Oricât de intimidant ar fi să trimiți oameni pe o altă planetă pentru prima dată, a ajunge acolo este doar jumătate din provocare. Marea problemă este modul în care oamenii pot exista pe suprafața unei planete cu o atmosferă irespirabilă, radiații cosmice și temperaturi de suprafață înghețate la milioane de mile de casă.
Cuprins
- O fereastră de oportunitate
- De ce oxigenul este atât de important
- Folosind ceea ce este disponibil
- Cum se construiește o mașină de oxigen
- Vrem doar să știm dacă funcționează
- O stație McMurdo pentru Marte
- Recompensă marțiană neașteptată
Am vrut să știm cum ați proceda pentru a pregăti o planetă extraterestră pentru locuirea umană, așa că am vorbit cu doi experți, Massachusetts Institute of Profesorul de tehnologie Michael Hecht și inginerul NASA Asad Aboobaker, pentru a afla cum să țină astronauții în viață pe o planetă care vrea să omoare lor.
Videoclipuri recomandate
Acest articol face parte din Viata pe Marte - o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte
O fereastră de oportunitate
Există un decalaj de timp esențial în trimiterea oamenilor pe planeta roșie. Datorită orbitelor Pământului și Marte, cel mai simplu mod de a ajunge de la o planetă la alta este folosirea unei traiectorii numită Orbită de transfer Hohmann, în care o ambarcațiune se mișcă pe o orbită care spiralează treptat spre exterior.
„Aceasta se datorează modului în care planetele se rotesc”, a explicat Hecht. „Pământul se află în interiorul orbitei lui Marte și se rotește mai repede decât Marte, așa că îl întorc de câteva ori. Un an Marte este aproape doi ani pământeni.”
„Deci trebuie să cronometrezi lansarea. Și există o fereastră în fiecare an pe Marte - la fiecare 26 de luni, într-un moment numit opoziție cu Marte când Marte este aproape de Pământ. Deci, la fiecare 26 de luni, aveți ocazia să lansați o navă spațială pe Marte pe această orbită optimă. … Așa că planurile pentru Marte sunt să trimitem mai întâi infrastructura, iar apoi 26 de luni mai târziu vom trimite echipajul.”
„La fiecare 26 de luni, aveți ocazia să lansați o navă spațială pe Marte pe această orbită optimă.”
Trimiterea infrastructurii nu înseamnă doar să vă asigurați că există aer pentru ca astronauții să respire și hrană pentru ei să mănânce. De asemenea, înseamnă trimiterea și construirea unei centrale electrice, a unui habitat, a rovere și a unui vehicul de ascensiune pentru a permite astronauților să plece odată ce misiunea lor s-a încheiat.
De ce oxigenul este atât de important
Prima problemă importantă de abordat în înființarea unei baze pe Marte este producția de oxigen. Când auziți despre producerea de oxigen pe Marte, probabil vă gândiți la cea mai elementară nevoie umană: să aibă aer pentru a respira. Și, cu siguranță, trebuie să găsim o modalitate de a produce o atmosferă respirabilă într-un habitat limitat de pe Marte. Dar acest lucru necesită doar o cantitate relativ mică de oxigen în comparație cu cererea mare - cea de propulsor pentru racheta care va lansa astronauții de pe suprafață.
„Încercăm să facem propulsor pentru rachete”, a spus Hecht. „Nu încercăm să facem combustibil, încercăm să facem partea reacției chimice la care nu ne gândim niciodată pe Pământ.” Aici mai departe Pământ, când arzi benzină în motorul mașinii tale, folosești de mai multe ori greutatea combustibilului în oxigen pentru a crea asta. reacţie. La fel și cu arderea unui buștean într-un șemineu.
Cu toate acestea, „dacă mergi undeva unde nu există oxigen liber, trebuie să-l iei cu tine”, a adăugat Hecht.
Rachetele moderne au rezervoare de oxigen lichid care furnizează acest propulsor și formează o parte considerabilă a greutății la lansare.
„Am avea nevoie de aproape 30 de tone metrice de oxigen pentru a alimenta acea rachetă pentru a scoate acei astronauți de pe planetă și pe orbită”, a spus Hecht. „Și dacă trebuie să luăm acele 30 de tone metrice de oxigen cu noi pe Marte, va împinge întreaga misiune cu un deceniu înapoi. Este mult mai ușor să trimiți un rezervor gol și să-l umpli cu oxigen acolo.”
Folosind ceea ce este disponibil
Pentru a crea oxigen pe Marte, Hecht și colegii săi lucrează la un concept numit utilizarea resurselor in situ (ISRU). În esență, asta înseamnă să folosim ceea ce este deja pe Marte pentru a crea ceea ce avem nevoie.
Ei au construit un experiment numit MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), care a fost dus cu ușurință pe Marte împreună cu Roverul NASA Perseverance care a aterizat cu succes în februarie 2021. MOXIE este efectiv o versiune în miniatură a unui dispozitiv potențial mult mai mare care preia dioxid de carbon, care este din belșug în atmosfera marțiană, și produce oxigen.
