Choć zastraszające może być wysłanie ludzi na inną planetę po raz pierwszy, dotarcie tam to tylko połowa wyzwania. Wielkim problemem jest to, jak ludzie mogą istnieć na powierzchni planety z atmosferą, w której nie można oddychać, promieniowaniem kosmicznym i ujemnymi temperaturami powierzchni, miliony kilometrów od domu.
Zawartość
- Okno możliwości
- Dlaczego tlen jest tak ważny
- Korzystanie z tego, co jest dostępne
- Jak zbudować maszynę tlenową
- Chcemy tylko wiedzieć, czy to działa
- Stacja McMurdo dla Marsa
- Nieoczekiwana marsjańska nagroda
Chcieliśmy wiedzieć, jak zamierzasz przygotować obcą planetę do zamieszkania przez ludzi, więc rozmawialiśmy z dwoma ekspertami z Massachusetts Institute of Profesor technologii Michael Hecht i inżynier NASA Asad Aboobaker, aby dowiedzieć się, jak utrzymać astronautów przy życiu na planecie, która chce zabijać ich.
Polecane filmy
Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie — 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które umożliwią ludziom okupację Marsa
Okno możliwości
Istnieje istotne opóźnienie w wysyłaniu ludzi na czerwoną planetę. Ze względu na orbity Ziemi i Marsa najłatwiejszym sposobem przeniesienia się z jednej planety na drugą jest użycie trajektorii zwanej Orbita transferowa Hohmanna, w którym statek porusza się po orbicie, która stopniowo zakręca spiralnie na zewnątrz.
„Wynika to ze sposobu, w jaki obracają się planety” – wyjaśnił Hecht. „Ziemia znajduje się wewnątrz orbity Marsa i obraca się szybciej niż Mars, więc okrąża ją kilka razy. Rok marsjański to prawie dwa lata ziemskie”.
„Więc musisz zaplanować start. I jest okno każdego marsjańskiego roku – co 26 miesięcy, w czasie zwanym opozycją Marsa, kiedy Mars jest blisko Ziemi. Tak więc co 26 miesięcy masz możliwość wystrzelenia statku kosmicznego na Marsa na tej optymalnej orbicie. … Tak więc plany na Marsa zakładają najpierw wysłanie infrastruktury, a następnie 26 miesięcy później wyślemy załogę”.
„Co 26 miesięcy masz możliwość wystrzelenia statku kosmicznego na Marsa na tej optymalnej orbicie”.
Wysyłanie infrastruktury oznacza nie tylko zapewnienie astronautom powietrza do oddychania i jedzenia dla nich. Oznacza to również wysłanie i zbudowanie elektrowni, siedliska, łazików i pojazdu wznoszącego, aby umożliwić astronautom opuszczenie ich po zakończeniu ich misji.
Dlaczego tlen jest tak ważny
Pierwszym dużym problemem, który należy rozwiązać podczas zakładania bazy na Marsie, jest produkcja tlenu. Kiedy słyszysz o produkcji tlenu na Marsie, prawdopodobnie myślisz o najbardziej podstawowej ludzkiej potrzebie: mieć powietrze do oddychania. I z pewnością musimy znaleźć sposób na wytworzenie oddychającej atmosfery w zamkniętym habitacie na Marsie. Wymaga to jednak stosunkowo niewielkiej ilości tlenu w porównaniu z dużym zapotrzebowaniem – paliwem dla rakiety, która wystrzeli astronautów z powierzchni.
„Próbujemy zrobić paliwo rakietowe” – powiedział Hecht. „Nie próbujemy wytwarzać paliwa, staramy się przeprowadzić część reakcji chemicznej, o której na Ziemi nigdy nie myślimy”. Tutaj na Ziemio, kiedy spalasz benzynę w silniku swojego samochodu, zużywasz kilka razy tyle, ile waży paliwo w tlenie, aby to wytworzyć reakcja. To samo ze spalaniem polana w kominku.
Jednak „jeśli jedziesz gdzieś, gdzie nie ma wolnego tlenu, musisz zabrać go ze sobą” – dodał Hecht.
