Harvesting Hydration: Hvordan vi samler vann på Mars

Vi har drømt om å sende mennesker til en annen planet i flere tiår, og med den nylige bølgen av interesse for utforskning av Mars, ser det ut til at det en dag kan bli en realitet.

Men det er mye arbeid å gjøre før vi er klare for at en person kan sette sin fot på den røde planeten.

Av alle ressursene som besøkende til Mars vil kreve, er en av de viktigste vann – ikke bare for å drikke, men også for å lage rakettdrivstoff og andre stoffer som oksygen. Og hvis vi er det håper å etablere landbruk der, trenger vi mye vann for å holde avlingene i vekst.

Men overflaten til Mars ser ut som en tørr, ugjestmild ørken. I dag har Mars ingen innsjøer, ingen elver og ingen nedbør.

Så hvor skal vi få vannet vårt fra? Vi snakket med tre eksperter for å finne ut av det.

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars – en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars

Finner vann på Mars

Selv om vi er mange år unna å etablere en fullt operativ base på Mars, tenker rombyråer som NASA allerede på vannproblematikken. Å bringe vann fra jorden er upraktisk - det er alt for tungt å bære alt vannet som kreves for et oppdrag i en rakett. Så planen er å samle vann fra Mars-miljøet, og for å gjøre det må vi vite hvor vannet befinner seg.

Den gode nyheten er at det er rikelig med vann i form av is på overflaten av Mars, inkludert is som dekker polene og i store kratere. Den dårlige nyheten er at et oppdrag til disse iskalde områdene byr på sine egne problemer, som mengden energi det vil ta for å holde både mennesker og maskiner varme i temperaturer så lave som -240°F. Det er derfor fokuset for de fleste Mars-oppdragene er de midtre breddegradsområdene, hvor temperaturene er mildere.

Det er ikke is på overflaten i disse områdene, selv om det er is under bakken. Men med mindre du vil sende ut en astronaut med en spade for å prøve hver eneste jordflekk på planeten, trenger du en måte å kartlegge den underjordiske isen raskt og effektivt.

X markerer stedet

Det er det Gareth Morgan og Than Putzig fra Planetary Science Institute jobber med som en del av prosjektet Subsurface Water Ice Mapping (SWIM). De og deres kolleger har kombinert 20 år med data fra fem forskjellige orbitale Mars-instrumenter for å kartlegge hvor isen mest sannsynlig befinner seg under overflaten. Hvert datasett, som radaravlesninger eller indikasjoner på hydrogen, kan alene fortelle deg så mye om hvorvidt is er på et bestemt sted, men i kombinasjon kan de indikere hva de viktigste stedene for å finne is ville være.

Målet med arbeidet deres er å hjelpe NASA med å velge fremtidige landingssteder for mannskapsoppdrag slik at astronauter kan få tilgang til underjordisk is, samtidig som det gir så mye frihet som mulig til å velge en vitenskapelig interessant utforskning område.

"Teknologi og ingeniørfag kommer til å definere hvordan man kan sette mennesker på Mars," sa Morgan, "og de kommer til å ha sine egne begrensninger for hvor det kan skje. De vil også at vitenskapsmiljøet skal finne de mest vitenskapelig levedyktige, interessante, fascinerende stedene å lande. Så vår jobb er å bygge bro mellom begge disse verdenene ved å gi begge lag en bred forståelse av hvor ressursene er.»

Dette kartet kan vise hvor isen sannsynligvis vil bli funnet, men bare hvis den isen er mindre enn fem meter under bakken. Det er også vanskelig å være nøyaktig om nøyaktig hvor dypt isen befinner seg i et gitt område, fordi sansemetodene som brukes bare kan gi grove estimater av isinnholdet der.

Og det er en stor praktisk forskjell på hvor vanskelig det er å få tilgang til is som er noen få centimeter under overflaten versus is som er under meter med tett stein.

Et nytt verktøy for å oppdage is

For å finne ut hvor dyp isen er på Mars, trenger vi ny innsats som Mars Ice Mapper-oppdrag: Et romfartøy som NASA og andre internasjonale romorganisasjoner jobber på sammen som vil gå i bane rundt Mars og bruke to typer radarmetodologier for å oppdage hvor dyp is er plassert under flate.

"Den sentrale ideen er å ha en radar med høyere frekvens og høyere oppløsning," forklarte Putzig. Ice Mapper-oppdraget er fortsatt i konseptstadiet, og han og Morgan er ikke direkte involvert i det. Men de har hørt om konseptene for oppdraget fra andre forskere, og de delte noen detaljer om hvordan det vil fungere.

Den første radarmetoden kartleggeren skal bruke kalles syntetisk blenderavbildning. Dette involverer en radar pekt i en vinkel mot overflaten, som "gir deg en følelse av den brede fordelingen av grunne is," sa Putzig. "Du kan kartlegge det over en stor region relativt raskt med den metoden."

Den andre metoden er radarsondering, der radaren pekes rett ned for å sprette av toppen av islaget. Dette forteller deg hvor dypt islaget er. Når du kombinerer de to, "får du en kartvisning og en tverrsnittsvisning," sa han.

