Por mais intimidador que seja enviar humanos para outro planeta pela primeira vez, chegar lá é apenas metade do desafio. O grande problema é como os humanos podem existir na superfície de um planeta com uma atmosfera irrespirável, radiação cósmica e temperaturas superficiais congelantes a milhões de quilômetros de casa.
Conteúdo
- Uma janela de oportunidade
- Por que o oxigênio é tão importante
- Aproveitando o que está disponível
- Como construir uma máquina de oxigênio
- Só queremos saber se funciona
- Uma Estação McMurdo para Marte
- Recompensa marciana inesperada
Queríamos saber como você faria para preparar um planeta alienígena para habitação humana, então conversamos com dois especialistas, Instituto de Massachusetts de O professor de tecnologia Michael Hecht e o engenheiro da NASA Asad Aboobaker, para descobrir como manter os astronautas vivos em um planeta que quer matar eles.
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Este artigo faz parte Vida em Marte — uma série de 10 partes que explora a ciência e a tecnologia de ponta que permitirão aos humanos ocupar Marte
Uma janela de oportunidade
Há um intervalo de tempo essencial no envio de pessoas ao planeta vermelho. Por causa das órbitas da Terra e de Marte, a maneira mais fácil de ir de um planeta para o outro é usando uma trajetória chamada de órbita de transferência de Hohmann, em que uma nave se move em uma órbita que gradualmente espirala para fora.
“Isto deve-se à forma como os planetas giram,” explicou Hecht. “A Terra está dentro da órbita de Marte e gira mais rápido que Marte, por isso dá duas voltas. Um ano marciano é quase dois anos terrestres.”
“Então você tem que cronometrar o lançamento. E há uma janela a cada ano de Marte – a cada 26 meses, em um momento chamado de oposição de Marte, quando Marte está próximo da Terra. Assim, a cada 26 meses, você tem a oportunidade de lançar uma espaçonave para Marte nesta órbita ideal. … Portanto, os planos para Marte são enviar a infraestrutura primeiro e, 26 meses depois, enviaremos a tripulação.
“A cada 26 meses, você tem a oportunidade de lançar uma espaçonave para Marte nesta órbita ideal.”
Enviar infraestrutura não significa apenas garantir que haja ar para os astronautas respirarem e comida para eles comerem. Também significa enviar e construir uma usina de energia, um habitat, rovers e um veículo de ascensão para permitir que os astronautas saiam assim que sua missão terminar.
Por que o oxigênio é tão importante
A primeira grande questão a ser abordada na criação de uma base em Marte é a produção de oxigênio. Quando você ouve sobre a produção de oxigênio em Marte, provavelmente pensa na necessidade humana mais básica: ter ar para respirar. E, certamente, precisamos encontrar uma maneira de produzir uma atmosfera respirável em um habitat contido em Marte. Mas isso requer apenas uma quantidade relativamente pequena de oxigênio em comparação com a grande demanda — a do propulsor do foguete que lançará os astronautas da superfície.
“Estamos tentando fazer propelente para foguetes”, disse Hecht. “Não estamos tentando produzir combustível, estamos tentando fazer a parte da reação química que nunca pensamos na Terra.” Aqui em Terra, quando você queima gasolina no motor do seu carro, você usa várias vezes o peso do combustível em oxigênio para criar esse reação. O mesmo com a queima de um log em uma lareira.
No entanto, “se você for a algum lugar onde não haja oxigênio gratuito, precisará levá-lo com você”, acrescentou Hecht.
Os foguetes modernos têm tanques de oxigênio líquido que fornecem esse propelente e formam uma parte considerável do peso no lançamento.
“Precisaríamos de cerca de 30 toneladas métricas de oxigênio para alimentar esse foguete para tirar os astronautas do planeta e colocá-los em órbita”, disse Hecht. “E se tivermos que levar 30 toneladas métricas de oxigênio conosco para Marte, isso atrasará toda a missão uma década. É muito mais fácil enviar um tanque vazio e enchê-lo de oxigênio lá.”
Aproveitando o que está disponível
Para criar oxigênio em Marte, Hecht e seus colegas estão trabalhando em um conceito chamado utilização de recursos in situ (ISRU). Essencialmente, isso significa usar o que já existe em Marte para criar o que precisamos.
Eles construíram um experimento chamado MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), que foi facilmente transportado para Marte junto com o Rover Perseverance da NASA que pousou com sucesso em fevereiro de 2021. O MOXIE é efetivamente uma versão em miniatura de um dispositivo potencialmente muito maior que absorve dióxido de carbono, que é abundante na atmosfera marciana, e produz oxigênio.
