudzumam.

Cepti akmeņi

Ir arī vēl viena ūdens savākšanas iespēja: mēs varētu to iegūt no hidratētiem minerāliem, kuru daudzos Marsa apgabalos ir daudz. Tur ir tādi akmeņi kā ģipsis, kas satur ūdeni, un, ja jūs sasmalcina, tad cep tos akmeņus, jūs varat kondensēt ūdeni un savākt to.

Bet pamanīt šos minerālus nav viegli. Lai identificētu šos hidratētos minerālus no orbītas, pētnieki izmanto metodi, ko sauc par atstarošanas spektroskopiju. Instrumenti kosmosa kuģos ap Marsu var noteikt saules gaismu, kad tā tiek atstarota no virsmas, radot tā sauktos spektrus. Dažus atstarotās gaismas viļņu garumus absorbē noteiktas ķīmiskas vielas, ļaujot zinātniekiem secināt, no kā ir izgatavoti tālāk minētie akmeņi. Bet šis signāls ir tikai vidējais rādītājs novērotajam apgabalam, un var būt vairākas ķīmiskas vielas, kas absorbē vienādus viļņu garumus. Tāpēc dažādu signālu atšifrēšana var būt izaicinājums.

"Man patīk to izskaidrot: jums ir kūka, ko esat saņēmis," sacīja Do. "Jums ir jāmēģina un noskaidrojiet, no kādām sastāvdaļām tas ir izgatavots un cik daudz katras sastāvdaļas veicināja tā pagatavošanu kūka. Tas būtībā ir tas, ko mēs darām ar šiem atstarojošajiem signāliem — mēs cenšamies tos sadalīt to sastāvdaļās, lai noskaidrotu, kas tur ir.

Padarot ūdeni drošu

Jebkurā gadījumā, kad esat savācis ūdeni, kausējot ledu vai cepot akmeņus, jums tas ir jāapstrādā. Ūdens var būt pilns ar kaitīgiem piemaisījumiem, piemēram, smagajiem metāliem vai sāļiem, piemēram, perhlorātiem, tāpēc pirms lietošanas tas ir jātīra un jāatsāļo. Teorētiski mēs zinām, kā to izdarīt, veicot līdzīgu apstrādi kā ūdenim uz Zemes, taču izaicinājums uz Marsa ir tas, ka mēs pašlaik nezinām, kādus piesārņotājus sagaidīt.

Tāpat kā daudzos Marsa ūdens apsaimniekošanas aspektos, problēma nav koncepcijā, bet gan izpildījumā. Ūdens apsaimniekošanas tehnoloģija uz Zemes ir labi saprotama, taču vēl ir daudz darāmā, lai mēs varētu izveidot sistēmu, kas darbotos uz citas planētas.

"Mēs zinām pamatprincipus, kā to izdarīt," sacīja Do. "Taču mēs pilnībā nesaprotam vides apstākļus, kādos mums būtu jādarbina šī iekārta." Viss, sākot no Marsa plānās atmosfēras līdz zemajai gravitācijai un beidzot ar to daudz putekļu varētu mainīt veidu, kā mašīnas darbojas. Nemaz nerunājot par to, ka ūdens sistēmai ir jābūt ne tikai mazai un pietiekami vieglai, lai to varētu ievietot raķetē, bet arī ļoti uzticamai — uz Marsa nav remontdarbnīcu.

Šeit parādīsies nākamā tehnoloģisko inovāciju robeža. Mums šobrīd ir zināšanas par to, kā izveidot sistēmu ūdens ieguvei un apstrādei, Do teica: "Bet virpošana tos principus tehnoloģijās, kas uzticami darbojas vidē, kādu mēs no tās sagaidām – tas joprojām ir atvērts.”

Šis raksts ir daļa no Dzīve uz Marsa - 10 daļu sērija, kas pēta visprogresīvākās zinātnes un tehnoloģijas, kas ļaus cilvēkiem ieņemt Marsu

Redaktoru ieteikumi

• Kosmoloģiska pārvietošanās: sarežģītā loģistika cilvēku nosūtīšanai uz Marsa
• Piedziņas pilnveidošana: kā mēs nogādāsim cilvēkus uz Marsu
• Pilis no smiltīm: kā mēs veidosim biotopus ar Marsa augsni
• Mākslīgā atmosfēra: kā mēs uz Marsa izveidosim bāzi ar elpojošu gaisu
• Astrolauksaimniecība: kā mēs audzēsim labību uz Marsa