Сбор гидратации: как мы будем собирать воду на Марсе

Мы десятилетиями мечтали отправить людей на другую планету, и с недавним всплеском интереса к исследованию Марса похоже, что однажды это может стать реальностью.

Но предстоит еще много работы, прежде чем мы будем готовы к тому, что человек ступит на красную планету.

Из всех ресурсов, которые потребуются посетителям Марса, одним из самых важных является вода — не только для питья, но и для производства ракетного топлива и других веществ, таких как кислород. И если мы в надежде организовать там сельское хозяйство, нам понадобится много воды, чтобы поддерживать рост сельскохозяйственных культур.

Но поверхность Марса похожа на сухую негостеприимную пустыню. Сегодня на Марсе нет ни озер, ни рек, ни дождей.

Так откуда же мы возьмем воду? Мы поговорили с тремя экспертами, чтобы выяснить это.

Эта статья является частью

Поиск воды на Марсе

Несмотря на то, что до создания полностью функционирующей базы на Марсе еще много лет, космические агентства, такие как НАСА, уже думают о водной проблеме. Привозить воду с Земли нецелесообразно — она слишком тяжелая, чтобы нести всю воду, необходимую для миссии, на ракете. Итак, план состоит в том, чтобы собрать воду из марсианской среды, и для этого нам нужно знать, где находится вода.

Хорошая новость заключается в том, что на поверхности Марса много воды в виде льда, в том числе льда, покрывающего полюса и огромные кратеры. Плохая новость заключается в том, что миссия в эти морозные регионы сопряжена со своими проблемами, такими как количество энергии, которое потребуется, чтобы согреть людей и машины при температурах до -240°F. Вот почему в центре внимания большинства марсианских миссий находятся регионы средних широт, где температура мягче.

В этих регионах нет льда на поверхности, хотя под землей есть лед. Но если вы не хотите отправить астронавта с лопатой, чтобы взять пробы на каждом пятне грязи на планете, вам нужен способ быстро и эффективно нанести на карту этот подповерхностный лед.

X отмечает место

Это то, над чем работают Гарет Морган и Тан Путциг из Института планетологии в рамках проекта «Картирование подземных вод и льда» (SWIM). Они и их коллеги объединили данные пяти различных орбитальных марсианских инструментов за 20 лет, чтобы определить, где лед, скорее всего, находится под поверхностью. Сам по себе каждый набор данных, например, показания радара или признаки наличия водорода, может рассказать вам лишь немногое о том, лед находится в определенном месте, но в сочетании они могут указать, какие основные места для поиска льда были бы быть.

Цель их работы — помочь НАСА в выборе будущих посадочных площадок для миссий с экипажем, чтобы астронавты могли получить к ним доступ. подповерхностный лед, предоставляя при этом максимальную свободу выбора интересного с научной точки зрения исследования область.

«Технологии и инженерия определят, как отправить людей на Марс, — сказал Морган, — и у них будут свои ограничения на то, где это может произойти. Они также хотят, чтобы научное сообщество нашло наиболее научно обоснованные, интересные и увлекательные места для посадки. Поэтому наша задача состоит в том, чтобы соединить оба этих мира, дав обеим командам общее представление о том, где находятся ресурсы».

Эта карта может показать, где лед может быть найден, но только если этот лед находится менее чем в пяти метрах под землей. Также трудно точно определить, насколько глубоко находится лед в той или иной области, потому что используемые методы зондирования могут дать только приблизительную оценку содержания льда в этом районе.

И есть большая практическая разница в том, насколько сложно получить доступ ко льду, который находится на несколько дюймов ниже поверхности, по сравнению со льдом, который находится под метрами плотной скалы.

Новый инструмент для обнаружения льда

Чтобы выяснить, насколько глубок лед на Марсе, нам потребуются новые исследования, такие как Миссия Mars Ice Mapper: космический корабль, над которым совместно работают НАСА и другие международные космические агентства. вращаться вокруг Марса и использовать два типа радиолокационных методологий, чтобы определить, насколько глубокий лед расположен под поверхность.

«Основная идея состоит в том, чтобы иметь высокочастотный радар с более высоким разрешением», — пояснил Путциг. Миссия Ice Mapper все еще находится на стадии разработки, и он и Морган не принимают в ней непосредственного участия. Но они слышали о концепции миссии от других ученых и поделились некоторыми подробностями о том, как она будет работать.

Первый радиолокационный метод, который будет использовать картограф, называется радиолокационным изображением с синтезированной апертурой. Это включает в себя радар, направленный под углом к ​​поверхности, который «дает вам ощущение широкого распространения мелкого льда», — сказал Путциг. «С помощью этого метода вы можете относительно быстро нанести на карту большой регион».

Второй метод — радиолокационное зондирование, при котором радар направляется прямо вниз, чтобы отразиться от верхней части слоя льда. Это говорит о том, насколько глубок ледовый слой. Когда вы объединяете их, «вы получаете вид карты и вид в поперечном сечении», — сказал он.

