Kā mēs uz Marsa izveidosim bāzi ar elpojošu gaisu

Lai arī cik biedējoši būtu cilvēku sūtīšana uz citu planētu pirmo reizi, nokļūšana tajā ir tikai puse no izaicinājuma. Lielā problēma ir tā, kā cilvēki var pastāvēt uz planētas virsmas ar neelpojošu atmosfēru, kosmisko starojumu un sasalstošu virsmas temperatūru miljoniem jūdžu attālumā no mājām.

Mēs vēlējāmies uzzināt, kā jūs sagatavotos svešzemju planētai cilvēku dzīvošanai, tāpēc mēs runājām ar diviem ekspertiem no Masačūsetsas institūta. Tehnoloģiju profesors Maikls Hehts un NASA inženieris Asads Aboobakers, lai noskaidrotu, kā saglabāt astronautus dzīvus uz planētas, kas vēlas nogalināt viņiem.

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

Iespēju logs

Cilvēku nosūtīšanai uz sarkano planētu ir būtiska laika nobīde. Zemes un Marsa orbītu dēļ vienkāršākais veids, kā nokļūt no vienas planētas uz otru, ir izmantot trajektoriju, ko sauc par

Hohmaņa pārneses orbīta, kurā kuģis pārvietojas pa orbītu, kas pakāpeniski virzās uz āru.

"Tas ir saistīts ar planētu rotācijas veidu," paskaidroja Hehts. “Zeme atrodas Marsa orbītā, un tā griežas ātrāk nekā Marss, tāpēc tā apgriež to pāris reizes. Marsa gads ir gandrīz divi Zemes gadi.

"Tātad jums ir jānosaka palaišanas laiks. Un katru Marsa gadu ir logs — ik pēc 26 mēnešiem, laikā, ko sauc par Marsa opozīciju, kad Marss atrodas tuvu Zemei. Tātad ik pēc 26 mēnešiem jums ir iespēja palaist kosmosa kuģi uz Marsu šajā optimālajā orbītā. Tātad Marsa plāni ir vispirms nosūtīt infrastruktūru un pēc 26 mēnešiem mēs nosūtīsim apkalpi.

Infrastruktūras nosūtīšana nenozīmē tikai to, ka astronautiem ir jānodrošina gaiss, ko elpot, un ēdiens, ko viņi var ēst. Tas nozīmē arī elektrostacijas, biotopa, roveru un pacelšanās transportlīdzekļa nosūtīšanu un uzbūvēšanu, lai astronauti varētu doties prom, tiklīdz viņu misija ir beigusies.

Kāpēc skābeklis ir tik svarīgs

Pirmais lielais jautājums, kas jārisina, veidojot Marsa bāzi, ir skābekļa ražošana. Kad dzirdat par skābekļa ražošanu uz Marsa, jūs, iespējams, domājat par cilvēka pamatvajadzību: lai būtu gaiss, ko elpot. Un, protams, mums ir jāatrod veids, kā radīt elpojošu atmosfēru ierobežotā Marsa dzīvotnē. Taču tam ir vajadzīgs tikai salīdzinoši neliels skābekļa daudzums, salīdzinot ar lielo pieprasījumu — propelentu raķetei, kas palaidīs astronautus no virsmas.

"Mēs cenšamies izgatavot raķešu degvielu," sacīja Hehts. "Mēs necenšamies ražot degvielu, mēs cenšamies izveidot to ķīmiskās reakcijas daļu, par kuru mēs uz Zemes nekad nedomājam." Šeit tālāk Zeme, kad jūs dedzāt benzīnu savā automašīnas dzinējā, jūs izmantojat vairākas reizes vairāk nekā degvielas svaru skābeklī, lai to izveidotu reakcija. Tas pats ar malkas dedzināšanu kamīnā.

Tomēr, "ja dodaties kaut kur, kur nav brīva skābekļa, jums tas jāņem līdzi," piebilda Hehts.

Mūsdienu raķetēm ir šķidrā skābekļa tvertnes, kas nodrošina šo degvielu, un tās veido ievērojamu svara daļu palaišanas brīdī.