Nowoczesne rakiety mają zbiorniki z ciekłym tlenem, które dostarczają tego paliwa i stanowią znaczną część masy podczas startu.
„Potrzebowalibyśmy prawie 30 ton metrycznych tlenu, aby zasilić tę rakietę i zabrać tych astronautów z planety na orbitę” – powiedział Hecht. „A jeśli będziemy musieli zabrać ze sobą te 30 ton tlenu na Marsa, cofnie to całą misję o dekadę. O wiele łatwiej jest wysłać pustą butlę i napełnić ją tam tlenem”.
Korzystanie z tego, co jest dostępne
Aby wytworzyć tlen na Marsie, Hecht i jego współpracownicy pracują nad koncepcją zwaną wykorzystaniem zasobów in situ (ISRU). Zasadniczo oznacza to wykorzystanie tego, co już jest na Marsie, do stworzenia tego, czego potrzebujemy.
Zbudowali eksperyment o nazwie MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), który został zręcznie przeniesiony na Marsa wraz z Łazik Perseverance NASA który pomyślnie wylądował w lutym 2021 r. MOXIE jest w rzeczywistości miniaturową wersją potencjalnie znacznie większego urządzenia, które pobiera dwutlenek węgla, który jest obfity w marsjańskiej atmosferze, i wytwarza tlen.
Może to brzmieć skomplikowanie, ale w rzeczywistości urządzenie jest podobne do czegoś dobrze znanego tutaj na Ziemi. „MOXIE bardzo przypomina ogniwo paliwowe” — powiedział Hecht. „Jest prawie identyczny. Gdybyś wziął ogniwo paliwowe i zamienił dwa wchodzące przewody, miałbyś system elektrolizy. Oznacza to, że gdyby to było ogniwo paliwowe, miałbyś paliwo i utleniacz, które okazałyby się stabilną cząsteczką. Gdyby tlenek węgla był paliwem i tlenem, wytwarzałby dwutlenek węgla. Wyciągasz też prąd.
„Jeśli uruchomisz go w odwrotnej kolejności, musisz wprowadzić dwutlenek węgla i musisz wprowadzić energię elektryczną. Ale uwalniasz tlenek węgla i tlen. Dzięki temu wiemy, jak to zrobić”.
To pochłania dwutlenek węgla, którego jest dużo w marsjańskiej atmosferze, i wytwarza tlen.
Ten pozornie prosty pomysł jest radykalny, ponieważ dotyczy problemu, o którym mało kto spoza społeczności kosmicznej myśli jako problem: produkcja tlenu. „Nikt nie chce wytwarzać tlenu na Ziemi – nie mamy ku temu powodu” – powiedział Hecht. „Wszędzie mamy go pod dostatkiem. Ale mamy dużo wiedzy dzięki ogniwom paliwowym”.
Jak zbudować maszynę tlenową
Zrozumienie chemicznych zasad tworzenia maszyny tlenowej to jedno, ale zaprojektowanie i zbudowanie wersji, która zmieści się w łaziku, to co innego. Aboobaker, inżynier termiczny dla MOXIE w NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), który był zaangażowany w MOXIE projektu przez cały okres jego rozwoju, wyjaśnił, w jaki sposób zbudowano eksperyment i niektóre z wyzwań, przed którymi stanął zespół JPL przybory.
„Głównym ograniczeniem zasobów, jakie mieliśmy, oprócz masy i małej przestrzeni do pracy, była energia” – powiedział. „Łazik ma radioizotopowy generator termoelektryczny, który jest jądrowym źródłem energii. Więc ludzie myślą, że łazik jest napędzany energią jądrową, ale tak nie jest. Jest zasilany bateryjnie, z ładowarką atomową”.
Oznacza to, że naukowcy muszą bardzo uważać na to, ile energii zużywają, aby nie rozładować baterii. Cały łazik Perseverance zużywa tylko 110 watów, czyli niewiele więcej niż jasna żarówka.
