Hoe intimiderend het ook is om mensen voor het eerst naar een andere planeet te sturen, het is maar de helft van de uitdaging om daar te komen. Het grote probleem is hoe mensen kunnen bestaan op het oppervlak van een planeet met een onadembare atmosfeer, kosmische straling en vriestemperaturen op miljoenen kilometers van huis.
Inhoud
- Een kans
- Waarom zuurstof zo belangrijk is
- Gebruik maken van wat er is
- Hoe een zuurstofmachine te bouwen
- We willen gewoon weten of het werkt
- Een McMurdo-station voor Mars
- Onverwachte martiaanse premie
We wilden weten hoe je te werk zou gaan om een buitenaardse planeet klaar te maken voor menselijke bewoning, dus spraken we met twee experts, het Massachusetts Institute of Technologieprofessor Michael Hecht en NASA-ingenieur Asad Aboobaker, om erachter te komen hoe astronauten in leven kunnen worden gehouden op een planeet die wil doden hen.
Aanbevolen video's
Dit artikel is onderdeel van Leven op Mars - een 10-delige serie die de allernieuwste wetenschap en technologie verkent die mensen in staat zal stellen Mars te bezetten
Een kans
Er is een essentiële vertraging bij het sturen van mensen naar de rode planeet. Vanwege de banen van de aarde en Mars is de gemakkelijkste manier om van de ene planeet naar de andere te komen, door een baan te gebruiken die a wordt genoemd. Hohmann-overdracht baan, waarin een vaartuig beweegt in een baan die geleidelijk naar buiten spiraalt.
"Dit komt door de manier waarop de planeten draaien", legt Hecht uit. "De aarde bevindt zich in de baan van Mars en draait sneller dan Mars, dus ze maakt er een paar keer een ronde van. Een Marsjaar is bijna twee aardse jaren.”
“Dus je moet de lancering timen. En er is elk Mars-jaar een venster - elke 26 maanden, in een tijd die een Mars-oppositie wordt genoemd wanneer Mars dicht bij de aarde is. Dus elke 26 maanden heb je de mogelijkheid om een ruimtevaartuig naar Mars te lanceren in deze optimale baan. … Dus de plannen voor Mars zijn om eerst de infrastructuur te sturen, en dan 26 maanden later zullen we de bemanning sturen.
"Elke 26 maanden heb je de mogelijkheid om een ruimtevaartuig naar Mars te lanceren in deze optimale baan."
Het verzenden van infrastructuur betekent niet alleen zorgen dat er lucht is voor de astronauten om te ademen en voedsel om te eten. Het betekent ook het sturen en bouwen van een energiecentrale, een leefgebied, rovers en een opstijgend voertuig zodat de astronauten kunnen vertrekken zodra hun missie voorbij is.
Waarom zuurstof zo belangrijk is
Het eerste grote probleem dat moet worden aangepakt bij het opzetten van een Mars-basis is de productie van zuurstof. Als je hoort over het produceren van zuurstof op Mars, denk je waarschijnlijk aan de meest basale menselijke behoefte: lucht hebben om te ademen. En we moeten zeker een manier vinden om een ademende atmosfeer te creëren in een afgesloten Mars-habitat. Maar dit vereist slechts een relatief kleine hoeveelheid zuurstof in vergelijking met de grote vraag - die van drijfgas voor de raket die astronauten van het oppervlak zal lanceren.
"We proberen raketstuwstof te maken," zei Hecht. "We proberen geen brandstof te maken, we proberen het deel van de chemische reactie te maken waar we op aarde nooit aan denken." Hier verder Aarde, als je benzine verbrandt in de motor van je auto, gebruik je verschillende keren het gewicht van de brandstof in zuurstof om dat te creëren reactie. Hetzelfde met het verbranden van een blok hout in een open haard.
Maar "als je ergens heen gaat waar geen gratis zuurstof is, moet je het meenemen", voegde Hecht eraan toe.