"Mums būtu vajadzīgas gandrīz 30 tonnas skābekļa, lai darbinātu šo raķeti, lai nogādātu šos astronautus no planētas un nonāktu orbītā," sacīja Hehts. "Un, ja mums līdzi uz Marsu būs jāpaņem šīs 30 tonnas skābekļa, tas visu misiju atbīdīs desmit gadus atpakaļ. Ir daudz vieglāk nosūtīt tukšu tvertni un piepildīt to ar skābekli.

Izmantotā pieejamā izmantošana

Lai radītu skābekli uz Marsa, Hehts un viņa kolēģi strādā pie koncepcijas, ko sauc par in situ resursu izmantošanu (ISRU). Būtībā tas nozīmē izmantot to, kas jau atrodas uz Marsa, lai radītu mums nepieciešamo.

Viņi ir izveidojuši eksperimentu ar nosaukumu MOXIE (Mars Oxygen In-Situ resursu izmantošanas eksperiments), kas tika ērti nogādāts uz Marsu kopā ar NASA Perseverance rover kas veiksmīgi nokļuva 2021. gada februārī. MOXIE faktiski ir miniatūra versija potenciāli daudz lielākai ierīcei, kas uzņem oglekļa dioksīdu, kas ir daudz Marsa atmosfērā, un ražo skābekli.

Tas varētu izklausīties sarežģīti, taču patiesībā ierīce ir līdzīga kaut kam, kas šeit uz Zemes ir labi zināms. "MOXIE ļoti līdzinās degvielas šūnai," sacīja Hehts. "Tas ir gandrīz identisks. Ja jūs paņemtu degvielas elementu un apgrieztu divus vadus, kas nāk, jums būtu elektrolīzes sistēma. Tas nozīmē, ka, ja šī būtu degvielas šūna, jums būtu degviela un oksidētājs, kas izrādās stabila molekula. Ja tas būtu oglekļa monoksīds kā degviela un skābeklis, tas radītu oglekļa dioksīdu. Jūs saņemat arī elektrību.

“Ja palaižat to atpakaļgaitā, jums ir jāievada oglekļa dioksīds un jāievada elektrība. Bet jūs izvadāt oglekļa monoksīdu un skābekli. Lūk, kā mēs zinām, kā to izdarīt."

Šī šķietami vienkāršā ideja ir radikāla, jo tā risina problēmu, kuru gandrīz neviens ārpus kosmosa kopienas uzskata par problēmu: skābekļa ražošana. "Neviens nevēlas ražot skābekli uz Zemes - mums nav iemesla," sacīja Hehts. “Mums tā ir daudz visur. Bet mums ir daudz zināšanu, pateicoties kurināmā elementiem.

Kā izveidot skābekļa iekārtu

Izpratne par skābekļa mašīnas izveides ķīmiskajiem principiem ir viena lieta, bet cita lieta ir izstrādāt un izveidot versiju, kas var ietilpt roverā. Aboobaker, NASA reaktīvo dzinēju laboratorijas (JPL) MOXIE termoinženieris, kurš ir bijis iesaistīts MOXIE projektā visā tā izstrādes laikā, paskaidroja, kā eksperiments tika izveidots, un dažus izaicinājumus, kas JPL komandai bija jārisina risināt.

"Galvenais resursu ierobežojums, kas mums bija, papildus masai un mazajai darba vietai, bija enerģija," viņš teica. "Roveram ir radioizotopu termoelektriskais ģenerators, kas ir kodolenerģijas avots. Tāpēc cilvēki domā, ka roveris ir darbināms ar kodolenerģiju, bet tā nav. Tas ir darbināms ar akumulatoru un ar kodolenerģijas lādētāju.

Tas nozīmē, ka pētniekiem ir jābūt ļoti uzmanīgiem attiecībā uz patērēto jaudu, lai neiztukšotu akumulatoru. Viss Perseverance rover darbojas tikai ar 110 vatiem, kas ir tikai nedaudz vairāk nekā spilgta spuldze.

