Så skremmende som å sende mennesker til en annen planet for første gang kan være, å komme dit er bare halve utfordringen. Det store problemet er hvordan mennesker kan eksistere på overflaten av en planet med en upustende atmosfære, kosmisk stråling og frysende overflatetemperaturer millioner av miles fra hjemmet.
Innhold
- Et mulighetsvindu
- Hvorfor oksygen er så viktig
- Bruke det som er tilgjengelig
- Hvordan bygge en oksygenmaskin
- Vi vil bare vite om det fungerer
- En McMurdo-stasjon for Mars
- Uventet dusør på mars
Vi ønsket å vite hvordan du ville gå frem for å forberede en fremmed planet for menneskelig bolig, så vi snakket med to eksperter, Massachusetts Institute of Teknologiprofessor Michael Hecht og NASA-ingeniør Asad Aboobaker, for å finne ut hvordan man holder astronauter i live på en planet som ønsker å drepe dem.
Anbefalte videoer
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
Et mulighetsvindu
Det er en viktig tidsforsinkelse i å sende folk til den røde planeten. På grunn av banene til Jorden og Mars, er den enkleste måten å komme seg fra den ene planeten til den andre ved å bruke en bane som kalles en Hohmann overføringsbane, der et fartøy beveger seg i en bane som gradvis spirerer utover.
"Dette er på grunn av måten planetene roterer på," forklarte Hecht. "Jorden er inne i bane rundt Mars, og den roterer raskere enn Mars, så den runder den et par ganger. Et Mars-år er nesten to jordår.»
«Så du må time lanseringen. Og det er et vindu hvert Mars-år - hver 26. måned, på et tidspunkt som kalles en Mars-opposisjon når Mars er nær jorden. Så hver 26. måned har du muligheten til å skyte opp et romfartøy til Mars i denne optimale banen. … Så planene for Mars er å sende infrastrukturen først, og så 26 måneder senere sender vi mannskapet.»
"Hver 26. måned har du muligheten til å skyte opp et romfartøy til Mars i denne optimale banen."
Å sende infrastruktur betyr ikke bare å sørge for at det er luft som astronautene kan puste og mat som de kan spise. Det betyr også å sende og bygge et kraftverk, et habitat, rovere og et oppstigningskjøretøy for å la astronautene forlate når oppdraget deres er over.
Hvorfor oksygen er så viktig
Det første store problemet å ta opp i å sette opp en Mars-base er produksjonen av oksygen. Når du hører om å produsere oksygen på Mars, tenker du sannsynligvis på det mest grunnleggende menneskelige behovet: Å ha luft å puste. Og absolutt, vi trenger å finne en måte å produsere en pustende atmosfære i et innesluttet Mars-habitat. Men dette krever bare en relativt liten mengde oksygen sammenlignet med den store etterspørselen - den av drivmiddel til raketten som vil sende astronauter opp fra overflaten.
"Vi prøver å lage rakettdrivstoff," sa Hecht. "Vi prøver ikke å lage drivstoff, vi prøver å lage den delen av den kjemiske reaksjonen som vi aldri tenker på på jorden." Her på Jorden, når du brenner bensin i bilmotoren din, bruker du flere ganger verdt vekten av drivstoffet i oksygen for å lage det reaksjon. Det samme med å brenne en ved i en peis.
Men "hvis du går et sted der det ikke er gratis oksygen, må du ta det med deg," la Hecht til.
Moderne raketter har tanker for flytende oksygen som gir dette drivmidlet, og de utgjør en betydelig del av vekten ved oppskyting.
"Vi vil trenge nærmere 30 tonn oksygen for å drive den raketten for å ta disse astronautene fra planeten og inn i bane," sa Hecht. "Og hvis vi må ta de 30 tonnene oksygen med oss til Mars, kommer det til å skyve hele oppdraget et tiår tilbake. Det er mye lettere å sende en tom tank og fylle den opp med oksygen der."
Bruke det som er tilgjengelig
For å skape oksygen på Mars, jobber Hecht og kollegene med et konsept kalt in-situ ressursutnyttelse (ISRU). I hovedsak betyr det å bruke det som allerede er på Mars for å skape det vi trenger.
De har bygget et eksperiment kalt MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), som lett ble fraktet til Mars sammen med NASA Perseverance rover som landet vellykket i februar 2021. MOXIE er faktisk en miniatyrversjon av en potensielt mye større enhet som tar inn karbondioksid, som er rikelig i marsatmosfæren, og produserer oksygen.