Ar putea suna complicat, dar, de fapt, dispozitivul este similar cu ceva binecunoscut aici pe Pământ. „MOXIE seamănă foarte mult cu o celulă de combustibil”, a spus Hecht. „Este aproape identic. Dacă ai lua o celulă de combustibil și ai inversa cele două fire care vin, ai avea un sistem de electroliză. Asta înseamnă că dacă aceasta ar fi o pilă de combustibil, ai avea un combustibil și un oxidant care devin o moleculă stabilă. Dacă ar fi monoxid de carbon ca combustibil și oxigen, ar produce dioxid de carbon. Ieși și energie electrică.
„Dacă îl rulezi în sens invers, trebuie să pui dioxid de carbon și electricitate. Dar scoți monoxid de carbon și oxigen. Așa știm cum să facem asta.”
Aceasta preia dioxid de carbon, care este din belșug în atmosfera marțiană, și produce oxigen.
Această idee aparent simplă este radicală, deoarece abordează o problemă pe care abia oricine din afara comunității spațiale o consideră o problemă: producerea de oxigen. „Nimeni nu vrea să producă oxigen pe Pământ – nu avem niciun motiv”, a spus Hecht. „Avem destule peste tot. Dar avem o mulțime de cunoștințe datorită pilelor de combustie.”
Cum se construiește o mașină de oxigen
Înțelegerea principiilor chimice ale creării unei mașini de oxigen este un lucru, dar proiectarea și construirea unei versiuni care să se potrivească într-un rover este alta. Aboobaker, un inginer termic pentru MOXIE la Jet Propulsion Laboratory (JPL) al NASA, care a fost implicat în MOXIE proiectul pe parcursul dezvoltării sale, a explicat cum a fost construit experimentul și unele dintre provocările pe care le-a avut echipa JPL aborda.
„Principala constrângere de resurse pe care am avut-o, în afară de masă și spațiul mic pentru a lucra, a fost energia”, a spus el. „Roverul are un generator termoelectric cu radioizotopi, care este o sursă de energie nucleară. Așa că oamenii cred că roverul are propulsie nucleară, dar nu este. Este alimentat de la baterie, cu un încărcător de curent nuclear.”
Asta înseamnă că cercetătorii trebuie să fie extrem de atenți la cantitatea de energie pe care o folosesc pentru a nu epuiza bateria. Întregul rover Perseverance funcționează cu doar 110 wați, ceea ce este doar puțin mai mult decât un bec puternic.
La rândul său, un experiment precum MOXIE poate folosi doar o cantitate mică de putere. „Așadar, asta a stabilit o limită a puterii de încălzire pe care am putea-o folosi pentru a-l încălzi, cât de multă putere poate absorbi compresorul – care sufla gazul în sistem – și cât timp putem funcționa”, a spus Aboobaker.
De aceea versiunea MOXIE care călătorește pe Perseverance este atât de mică, chiar dacă sistemul ar funcționa la fel de bine sau chiar mai bine la o scară mai mare.
Vrem doar să știm dacă funcționează
Dar proiectarea echipamentului este doar o parte a experimentului - cealaltă parte este verificarea dacă funcționează cu adevărat pe Marte. Chiar și cu un concept care funcționează solid aici pe Pământ, pot exista consecințe neașteptate ale mediilor extraterestre, de la Atmosfera subțire care afectează modul în care căldura este transferată, la rulmenți uzându-se în moduri neașteptate din cauza gravitației mai scăzute și nefamiliare praf. De aceea, inginerii JPL vor colecta în curând date de la MOXIE pentru a vedea cum se descurcă într-un mediu marțian real.
„În multe feluri, MOXIE nu preia cu adevărat date științifice”, a spus Aboobaker. În comparație cu instrumentele științifice, cum ar fi telescoapele sau spectrometrele, utilizate pentru analiza probelor de rocă, datele culese de la MOXIE sunt relativ simple. „Ceea ce avem este aproape ca datele de telemetrie de inginerie. Măsurăm tensiuni, curenți și temperaturi, lucruri de genul ăsta. Acestea sunt datele noastre, iar volumul de date este de fapt destul de mic. Aproape că l-ai putea încăpea pe o dischetă.”
Aceasta înseamnă că echipa poate obține feedback foarte rapid cu privire la faptul dacă sistemul funcționează conform intenției – în câteva zile. Spre deosebire de alte instrumente Perseverance, pentru care analiza datelor durează săptămâni, luni sau chiar ani, MOXIE este o demonstrație practică la fel de mult ca un experiment.
„Volumul de date este de fapt destul de mic. Aproape că l-ai putea încăpea pe o dischetă”
„În multe feluri, ceea ce facem nu este știință, ci tehnologie”, a spus Aboobaker. „În mare parte, vrem doar să știm dacă funcționează. Și, dacă am dori să o extindem în viitor, care sunt tipurile de lucruri pe care ar trebui să le facem pentru a face asta?"
O stație McMurdo pentru Marte
Dacă MOXIE are succes, poate demonstra cum poate funcționa principiul ISRU pe Marte. Apoi, este relativ simplu să extindeți proiectul și să creați o versiune la scară completă care ar putea produce oxigen la o rată mult mai mare. Și vestea bună este că o versiune mai mare ar fi mai eficientă și ar putea produce o cantitate considerabilă de oxigen fără a necesita prea multă putere.