Savukārt tāds eksperiments kā MOXIE var izmantot tikai nelielu jaudas daudzumu. "Tādējādi tiek noteikts ierobežojums tam, cik daudz sildītāja jaudas mēs varam izmantot tā uzsildīšanai, cik daudz jaudas var uzņemt kompresors, kas iepūš gāzi sistēmā, un cik ilgi mēs varam darboties," sacīja Aboobaker.

Tāpēc MOXIE versija, kas ceļo uz Perseverance, ir tik maza, lai gan sistēma darbotos tikpat labi vai pat labāk lielākā mērogā.

Mēs tikai vēlamies zināt, vai tas darbojas

Bet aprīkojuma projektēšana ir tikai viena eksperimenta puse - otra puse pārbauda, ​​vai tas patiešām darbojas uz Marsa. Pat ar koncepciju, kas stabili darbojas šeit uz Zemes, var būt negaidītas svešas vides sekas vāja atmosfēra, kas ietekmē siltuma pārnesi, gultņiem, kas neparedzēti nodilst mazākas smaguma spēka un nepazīstamā veidā putekļi. Tāpēc JPL inženieri drīzumā apkopos datus no MOXIE, lai redzētu, kā tas darbojas īstā Marsa vidē.

"Daudzos veidos MOXIE īsti neizmanto zinātnes datus," sacīja Aboobaker. Salīdzinot ar zinātnes instrumentiem, piemēram, teleskopiem vai spektrometriem, ko izmanto iežu paraugu analīzei, no MOXIE iegūtie dati ir salīdzinoši vienkārši. “Mums ir gandrīz tādi paši kā inženiertehniskie telemetrijas dati. Mēs izmērām spriegumus un strāvu, un temperatūru, tamlīdzīgas lietas. Tie ir mūsu dati, un datu apjoms patiesībā ir diezgan mazs. Jūs to gandrīz varētu ievietot disketē.

Tas nozīmē, ka komanda dažu dienu laikā var saņemt ļoti ātru atgriezenisko saiti par to, vai sistēma darbojas, kā paredzēts. Atšķirībā no citiem Perseverance instrumentiem, kuru datu analīze aizņem nedēļas, mēnešus vai pat gadus, MOXIE ir gan praktiska demonstrācija, gan eksperiments.

"Daudzos veidos tas, ko mēs darām, nav zinātne, tā ir tehnoloģija," sacīja Aboobaker. "Lielākoties mēs tikai vēlamies zināt, vai tas darbojas. Un, ja mēs vēlētos to palielināt nākotnē, kādas ir darbības, kas mums būtu jādara, lai to izdarītu?

Makmurdo stacija Marsam

Ja MOXIE ir veiksmīgs, tas var parādīt, kā ISRU princips var darboties uz Marsa. Tad ir salīdzinoši vienkārši palielināt projektu un izveidot pilna mēroga versiju, kas varētu ražot skābekli ar daudz lielāku ātrumu. Un labā ziņa ir tā, ka lielāka versija būtu efektīvāka un varētu ražot ievērojamu daudzumu skābekļa, neprasot pārāk daudz enerģijas.

Sašķirot skābekli, mēs varētu pāriet uz citiem resursiem, kas mums būtu nepieciešami cilvēkiem, kas dzīvo uz Marsa. Vēl viens no svarīgākajiem resursiem, kas mums būtu nepieciešams, lai izveidotu bāzi uz planētas, ir ūdens. Ne tikai dzeršanai cilvēkiem, bet arī tāpēc, ka ūdeni (vai ūdeņradi) un oglekļa dioksīdu var apvienot ļoti daudzās noderīgās ķimikālijās.

"Ideja īstermiņā ir tāda, ka mēs vēlamies izveidot zināmu daļu autonomas ISRU, lai padarītu mūsu misijas iespējamas," sacīja Hehts. “Kad mums būs bāze uz planētas, piemēram, Makmerdo stacija Antarktīdā vai Starptautiskā kosmosa stacija, tad jūs varat domāt par daudz agresīvākiem ISRU veidiem, piemēram, ledus ieguvi.