Moderne raketten hebben tanks met vloeibare zuurstof die dit drijfgas leveren, en ze vormen een aanzienlijk deel van het gewicht bij de lancering.
"We zouden bijna 30 ton zuurstof nodig hebben om die raket aan te drijven om die astronauten van de planeet naar een baan om de aarde te brengen", zei Hecht. “En als we die 30 ton zuurstof mee moeten nemen naar Mars, zal de hele missie tien jaar terugschuiven. Het is veel makkelijker om een lege tank te sturen en daar met zuurstof te vullen.”
Gebruik maken van wat er is
Om zuurstof op Mars te creëren, werken Hecht en zijn collega's aan een concept genaamd in-situ resource utilisation (ISRU). In wezen betekent dat gebruik maken van wat er al op Mars is om te creëren wat we nodig hebben.
Ze hebben een experiment gebouwd met de naam MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), dat handig samen met de NASA Perseverance-rover die met succes is geland in februari 2021. MOXIE is in feite een miniatuurversie van een mogelijk veel groter apparaat dat koolstofdioxide opneemt, dat overvloedig aanwezig is in de atmosfeer van Mars, en zuurstof produceert.
Dat klinkt misschien ingewikkeld, maar in feite lijkt het apparaat op iets dat hier op aarde bekend is. "MOXIE lijkt veel op een brandstofcel", zei Hecht. “Het is bijna identiek. Als je een brandstofcel zou nemen en de twee binnenkomende draden zou verwisselen, zou je een elektrolysesysteem hebben. Dat betekent dat als dit een brandstofcel zou zijn, je een brandstof en een oxidator zou hebben die een stabiel molecuul blijken te zijn. Als het koolmonoxide als brandstof en zuurstof zou zijn, zou het kooldioxide maken. Je krijgt ook elektriciteit.
“Als je het omgekeerd laat draaien, moet je koolstofdioxide toevoegen en moet je elektriciteit toevoegen. Maar je stoot koolmonoxide en zuurstof uit. Zo weten we hoe we dit moeten doen.”
Dit neemt koolstofdioxide op, dat overvloedig aanwezig is in de atmosfeer van Mars, en produceert zuurstof.
Dit ogenschijnlijk eenvoudige idee is radicaal omdat het een probleem aanpakt dat bijna niemand buiten de ruimtevaartgemeenschap als een probleem beschouwt: zuurstof produceren. "Niemand wil zuurstof op aarde maken - we hebben daar geen reden toe", zei Hecht. “We hebben er overal genoeg. Maar dankzij brandstofcellen hebben we veel kennis.”
Hoe een zuurstofmachine te bouwen
De chemische principes begrijpen van het maken van een zuurstofmachine is één ding, maar het ontwerpen en bouwen van een versie die in een rover past, is iets anders. Aboobaker, een thermische ingenieur voor MOXIE bij NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) die betrokken is geweest bij de MOXIE project tijdens de ontwikkeling, legde uit hoe het experiment was gebouwd en enkele van de uitdagingen waarmee het JPL-team te maken kreeg Onderscheppen.
"De belangrijkste bronbeperking die we hadden, naast massa en de kleine ruimte om mee te werken, was energie," zei hij. “De rover heeft een radio-isotoop thermo-elektrische generator, wat een nucleaire energiebron is. Dus mensen denken dat de rover door kernenergie wordt aangedreven, maar dat is niet zo. Hij werkt op batterijen, met een nucleaire druppellader.”
Dat betekent dat de onderzoekers uiterst voorzichtig moeten zijn met hoeveel stroom ze gebruiken om de batterij niet leeg te trekken. De hele Perseverance rover verbruikt slechts 110 watt, net iets meer dan een felle gloeilamp.
Een experiment als MOXIE kan op zijn beurt maar een kleine hoeveelheid stroom gebruiken. "Dus dat stelde een limiet aan hoeveel verwarmingsvermogen we zouden kunnen gebruiken om het op te warmen, hoeveel vermogen de compressor - die het gas in het systeem blaast - kan trekken en hoe lang we kunnen rennen", zei Aboobaker.