Isso pode parecer complicado, mas, na verdade, o dispositivo é semelhante a algo bastante conhecido aqui na Terra. “O MOXIE é muito parecido com uma célula de combustível”, disse Hecht. “É quase idêntico. Se você pegasse uma célula de combustível e invertesse os dois fios que entram, você teria um sistema de eletrólise. Isso significa que, se fosse uma célula de combustível, você teria um combustível e um oxidante que resultariam em uma molécula estável. Se fosse monóxido de carbono como combustível e oxigênio, produziria dióxido de carbono. Você também sai da eletricidade.
“Se você rodar ao contrário, terá que colocar dióxido de carbono e eletricidade. Mas você sai monóxido de carbono e oxigênio. É assim que sabemos fazer isso.”
Isso absorve dióxido de carbono, que é abundante na atmosfera marciana, e produz oxigênio.
Essa ideia aparentemente simples é radical porque aborda um problema que quase ninguém fora da comunidade espacial considera um problema: produzir oxigênio. “Ninguém quer produzir oxigênio na Terra – não temos motivos para isso”, disse Hecht. “Temos muito disso em todos os lugares. Mas temos muito conhecimento devido às células de combustível.”
Como construir uma máquina de oxigênio
Compreender os princípios químicos da criação de uma máquina de oxigênio é uma coisa, mas projetar e construir uma versão que caiba em um veículo espacial é outra. Aboobaker, engenheiro térmico do MOXIE no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL), que esteve envolvido no MOXIE projeto ao longo de seu desenvolvimento, explicou como o experimento foi construído e alguns dos desafios que a equipe do JPL teve enfrentar.
“A principal limitação de recursos que tínhamos, além da massa e do pequeno espaço para trabalhar, era a energia”, disse. “O rover tem um gerador termoelétrico de radioisótopos, que é uma fonte de energia nuclear. Então, as pessoas pensam que o rover é movido a energia nuclear, mas não é. É alimentado por bateria, com um carregador de gotejamento nuclear.
Isso significa que os pesquisadores precisam ser extremamente cuidadosos com a quantidade de energia que usam para não esgotar a bateria. Todo o rover Perseverance funciona com apenas 110 watts, o que é um pouco mais do que uma lâmpada brilhante.
Por sua vez, um experimento como o MOXIE pode usar apenas uma pequena quantidade de energia. “Portanto, isso estabeleceu um limite de quanta energia do aquecedor poderíamos usar para aquecê-lo, quanta energia o compressor – que sopra o gás no sistema – pode consumir e por quanto tempo podemos funcionar”, disse Aboobaker.
É por isso que a versão do MOXIE viajando no Perseverance é tão pequena, mesmo que o sistema funcione tão bem ou até melhor em uma escala maior.
Só queremos saber se funciona
Mas projetar o equipamento é apenas um lado do experimento – o outro lado é verificar se ele realmente funciona em Marte. Mesmo com um conceito que funciona solidamente aqui na Terra, pode haver consequências inesperadas de ambientes alienígenas, desde o atmosfera fina afetando como o calor é transferido, para rolamentos desgastados de maneiras inesperadas devido à menor gravidade e pó. É por isso que os engenheiros do JPL logo estarão coletando dados do MOXIE para ver como ele se sai em um ambiente marciano real.
“De várias maneiras, o MOXIE realmente não coleta dados científicos”, disse Aboobaker. Em comparação com instrumentos científicos como telescópios ou espectrômetros, usados para analisar amostras de rochas, os dados coletados do MOXIE são relativamente simples. “O que temos é quase como dados de telemetria de engenharia. Medimos tensões, correntes e temperaturas, coisas assim. Esses são os nossos dados e o volume de dados é realmente muito pequeno. Você quase poderia encaixá-lo em um disquete.
Isso significa que a equipe pode obter um feedback muito rápido sobre se o sistema está funcionando conforme o esperado - dentro de alguns dias. Ao contrário de outros instrumentos do Perseverance, para os quais a análise de dados leva semanas, meses ou até anos, o MOXIE é tanto uma demonstração prática quanto um experimento.
“O volume de dados é realmente muito pequeno. Você quase poderia encaixá-lo em um disquete”
“De muitas maneiras, o que estamos fazendo não é ciência, é tecnologia”, disse Aboobaker. “Principalmente, só queremos saber se funciona. E, se quiséssemos ampliá-lo no futuro, quais são os tipos de coisas que precisaríamos fazer para fazer isso?”