"Daudzi cilvēki uzskata, ka mums ledus ieguve būtu jāveic autonomi. Bet es saku nē, tas nav pūļu vērts. Ledus ir minerāls, kas nozīmē, ka jums tas ir jāmeklē, jums tas ir jāizrok, jums tas ir jāattīra. Vieglāk būs to vienkārši atnest. Kaut kas līdzīgs MOXIE tomēr ir mehānisks koks. Tas ieelpo oglekļa dioksīdu un izelpo skābekli.

Salīdzinot ar resursu meklēšanu, izmantojot ieguvi, MOXIE ir daudz vienkāršāka, apgalvo Hehts. “Tam nekur nav jādodas, tam nekas nav jāmeklē. Šīs ir IRSU metodes, kas ir patiešām praktiskas īstermiņā. Jūs atliekat pārējo, līdz parādās cilvēki, kas var veikt sarežģītākus uzdevumus.

Negaidīta marsiešu velte

Marsam ir daudz ūdens ledus, taču tas atrodas pie poliem, savukārt lielākā daļa Marsa misiju vēlas koncentrēties uz nosēšanos pie ekvatora, kas ir kā tuksnesis. Pašreizējās koncepcijas šīs problēmas risināšanai ietver ideju par globālo ledus kartēšanu, kurā varētu kartēt mazāka ledus daudzuma atrašanās vietas turpmākai izmantošanai.

Vēl viena iespēja ir iegūt ūdeni no Marsa augsnē esošajiem minerāliem. "Ir tādi minerāli kā ģipsis un Epsomas sāļi, kas ir sulfāti un piesaista daudz ūdens," paskaidroja Hehts. "Lai jūs varētu tos izrakt un izcept un izlaist ūdeni. Jūs varētu iegūt augsnē ūdeni, kas ir diezgan daudz.

Bet Marsam ir ne tikai līdzīgi materiāli tiem, kurus mēs atrodam šeit uz Zemes. Tajā ir arī liels daudzums ķīmiskas vielas, ko sauc par perhlorātu (ClO4), kas ir bīstama cilvēku veselībai un uz mūsu planētas atrodama tikai nelielos daudzumos. Neskatoties uz to, ka šī viela ir toksiska, tā varētu būt ļoti noderīga tās ķīmisko īpašību dēļ, jo to izmanto tādās lietās kā cietie raķešu pastiprinātāji, uguņošanas ierīces un gaisa spilveni.

"Uz Marsa lielākā daļa hlora augsnē ir perhlorāts," sacīja Hehts. “Tas veido gandrīz 1% no augsnes. Un tajā ir milzīgs enerģijas daudzums. Kad jūs atbrīvojat skābekļa atomus no ClO4, lai izveidotu Cl, tas atbrīvo milzīgu enerģijas daudzumu. Es vienmēr esmu domājis, ka tas būtu lielisks resurss ražas novākšanai.

Problēma ir tā, ka visi šie lietojumi ir sprādzienbīstami, un ClO4 reakcijas kontrole ir sarežģīta. Tomēr ir sistēma, kas spēj atbrīvot enerģiju maigi, izmantojot a bioloģiskais reaktors.

"Mikrobi var ēst šīs lietas un ražot enerģiju," paskaidroja Hehts. "Un cilvēki faktiski ir uzbūvējuši šāda veida bioloģiskos reaktorus, kas ir baktēriju tvertnes, kas sagremo kādu vielu un iegūst no tās enerģiju.

"Tātad man ir šāda vīzija par bioloģisko reaktoru rovera aizmugurē, un astronauts iekāpj un brauc apkārt. Un, kad jaudas mērītājs kļūst zems, viņi izkāpj un sāk šķūrēt augsni aizmugurē esošajā piltuvē, un mikrobi ēd augsni un rada enerģiju, un astronauts var turpināt braukt. Tā ir traka ideja, bet tā ir mana mājdzīvnieku resursu izmantošanas koncepcija.

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
• Hidratācijas novākšana: kā topošie kolonisti radīs un savāks ūdeni uz Marsa
• Astrolauksaimniecība: kā mēs audzēsim labību uz Marsa