Daarom is de versie van MOXIE die op Perseverance reist zo klein, terwijl het systeem op grotere schaal net zo goed of zelfs beter zou werken.
We willen gewoon weten of het werkt
Maar het ontwerpen van de apparatuur is slechts één kant van het experiment - de andere kant is controleren of het echt werkt op Mars. Zelfs met een concept dat hier op aarde goed werkt, kunnen er onverwachte gevolgen zijn van buitenaardse omgevingen dunne atmosfeer die van invloed is op de manier waarop warmte wordt overgedragen, op lagers die op onverwachte manieren slijten vanwege lagere zwaartekracht en onbekend stof. Daarom zullen de JPL-ingenieurs binnenkort gegevens van MOXIE verzamelen om te zien hoe het presteert in een echte marsomgeving.
"In veel opzichten gebruikt MOXIE niet echt wetenschappelijke gegevens", zei Aboobaker. Vergeleken met wetenschappelijke instrumenten zoals telescopen of spectrometers, die worden gebruikt om gesteentemonsters te analyseren, zijn de gegevens die met MOXIE worden verzameld, relatief eenvoudig. “Wat we hebben, lijkt bijna op technische telemetriegegevens. We meten spanningen en stromen en temperaturen, dat soort dingen. Dat zijn onze gegevens en het gegevensvolume is eigenlijk vrij klein. Je zou het bijna op een diskette kunnen passen.”
Dat betekent dat het team zeer snel feedback kan krijgen of het systeem werkt zoals bedoeld - binnen een paar dagen. In tegenstelling tot andere Perseverance-instrumenten, waarvoor data-analyse weken, maanden of zelfs jaren in beslag neemt, is MOXIE zowel een praktische demonstratie als een experiment.
“Het datavolume is eigenlijk vrij klein. Je zou het bijna op een diskette kunnen passen”
"In veel opzichten is wat we doen geen wetenschap, het is technologie", zei Aboobaker. “We willen vooral weten of het werkt. En als we het in de toekomst willen opschalen, wat moeten we dan doen om dat te doen?”
Een McMurdo-station voor Mars
Als MOXIE slaagt, kan het demonstreren hoe het principe van ISRU op Mars kan werken. Dan is het relatief eenvoudig om het project op te schalen en een volledige versie te maken die veel sneller zuurstof kan produceren. En het goede nieuws is dat een grotere versie efficiënter zou zijn en een aanzienlijke hoeveelheid zuurstof zou kunnen produceren zonder al te veel stroom te verbruiken.
Met zuurstof gesorteerd, kunnen we overgaan op de andere soorten hulpbronnen die we nodig hebben voor mensen die op Mars leven. Een andere van de meest essentiële middelen die we nodig hebben om een basis op de planeet te vestigen, is water. Niet alleen voor mensen om te drinken, maar ook omdat water (of waterstof) en koolstofdioxide kunnen worden gecombineerd tot een grote verscheidenheid aan bruikbare chemicaliën.
Crazy Engineering: Zuurstof maken op Mars met MOXIE
"Het idee op korte termijn is dat we een zekere mate van autonome ISRU willen doen om onze missies haalbaar te maken", zei Hecht. “Als we eenmaal een basis op de planeet hebben, zoals het McMurdo Station in Antarctica of zoals het International Space Station, dan kun je denken aan veel agressievere soorten ISRU, zoals mijnbouwijs.
“Veel mensen vinden dat we autonoom ijs zouden moeten delven. Maar ik zeg nee, het is de moeite niet waard. IJs is een mineraal, wat betekent dat je ernaar moet zoeken, je moet het opgraven, je moet het zuiveren. Het zal gemakkelijker zijn om het gewoon mee te nemen. Iets als MOXIE is echter een mechanische boom. Het ademt koolstofdioxide in en ademt zuurstof uit.”