И тогда вы знаете, где копать.

Доступ к воде, как только мы ее найдем

Обнаружение льда — это только первый шаг в сборе воды. Чтобы получить из глыб твердого льда под землей чистую, безопасную воду для питья и других целей, нам нужно найти способ добычи и обработки льда.

Если вы знаете, на какой глубине находится лед, и считаете, что есть значительное количество льда, к которому можно получить доступ, вы можете пробурить скважину, чтобы добраться до него. Проблема, как объяснил Сидни До, руководитель проекта по картированию вод Марса в Лаборатории реактивного движения НАСА, заключалась в следующем. заключается в том, что вам нужно знать, какую породу вы будете бурить, чтобы вы могли взять с собой правильный инструмент для бурения. работа.

В настоящее время наше понимание состава поверхности и недр Марса ограничено, что вызвало проблемы с марсианскими миссиями, такими как InSight, где тепловой зонд посадочного модуля не мог проникнуть под поверхность потому что уровень трения почвы немного отличался от ожидаемого. Поэтому нам потребуется больше информации о составе горных пород в определенной области, прежде чем мы сможем спроектировать бур для ее прокладки.

После того, как вы пробурили отверстие во льду, вы можете использовать систему, называемую скважиной Родригеса, которая в настоящее время используется на Земле в таких местах, как Антарктида, для доступа к воде. По сути, вы погружаете в пробуренную скважину нагретый стержень, который растапливает лед и создает колодец с жидкой водой, которую затем можно выкачивать на поверхность. Это требует подачи энергии в виде тепла, но это эффективный способ получить доступ к потенциально большому количеству воды.

Запеченные камни

Есть и другой вариант сбора воды: мы можем извлекать ее из гидратированных минералов, которых много во многих районах Марса. Там есть такие камни, как гипс, которые содержат воду, и если раздавить, то обжечь эти камни, можно сконденсировать воду и собрать ее.

Но обнаружить эти минералы непросто. Чтобы идентифицировать эти гидратированные минералы с орбиты, исследователи используют метод, называемый спектроскопией отражения. Приборы на космических кораблях вокруг Марса могут обнаруживать солнечный свет, когда он отражается от поверхности, создавая так называемые спектры. Некоторые длины волн отраженного света поглощаются определенными химическими веществами, что позволяет ученым делать выводы о том, из чего состоят скалы внизу. Но этот сигнал является лишь средним значением для наблюдаемой области, и может быть несколько химических веществ, поглощающих одинаковые длины волн. Таким образом, расшифровка различных сигналов может быть проблемой.

«Мне нравится объяснять это так: у вас есть торт, который вы получили», — сказал До. «Нужно попробовать и выясните, из каких ингредиентов он был сделан, и сколько каждого ингредиента способствовало его созданию. торт. По сути, это то, что мы делаем с этими отражающими сигналами — мы пытаемся разложить их на составные части, чтобы выяснить, что там внутри».

Делаем воду безопасной

В любом случае, после того как вы собрали воду путем таяния льда или запекания камней, вам нужно ее обработать. Вода может быть полна вредных примесей, таких как тяжелые металлы или соли, такие как перхлораты, поэтому перед использованием ее необходимо очистить и опреснить. Теоретически мы знаем, как это сделать, выполняя аналогичную обработку воды на Земле, но проблема на Марсе заключается в том, что в настоящее время мы не знаем, каких загрязнителей ожидать.

Как и многие аспекты управления водными ресурсами на Марсе, проблема не в концепции, а в исполнении. Технология управления водой на Земле хорошо изучена, но еще многое предстоит сделать, прежде чем мы сможем построить систему, которая будет работать на другой планете.

«Мы знаем основные принципы для этого», — сказал До. «Но мы не до конца понимаем условия окружающей среды, в которых нам придется эксплуатировать это оборудование». Все, от тонкой атмосферы Марса до его низкой гравитации и обильная пыль может изменить способ работы машин. Не говоря уже о том, что система водоснабжения должна быть не только небольшой и достаточно легкой, чтобы ее можно было установить на ракету, но и чрезвычайно надежной — на Марсе нет ремонтных мастерских.

Именно здесь появится следующий рубеж технологических инноваций. Сейчас у нас есть знания о том, как построить систему для извлечения и обработки воды, сказал До, эти принципы в технологию, которая надежно работает в той среде, в которой мы ее ожидаем, — это все еще открыть."

Эта статья является частью Жизнь на Марсе - серия из 10 частей, в которой исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Рекомендации редакции

• Космологическое путешествие: сложная логистика доставки людей на Марс
• Совершенствование двигательной установки: как мы доставим людей на Марс
• Замки из песка: как мы будем делать жилища из марсианского грунта
• Искусственные атмосферы: как мы построим базу с пригодным для дыхания воздухом на Марсе
• Астроземледелие: как мы будем выращивать урожай на Марсе