Z kolei eksperyment taki jak MOXIE może zużywać tylko niewielką ilość energii. „W ten sposób ustaliliśmy limit mocy grzejnika, jaką moglibyśmy wykorzystać do podgrzania, ile mocy sprężarka – która wdmuchuje gaz do systemu – może pobierać i jak długo możemy pracować” – powiedział Aboobaker.
Dlatego wersja MOXIE podróżująca na Perseverance jest tak mała, mimo że system działałby równie dobrze, a nawet lepiej w większej skali.
Chcemy tylko wiedzieć, czy to działa
Ale projektowanie sprzętu to tylko jedna strona eksperymentu — druga to sprawdzanie, czy rzeczywiście działa na Marsie. Nawet z koncepcją, która działa solidnie tutaj na Ziemi, mogą wystąpić nieoczekiwane konsekwencje obcych środowisk, od rzadka atmosfera wpływająca na przenoszenie ciepła, łożyska zużywające się w nieoczekiwany sposób z powodu niższej grawitacji i nieznane pył. Dlatego inżynierowie JPL wkrótce będą zbierać dane z MOXIE, aby zobaczyć, jak sobie radzi w prawdziwym marsjańskim środowisku.
„Pod wieloma względami MOXIE tak naprawdę nie zbiera danych naukowych” — powiedział Aboobaker. W porównaniu z instrumentami naukowymi, takimi jak teleskopy czy spektrometry, używanymi do analizy próbek skał, dane zebrane z MOXIE są stosunkowo proste. „To, co mamy, jest prawie jak inżynieryjne dane telemetryczne. Mierzymy napięcia, prądy, temperatury i tym podobne rzeczy. To są nasze dane, a ilość danych jest w rzeczywistości dość mała. Prawie można go zmieścić na dyskietce”.
Oznacza to, że zespół może bardzo szybko uzyskać informację zwrotną na temat tego, czy system działa zgodnie z założeniami — w ciągu kilku dni. W przeciwieństwie do innych instrumentów Perseverance, dla których analiza danych zajmuje tygodnie, miesiące, a nawet lata, MOXIE jest zarówno praktyczną demonstracją, jak i eksperymentem.
„Ilość danych jest w rzeczywistości dość mała. Prawie można go zmieścić na dyskietce”
„Pod wieloma względami to, co robimy, to nie nauka, to technologia” – powiedział Aboobaker. „Przeważnie chcemy po prostu wiedzieć, czy to działa. A gdybyśmy chcieli zwiększyć skalę w przyszłości, jakie rzeczy musielibyśmy zrobić, aby to zrobić?
Stacja McMurdo dla Marsa
Jeśli MOXIE odniesie sukces, może zademonstrować, jak zasada ISRU może działać na Marsie. Wtedy stosunkowo łatwo jest zwiększyć skalę projektu i stworzyć pełnowymiarową wersję, która mogłaby wytwarzać tlen w znacznie szybszym tempie. Dobrą wiadomością jest to, że większa wersja byłaby bardziej wydajna i mogłaby wytwarzać znaczną ilość tlenu, nie wymagając zbyt dużej mocy.
Mając posortowany tlen, moglibyśmy przejść do innych rodzajów zasobów, których potrzebowalibyśmy dla ludzi żyjących na Marsie. Kolejnym z najważniejszych zasobów, których potrzebowalibyśmy do założenia bazy na planecie, jest woda. Nie tylko dla ludzi do picia, ale także dlatego, że wodę (lub wodór) i dwutlenek węgla można łączyć w ogromną różnorodność przydatnych chemikaliów.
Szalona inżynieria: Wytwarzanie tlenu na Marsie za pomocą MOXIE
„Na krótką metę chcemy zrobić pewną liczbę autonomicznych ISRU, aby nasze misje były wykonalne” – powiedział Hecht. „Kiedy już mamy bazę na planecie, taką jak Stacja McMurdo na Antarktydzie lub Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, można pomyśleć o bardziej agresywnych typach ISRU, takich jak wydobywanie lodu.
„Wiele osób uważa, że powinniśmy samodzielnie wydobywać lód. Ale mówię nie, nie warto. Lód jest minerałem, co oznacza, że trzeba go szukać, trzeba go wykopywać, trzeba go oczyszczać. Łatwiej będzie po prostu go przynieść. Coś w rodzaju MOXIE jest jednak drzewem mechanicznym. Wdycha dwutlenek węgla, a wydycha tlen”.