Vergeleken met het opsporen van hulpbronnen via mijnbouw, is MOXIE veel eenvoudiger, betoogt Hecht. “Het hoeft nergens heen, het hoeft nergens naar te zoeken. Dat zijn de soorten IRSU-methoden die op korte termijn echt praktisch zijn. De rest stel je uit tot je mensen aan de oppervlakte hebt die ingewikkelder taken kunnen uitvoeren.”
Onverwachte martiaanse premie
Mars heeft wel veel waterijs, maar het bevindt zich aan de polen, terwijl de meeste Mars-missies zich willen concentreren op het landen op de evenaar, die op een woestijn lijkt. Huidige concepten om dit probleem aan te pakken, zijn onder meer het idee van wereldwijde ijskartering, waarbij locaties met kleinere hoeveelheden ijs in kaart kunnen worden gebracht voor toekomstig gebruik.
Een andere optie is om water te onttrekken aan de mineralen in de bodem van Mars. "Er zijn mineralen zoals gips en Epsom-zouten die sulfaten zijn en veel water aantrekken", legt Hecht uit. 'Dus je zou ze kunnen opgraven en bakken en het water eruit halen. Je zou de grond kunnen ontginnen voor water, dat is redelijk overvloedig.
"Wanneer je zuurstofatomen uit de ClO4 vrijgeeft om Cl te maken, komt er een enorme hoeveelheid energie vrij"
Maar Mars heeft niet alleen vergelijkbare materialen als die we hier op aarde vinden. Het bevat ook grote hoeveelheden van een chemische stof genaamd perchloraat (ClO4), die gevaarlijk is voor de menselijke gezondheid en slechts in kleine hoeveelheden op onze planeet wordt aangetroffen. Ondanks dat het giftig is, kan deze stof buitengewoon nuttig zijn vanwege zijn chemische eigenschappen, omdat het wordt gebruikt in zaken als vaste raketaanjagers, vuurwerk en airbags.
"Op Mars blijkt het meeste chloor in de bodem perchloraat te zijn", zei Hecht. “Het vormt bijna 1% van de bodem. En het heeft een enorme hoeveelheid energie. Wanneer je zuurstofatomen uit de ClO4 vrijgeeft om Cl te maken, komt er een enorme hoeveelheid energie vrij. Ik heb altijd gedacht dat dat een geweldige bron zou zijn om te oogsten.
Het probleem hiermee is dat deze toepassingen allemaal explosief zijn en dat het beheersen van de reactie van ClO4 een uitdaging is. Er is echter een systeem dat de potentie heeft om de energie voorzichtig vrij te geven, met behulp van een biologische reactor.
"Microben kunnen dit spul opeten en energie produceren", legt Hecht uit. “En mensen hebben eigenlijk dit soort biologische reactoren gebouwd, dat zijn tanks met bacteriën die een bepaalde stof verteren en er energie uit halen.
"Dus ik heb dit visioen van een biologische reactor achterin een rover, en de astronaut stapt in en rijdt rond. En als de vermogensmeter bijna leeg is, stappen ze uit en beginnen ze grond in een bak achterin te scheppen, en de microben eten de grond op en maken energie en de astronaut kan blijven rijden. Het is een gek idee, maar dat is mijn concept voor het gebruik van hulpbronnen voor huisdieren.
Dit artikel is onderdeel van Leven op Mars - een 10-delige serie die de allernieuwste wetenschap en technologie verkent die mensen in staat zal stellen Mars te bezetten.
Aanbevelingen van de redactie
- Een kosmologisch woon-werkverkeer: de lastige logistiek om mensen op Mars te zetten
- De voortstuwing perfectioneren: hoe we mensen naar Mars krijgen
- Kastelen gemaakt van zand: hoe we leefgebieden zullen maken met Marsgrond
- Hydratatie oogsten: hoe toekomstige kolonisten water op Mars zullen creëren en verzamelen
- Astrolandbouw: hoe we gewassen op Mars gaan verbouwen