Cu oxigenul sortat, am putea trece la celelalte tipuri de resurse de care am avea nevoie pentru oamenii care trăiesc pe Marte. O altă dintre cele mai esențiale resurse de care am avea nevoie pentru a stabili o bază pe planetă este apă. Nu numai pentru ca oamenii să bea, ci și pentru că apa (sau hidrogenul) și dioxidul de carbon pot fi combinate într-o mare varietate de substanțe chimice utile.
Inginerie nebună: producerea de oxigen pe Marte cu MOXIE
„Ideea pe termen scurt este că vrem să facem o anumită cantitate de ISRU autonomă pentru a ne face misiunile fezabile”, a spus Hecht. „Odată ce avem o bază pe planetă, cum ar fi Stația McMurdo din Antarctica sau ca Stația Spațială Internațională, atunci te poți gândi la tipuri mult mai agresive de ISRU, cum ar fi minerit de gheață.
„Mulți oameni consideră că ar trebui să extragem gheață în mod autonom. Dar spun că nu, nu merită efortul. Gheața este un mineral, adică trebuie să-l prospectezi, trebuie să-l scoți, trebuie să-l purificați. Va fi mai ușor să-l aduci. Ceva ca MOXIE, totuși, este un arbore mecanic. Inspiră dioxid de carbon și expiră oxigen.”
În comparație cu vânarea resurselor prin minerit, MOXIE este mult mai simplă, susține Hecht. „Nu trebuie să meargă nicăieri, nu trebuie să caute nimic. Acestea sunt tipurile de metode IRSU care sunt cu adevărat practice pe termen scurt. Amânați restul până când aveți oameni la suprafață care pot face sarcini mai complicate.”
Recompensă marțiană neașteptată
Marte are o mulțime de gheață de apă, dar este situat la poli, în timp ce majoritatea misiunilor pe Marte doresc să se concentreze pe aterizarea la ecuator, care este ca un deșert. Conceptele actuale pentru a aborda această problemă includ ideea de cartografiere globală a gheții, unde locațiile de cantități mai mici de gheață ar putea fi cartografiate pentru utilizare ulterioară.
O altă opțiune este extragerea apei din mineralele din solul marțian. „Există minerale precum ghipsul și sărurile Epsom care sunt sulfați și atrag multă apă”, a explicat Hecht. „Așa că ai putea să le scoți și să le coaci și să scoți apa. Ai putea extrage solul pentru apă, care este destul de abundentă.”
„Când eliberați atomi de oxigen din ClO4 pentru a face Cl, acesta eliberează o cantitate extraordinară de energie”
Dar Marte nu are doar materiale similare cu cele pe care le găsim aici pe Pământ. De asemenea, conține cantități mari de o substanță chimică numită perclorat (ClO4), care este periculoasă pentru sănătatea umană și care se găsește doar în cantități mici pe planeta noastră. În ciuda faptului că este toxică, această substanță ar putea fi extrem de utilă datorită proprietăților sale chimice, deoarece este folosită în lucruri precum rachete solide, artificii și airbag-uri.
„Pe Marte, cea mai mare parte a clorului din sol se dovedește a fi perclorat”, a spus Hecht. „Reprezintă aproape 1% din sol. Și are o cantitate extraordinară de energie. Când eliberați atomi de oxigen din ClO4 pentru a face Cl, acesta eliberează o cantitate extraordinară de energie. Întotdeauna m-am gândit că ar fi o resursă grozavă de recoltat.”
Problema cu aceasta este că aceste aplicații sunt toate explozive, iar controlul reacției ClO4 este o provocare. Cu toate acestea, există un sistem care are potențialul de a elibera energia ușor, folosind a reactor biologic.
„Microbii pot mânca aceste lucruri și pot produce energie”, a explicat Hecht. „Și oamenii au construit de fapt aceste tipuri de reactoare biologice, care sunt rezervoare de bacterii care digeră o anumită substanță și extrag energie din ea.
„Așa că am această viziune a unui reactor biologic în spatele unui rover, iar astronautul intră și circulă. Și când indicatorul de putere scade, ei ies și încep să împingă pământul într-un buncăr din spate, iar microbii mănâncă pământul și produc energie, iar astronautul poate continua să conducă. Este o idee nebună, dar acesta este conceptul meu de utilizare a resurselor pentru animale de companie.”
Acest articol face parte din Viata pe Marte — o serie de 10 părți care explorează știința și tehnologia de ultimă oră care le va permite oamenilor să ocupe Marte.
Recomandările editorilor
- O navetă cosmologică: logistica complicată a punerii oamenilor pe Marte
- Perfecționarea propulsiei: cum vom duce oamenii pe Marte
- Castele făcute din nisip: Cum vom face habitate cu solul marțian
- Recoltarea hidratării: cum vor crea și colecta apă pe Marte viitorii coloniști
- Astroagricultura: Cum vom crește culturi pe Marte