Uma Estação McMurdo para Marte
Se o MOXIE for bem-sucedido, poderá demonstrar como o princípio do ISRU pode funcionar em Marte. Então é relativamente simples ampliar o projeto e criar uma versão em escala real que possa produzir oxigênio a uma taxa muito maior. E a boa notícia é que uma versão maior seria mais eficiente e poderia produzir uma quantidade considerável de oxigênio sem exigir muita energia.
Com o oxigênio classificado, poderíamos passar para os outros tipos de recursos de que precisaríamos para os humanos que vivem em Marte. Outro dos recursos mais essenciais que precisaríamos para estabelecer uma base no planeta é água. Não apenas para os humanos beberem, mas também porque a água (ou hidrogênio) e o dióxido de carbono podem ser combinados em uma enorme variedade de produtos químicos úteis.
Engenharia Louca: Fazendo Oxigênio em Marte com MOXIE
“A ideia a curto prazo é que queremos fazer uma certa quantidade de ISRU autônomo para tornar nossas missões viáveis”, disse Hecht. “Uma vez que temos uma base no planeta, como a Estação McMurdo na Antártida ou como a Estação Espacial Internacional, então você pode pensar em tipos de ISRU muito mais agressivos, como mineração de gelo.
“Muitas pessoas acham que deveríamos minerar gelo de forma autônoma. Mas eu digo que não, não vale a pena o esforço. O gelo é um mineral, o que significa que você precisa procurá-lo, desenterrá-lo, purificá-lo. Será mais fácil apenas trazê-lo. Algo como MOXIE, no entanto, é uma árvore mecânica. Ele inspira dióxido de carbono e expira oxigênio.”
Comparado à busca de recursos por meio da mineração, o MOXIE é muito mais simples, argumenta Hecht. “Não precisa ir a lugar nenhum, não precisa procurar nada. Esses são os tipos de métodos IRSU que são realmente práticos a curto prazo. Você adia o resto até ter pessoas na superfície que possam fazer tarefas mais complicadas.”
Recompensa marciana inesperada
Marte tem muito gelo de água, mas está localizado nos pólos, enquanto a maioria das missões de Marte quer se concentrar no pouso no equador, que é como um deserto. Os conceitos atuais para lidar com esse problema incluem a ideia de mapeamento global de gelo, onde locais com quantidades menores de gelo podem ser mapeados para uso futuro.
Outra opção é extrair água dos minerais do solo marciano. “Existem minerais como gesso e sais de Epsom que são sulfatos e atraem muita água”, explicou Hecht. “Então você pode desenterrá-los e assá-los e tirar a água. Você poderia minerar o solo em busca de água, que é bastante abundante.”
“Quando você libera átomos de oxigênio do ClO4 para fazer Cl, ele libera uma quantidade enorme de energia”
Mas Marte não possui apenas materiais semelhantes aos que encontramos aqui na Terra. Ele também possui grandes quantidades de um produto químico chamado perclorato (ClO4), que é perigoso para a saúde humana e encontrado apenas em pequenas quantidades em nosso planeta. Apesar de ser tóxica, essa substância pode ser extremamente útil devido às suas propriedades químicas, pois é usada em coisas como propulsores de foguetes sólidos, fogos de artifício e airbags.
“Em Marte, a maior parte do cloro no solo é perclorato”, disse Hecht. “Ela representa quase 1% do solo. E tem uma tremenda quantidade de energia. Quando você libera átomos de oxigênio do ClO4 para fazer Cl, ele libera uma quantidade enorme de energia. Sempre achei que seria um ótimo recurso para colher.”
O problema é que essas aplicações são todas explosivas e controlar a reação do ClO4 é um desafio. No entanto, existe um sistema que tem o potencial de liberar a energia suavemente, usando um reator biológico.
“Os micróbios podem comer essas coisas e produzir energia”, explicou Hecht. “E as pessoas realmente construíram esses tipos de reatores biológicos, que são tanques de bactérias que digerem alguma substância e extraem energia dela.
“Então, eu tenho essa visão de um reator biológico na parte de trás de um rover, e o astronauta entra e dirige. E quando o medidor de energia fica baixo, eles saem e começam a colocar o solo em uma tremonha na parte de trás, e os micróbios comem o solo e produzem energia e o astronauta pode continuar dirigindo. É uma ideia maluca, mas esse é o meu conceito de utilização de recursos de estimação.”
Este artigo faz parte Vida em Marte — uma série de 10 partes que explora a ciência e a tecnologia de ponta que permitirão aos humanos ocupar Marte.
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