Og da vet du hvor du skal grave.

Tilgang til vannet når vi finner det

Lokalisering av is er bare det første trinnet i å samle vann. For å komme fra blokker med fast is under bakken til rent, trygt vann for drikke og andre formål, må vi finne en måte å trekke ut og behandle isen på.

Hvis du vet hvor dypt isen ligger og du tror det er en betydelig mengde is å få tilgang til, kan du bore ned for å komme til den. Problemet, som Sydney gjør, leder Mars Water Mapping Project ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, forklarte, er at du trenger å vite hva slags stein du skal bore gjennom, slik at du kan ta med det riktige verktøyet for jobb.

Foreløpig er vår forståelse av sammensetningen av Mars-overflaten og undergrunnen begrenset, noe som har forårsaket problemer på Mars-oppdrag som InSight, hvor landerens varmesonde kunne ikke komme under overflaten fordi jorda hadde litt andre friksjonsnivåer enn forventet. Så vi trenger mer informasjon om sammensetningen av bergarter i et bestemt område før vi kan designe en bore for å tunnelere inn i den.

Når du har boret et hull ned til isen, kan du bruke et system kalt en Rodriguez-brønn, som for tiden er i bruk på jorden på steder som Antarktis, for å få tilgang til vann. I hovedsak senker du en oppvarmet stang ned i det borede hullet, som smelter isen og lager en brønn med flytende vann som du deretter kan pumpe til overflaten. Dette krever tilførsel av energi i form av varme, men det er en effektiv måte å få tilgang til potensielt store mengder vann.

Bakte steiner

Det er også et annet alternativ for å samle vann: Vi kan trekke det ut fra hydrerte mineraler, som er rikelig i mange områder på Mars. Det er steiner som gips der som inneholder vann, og hvis du knuser, så baker du disse steinene, kan du kondensere vannet og samle det.

Men å oppdage disse mineralene er ikke lett. For å identifisere disse hydrerte mineralene fra bane, bruker forskere en teknikk som kalles reflektansspektroskopi. Instrumentene på romfartøy rundt Mars kan oppdage sollys når det reflekteres fra overflaten, og skaper det som kalles spektre. Noen bølgelengder av det reflekterte lyset absorberes av visse kjemikalier, slik at forskere kan utlede hva bergartene nedenfor er laget av. Men dette signalet er bare gjennomsnittet for området som blir observert, og det kan være flere kjemikalier som absorberer de samme bølgelengdene. Så å tyde de forskjellige signalene kan være en utfordring.

"Slik jeg liker å forklare det er: Du har en kake du har mottatt," sa Do. «Du må prøve og finne ut hvilke ingredienser den var laget av og hvor mye av hver ingrediens som bidro til å lage det kake. Det er i hovedsak det vi gjør med disse reflekterende signalene – vi prøver å dekomponere dem i deres bestanddeler for å finne ut hva som er der.»

Gjør vann trygt

Uansett, når du har samlet vann ved å smelte is eller ved å bake steiner, må du behandle det. Vannet kan være fullt av skadelige urenheter som tungmetaller eller salter som perklorater, så det må renses og avsaltes før det kan brukes. I teorien vet vi hvordan vi gjør dette fra å gjøre lignende prosessering som vann på jorden, men en utfordring på Mars er at vi foreløpig ikke vet hvilke forurensninger vi kan forvente.

Som mange aspekter ved vannforvaltning på Mars, er problemet ikke i konseptet, men i utførelsen. Teknologien for å håndtere vann på jorden er godt forstått, men det er fortsatt mye å gjøre før vi kan bygge et system som vil fungere på en annen planet.

"Vi kjenner de grunnleggende prinsippene for å gjøre dette," sa Do. "Men vi forstår ikke helt miljøforholdene vi må bruke dette maskineriet under." Alt fra Mars tynne atmosfære til dens lave tyngdekraft til dens rikelig med støv kan endre måten maskinene fungerer på. For ikke å nevne at ikke bare et vannsystem må være lite og lett nok til å settes på en rakett, det må også være ekstremt pålitelig - det er ingen reparasjonsverksteder på Mars.

Det er her den neste grensen for teknologisk innovasjon vil dukke opp. Vi har kunnskapen akkurat nå om hvordan vi bygger et system for utvinning og prosessering av vann, sa Do, "men snu disse rektorene til teknologi som fungerer på en pålitelig måte i miljøet som vi forventer at det skal gjøre – det er fortsatt åpen."

Denne artikkelen er en del av Liv på Mars – en 10-delt serie som utforsker banebrytende vitenskap og teknologi som vil tillate mennesker å okkupere Mars

Redaktørenes anbefalinger

• En kosmologisk pendling: Den vanskelige logistikken ved å sette mennesker på Mars
• Perfeksjonerende fremdrift: Hvordan vi får mennesker til Mars
• Slott laget av sand: Hvordan vi lager habitater med jord fra mars
• Kunstige atmosfærer: Hvordan vi bygger en base med pustende luft på Mars
• Astroagriculture: Hvordan vi skal dyrke avlinger på Mars