Det høres kanskje komplisert ut, men faktisk ligner enheten på noe velkjent her på jorden. "MOXIE er veldig lik en brenselcelle," sa Hecht. «Det er nesten likt. Hvis du tok en brenselcelle og snudde de to ledningene som kom inn, ville du ha et elektrolysesystem. Det betyr at hvis dette var en brenselcelle, ville du ha et drivstoff og et oksidasjonsmiddel som viser seg å være et stabilt molekyl. Hvis det var karbonmonoksid som drivstoff og oksygen, ville det laget karbondioksid. Du får også ut strøm.
"Hvis du kjører den i revers, må du sette i karbondioksid, og du må sette inn strøm. Men du får ut karbonmonoksid og oksygen. Slik vet vi hvordan vi skal gjøre dette.»
Dette tar inn karbondioksid, som er rikelig i Mars atmosfære, og produserer oksygen.
Denne tilsynelatende enkle ideen er radikal fordi den takler et problem som knapt noen utenfor romfartssamfunnet tenker på som et problem: Å produsere oksygen. "Ingen ønsker å lage oksygen på jorden - vi har ingen grunn til det," sa Hecht. – Vi har mye av det overalt. Men vi har mye kunnskap på grunn av brenselceller.»
Hvordan bygge en oksygenmaskin
Å forstå de kjemiske prinsippene for å lage en oksygenmaskin er én ting, men å designe og bygge en versjon som kan passe inn i en rover er en annen. Aboobaker, en termisk ingeniør for MOXIE ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) som har vært involvert i MOXIE prosjektet gjennom hele utviklingen, forklarte hvordan eksperimentet ble bygget og noen av utfordringene JPL-teamet måtte takle.
"Den viktigste ressursbegrensningen vi hadde, i tillegg til masse og liten plass å jobbe med, var energi," sa han. "Roveren har en radioisotop termoelektrisk generator, som er en kjernekraftkilde. Så folk tror at roveren er atomdrevet, men det er den ikke. Den er batteridrevet, med en atom vedlikeholdslader.»
Det betyr at forskerne må være ekstremt forsiktige med hvor mye strøm de bruker for ikke å tappe batteriet. Hele Perseverance-roveren går på bare 110 watt, som bare er litt mer enn en lyspære.
På sin side kan et eksperiment som MOXIE bare bruke en liten mengde strøm. "Så det satte en grense for hvor mye varmekraft vi kunne bruke til å varme den opp, hvor mye kraft kompressoren - som blåser gassen inn i systemet - kan trekke, og hvor lenge vi kan kjøre," sa Aboobaker.
Det er derfor versjonen av MOXIE som reiser på Perseverance er så liten, selv om systemet ville fungere like bra eller enda bedre i større skala.
Vi vil bare vite om det fungerer
Men å designe utstyret er bare den ene siden av eksperimentet - den andre siden sjekker om det faktisk fungerer på Mars. Selv med et konsept som fungerer solid her på jorden, kan det være uventede konsekvenser av fremmede miljøer, fra tynn atmosfære som påvirker hvordan varme overføres, til lagre som slites på uventede måter på grunn av lavere tyngdekraft og uvant støv. Det er derfor JPL-ingeniørene snart vil samle inn data fra MOXIE for å se hvordan det går i et ekte martian-miljø.
"På mange måter tar ikke MOXIE egentlig vitenskapelige data," sa Aboobaker. Sammenlignet med vitenskapelige instrumenter som teleskoper eller spektrometre, som brukes til å analysere steinprøver, er dataene samlet fra MOXIE relativt enkle. "Det vi har er nesten som tekniske telemetridata. Vi måler spenninger og strømmer og temperaturer, sånne ting. Det er våre data, og datavolumet er faktisk ganske lite. Du kan nesten sette den på en diskett.»
Det betyr at teamet kan få svært raske tilbakemeldinger på om systemet fungerer etter hensikten — innen få dager. I motsetning til andre Perseverance-instrumenter, hvor dataanalyse tar uker, måneder eller til og med år, er MOXIE en praktisk demonstrasjon like mye som et eksperiment.
"Datavolumet er faktisk ganske lite. Du kan nesten sette den på en diskett"
"På mange måter er det vi gjør ikke vitenskap, det er teknologi," sa Aboobaker. "For det meste vil vi bare vite om det fungerer. Og hvis vi ønsket å skalere det opp i fremtiden, hva slags ting må vi gjøre for å gjøre det?»