W porównaniu do polowania na zasoby poprzez wydobycie, MOXIE jest znacznie prostszy, argumentuje Hecht. „Nie musi nigdzie iść, nie musi niczego szukać. To są rodzaje metod IRSU, które są naprawdę praktyczne na krótką metę. Resztę odkładasz, dopóki nie będziesz mieć ludzi na powierzchni, którzy mogą wykonywać bardziej skomplikowane zadania.
Nieoczekiwana marsjańska nagroda
Mars ma dużo lodu wodnego, ale znajduje się on na biegunach, podczas gdy większość misji marsjańskich chce skupić się na lądowaniu na równiku, który jest jak pustynia. Obecne koncepcje rozwiązania tego problemu obejmują ideę mapowania globalnego lodu, w ramach którego można by mapować lokalizacje mniejszych ilości lodu do wykorzystania w przyszłości.
Inną opcją jest wydobywanie wody z minerałów w marsjańskiej glebie. „Istnieją minerały, takie jak gips i sole Epsom, które są siarczanami i przyciągają dużo wody” – wyjaśnił Hecht. „Żebyś mógł je wykopać, upiec i wypompować wodę. Możesz wydobywać glebę dla wody, której jest dość dużo.
„Kiedy uwalniasz atomy tlenu z ClO4 w celu wytworzenia Cl, uwalnia się ogromna ilość energii”
Ale Mars ma nie tylko materiały podobne do tych, które znajdujemy na Ziemi. Zawiera również duże ilości substancji chemicznej zwanej nadchloranem (ClO4), która jest niebezpieczna dla zdrowia ludzkiego i występuje tylko w niewielkich ilościach na naszej planecie. Pomimo tego, że jest toksyczna, substancja ta może być niezwykle przydatna ze względu na swoje właściwości chemiczne, ponieważ jest stosowana w takich rzeczach, jak dopalacze rakiet na paliwo stałe, fajerwerki i poduszki powietrzne.
„Na Marsie większość chloru w glebie to nadchloran” – powiedział Hecht. „Tworzy prawie 1% gleby. I ma ogromną ilość energii. Kiedy uwalniasz atomy tlenu z ClO4, aby wytworzyć Cl, uwalnia się ogromna ilość energii. Zawsze myślałem, że będzie to świetny zasób do zbioru.
Problem polega na tym, że wszystkie te zastosowania są wybuchowe, a kontrolowanie reakcji ClO4 jest trudne. Istnieje jednak system, który ma potencjał do delikatnego uwalniania energii za pomocą reaktor biologiczny.
„Mikroby mogą jeść te rzeczy i wytwarzać energię” – wyjaśnił Hecht. „I ludzie faktycznie zbudowali tego rodzaju reaktory biologiczne, które są zbiornikami bakterii, które trawią jakąś substancję i pobierają z niej energię.
„Mam więc wizję reaktora biologicznego z tyłu łazika, w którym astronauta wsiada i jeździ. A kiedy wskaźnik mocy spada, wysiadają i zaczynają wpychać ziemię do leja z tyłu, a mikroby zjadają glebę i wytwarzają energię, a astronauta może kontynuować jazdę. To szalony pomysł, ale taka jest moja koncepcja wykorzystania zasobów domowych”.
Ten artykuł jest częścią Życie na Marsie — 10-częściowy serial poświęcony najnowocześniejszej nauce i technologii, które umożliwią ludziom okupację Marsa.
Zalecenia redaktorów
- Kosmologiczny dojazd: skomplikowana logistyka umieszczania ludzi na Marsie
- Udoskonalanie napędu: jak dowieziemy ludzi na Marsa
- Zamki z piasku: jak stworzymy siedliska z marsjańskiej gleby
- Zbieranie nawodnienia: jak przyszli osadnicy będą tworzyć i gromadzić wodę na Marsie
- Astrorolnictwo: Jak będziemy uprawiać rośliny na Marsie