En McMurdo-stasjon for Mars
Hvis MOXIE lykkes, kan den demonstrere hvordan ISRU-prinsippet kan fungere på Mars. Da er det relativt enkelt å skalere prosjektet opp og lage en fullskala versjon som kan produsere oksygen i mye høyere hastighet. Og den gode nyheten er at en større versjon ville være mer effektiv og kunne produsere en betydelig mengde oksygen uten å kreve for mye strøm.
Med oksygen sortert, kan vi flytte til andre typer ressurser vi trenger for mennesker som bor på Mars. En annen av de viktigste ressursene vi trenger for å etablere en base på planeten er vann. Ikke bare for mennesker å drikke, men også fordi vann (eller hydrogen) og karbondioksid kan kombineres til et stort utvalg nyttige kjemikalier.
Crazy Engineering: Making Oxygen on Mars med MOXIE
"Ideen på kort sikt er at vi ønsker å gjøre en viss mengde autonom ISRU for å gjøre oppdragene våre gjennomførbare," sa Hecht. "Når vi har en base på planeten, som McMurdo-stasjonen i Antarktis eller som den internasjonale romstasjonen, kan du tenke på mye mer aggressive typer ISRU, som gruveis.
"Mange mennesker føler at vi burde gruve etter is autonomt. Men jeg sier nei, det er ikke verdt innsatsen. Is er et mineral, noe som betyr at du må lete etter det, du må grave det opp, du må rense det. Det blir lettere å bare ta det med. Noe som MOXIE er imidlertid et mekanisk tre. Den puster inn karbondioksid og puster ut oksygen.»
Sammenlignet med å jakte på ressurser via gruvedrift, er MOXIE mye enklere, hevder Hecht. "Det trenger ikke å gå noen steder, det trenger ikke å lete etter noe. Det er den typen IRSU-metoder som er veldig praktiske på kort sikt. Du utsetter resten til du har folk på overflaten som kan gjøre mer kompliserte oppgaver."
Uventet dusør på mars
Mars har riktignok rikelig med vannis, men den ligger ved polene, mens de fleste Mars-oppdragene ønsker å fokusere på å lande ved ekvator, som er som en ørken. Gjeldende konsepter for å takle dette problemet inkluderer ideen om global iskartlegging, hvor plasseringer av mindre mengder is kan kartlegges for fremtidig bruk.
Et annet alternativ er å utvinne vann fra mineralene i Mars-jorden. "Det er mineraler som gips og Epsom-salter som er sulfater og tiltrekker seg mye vann," forklarte Hecht. «Så du kunne grave dem opp og bake dem og få ut vannet. Du kan utvinne jorda for vann, som er ganske rikelig.»
"Når du frigjør oksygenatomer fra ClO4 for å lage Cl, frigjør det en enorm mengde energi"
Men Mars har ikke bare lignende materialer som de vi finner her på jorden. Den har også store mengder av et kjemikalie kalt perklorat (ClO4), som er farlig for menneskers helse og bare finnes i små mengder på planeten vår. Til tross for at det er giftig, kan dette stoffet være ekstremt nyttig på grunn av dets kjemiske egenskaper, da det brukes i ting som solide rakettforsterkere, fyrverkeri og kollisjonsputer.
"På Mars viser det meste av klor i jorda seg å være perklorat," sa Hecht. «Det utgjør nesten 1 % av jorda. Og den har en enorm mengde energi. Når du frigjør oksygenatomer fra ClO4 for å lage Cl, frigjør det en enorm mengde energi. Jeg har alltid trodd at det ville være en stor ressurs å høste.»
Problemet med dette er at alle disse applikasjonene er eksplosive, og det er utfordrende å kontrollere reaksjonen av ClO4. Imidlertid er det et system som har potensial til å frigjøre energien skånsomt, ved hjelp av en biologisk reaktor.
"Mikrober kan spise disse tingene og produsere energi," forklarte Hecht. "Og folk har faktisk bygget slike biologiske reaktorer, som er tanker med bakterier som fordøyer et eller annet stoff og trekker ut energi fra det.
"Så jeg har denne visjonen om en biologisk reaktor bak på en rover, og astronauten går inn og kjører rundt. Og når strømmåleren blir lav, går de ut og begynner å måke jord inn i en trakt bak, og mikrobene spiser jorda og lager energi og astronauten kan fortsette å kjøre. Det er en sprø idé, men det er konseptet mitt for ressursutnyttelse av kjæledyr.»
Denne artikkelen er en del av Liv på Mars — en serie i 10 deler 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
- Høsting av hydrering: Hvordan fremtidige nybyggere vil skape og samle vann på Mars
- Astroagriculture: Hvordan vi skal dyrke avlinger på Mars
