Как мы построим базу с пригодным для дыхания воздухом на Марсе

Какой бы пугающей ни была отправка людей на другую планету в первый раз, добраться туда — это только полдела. Большая проблема заключается в том, как люди могут существовать на поверхности планеты с непригодной для дыхания атмосферой, космическим излучением и низкой температурой поверхности в миллионах миль от дома.

Мы хотели узнать, как вы собираетесь готовить чужую планету для проживания людей, поэтому мы поговорили с двумя экспертами из Массачусетского института Профессор технологий Майкл Хехт и инженер НАСА Асад Абубакер, чтобы выяснить, как сохранить жизнь астронавтам на планете, которая хочет убивать. их.

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

Окно возможностей

Существует существенная временная задержка в отправке людей на красную планету. Из-за орбит Земли и Марса самый простой способ добраться с одной планеты на другую — использовать траекторию, называемую Переходная орбита Хомана, в котором корабль движется по орбите, которая постепенно закручивается наружу.

«Это из-за того, как вращаются планеты», — объяснил Хехт. «Земля находится внутри орбиты Марса, и она вращается быстрее, чем Марс, поэтому она пару раз огибает его. Марсианский год равен почти двум земным».

«Поэтому вам нужно рассчитать время запуска. И есть окно каждый марсианский год — каждые 26 месяцев, во время, называемое оппозицией Марса, когда Марс приближается к Земле. Так что каждые 26 месяцев у вас есть возможность запускать космический корабль на Марс на этой оптимальной орбите. … Таким образом, планы на Марс состоят в том, чтобы сначала отправить инфраструктуру, а затем, через 26 месяцев, мы отправим экипаж».

Отправка инфраструктуры означает не только обеспечение астронавтов воздухом для дыхания и пищей для них. Это также означает отправку и строительство электростанции, среды обитания, марсоходов и транспортного средства, чтобы астронавты могли уйти после завершения своей миссии.

Почему кислород так важен

Первая большая проблема, которую необходимо решить при создании марсианской базы, — это производство кислорода. Когда вы слышите о производстве кислорода на Марсе, вы, вероятно, думаете о самой основной человеческой потребности: иметь воздух для дыхания. И, конечно же, нам нужно найти способ создать пригодную для дыхания атмосферу в изолированной среде обитания на Марсе. Но для этого требуется лишь относительно небольшое количество кислорода по сравнению с большим спросом — топливом для ракеты, которая запустит астронавтов с поверхности.

«Мы пытаемся сделать ракетное топливо, — сказал Хект. «Мы не пытаемся производить топливо, мы пытаемся сделать часть химической реакции, о которой на Земле мы никогда не задумываемся». Здесь на Земля, когда вы сжигаете бензин в двигателе своего автомобиля, вы используете в несколько раз больше веса топлива в кислороде, чтобы создать это реакция. То же самое с сжиганием полена в камине.

Однако «если вы идете куда-то, где нет свободного кислорода, вам нужно взять его с собой», — добавил Хехт.

Современные ракеты имеют баки с жидким кислородом, которые обеспечивают это топливо, и они составляют значительную часть веса при запуске.

«Нам потребуется около 30 метрических тонн кислорода, чтобы привести в действие эту ракету, чтобы доставить этих астронавтов с планеты на орбиту», — сказал Хехт. «И если нам придется взять эти 30 метрических тонн кислорода с собой на Марс, это отодвинет всю миссию на десятилетие назад. Гораздо проще отправить пустой баллон и заправить его там кислородом».

Использование того, что доступно

Чтобы создать кислород на Марсе, Хехт и его коллеги работают над концепцией, называемой использованием ресурсов на месте (ISRU). По сути, это означает использование того, что уже есть на Марсе, для создания того, что нам нужно.

Они построили эксперимент под названием MOXIE (эксперимент по использованию ресурсов кислорода на месте), который был легко доставлен на Марс вместе с Марсоход NASA Perseverance который успешно приземлился в феврале 2021 года. MOXIE фактически является миниатюрной версией потенциально гораздо большего устройства, которое поглощает углекислый газ, которого много в марсианской атмосфере, и производит кислород.

Это может показаться сложным, но на самом деле устройство похоже на что-то хорошо известное здесь, на Земле. «MOXIE очень похож на топливный элемент, — сказал Хект. «Это почти идентично. Если взять топливный элемент и поменять местами два входящих провода, получится система электролиза. Это означает, что если бы это был топливный элемент, у вас было бы топливо и окислитель, которые образуют стабильную молекулу. Если бы это был угарный газ в качестве топлива и кислород, это сделало бы двуокись углерода. Вы также получаете электричество.

«Если вы запустите его в обратном направлении, вы должны ввести углекислый газ и электричество. Но вы выходите из угарного газа и кислорода. Вот как мы знаем, как это сделать».

Эта, казалось бы, простая идея является радикальной, потому что она решает проблему, которую мало кто за пределами космического сообщества считает проблемой: производство кислорода. «Никто не хочет производить кислород на Земле — у нас нет причин для этого», — сказал Хехт. «У нас его везде много. Но у нас много знаний благодаря топливным элементам».

Как построить кислородную машину

Понимание химических принципов создания кислородной машины — это одно, а разработка и создание версии, которая может поместиться в вездеход, — это совсем другое. Абубакер, инженер-теплотехник MOXIE в Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL), участвовавший в MOXIE. проект на протяжении всей его разработки, объяснил, как строился эксперимент, и некоторые проблемы, с которыми пришлось столкнуться команде JPL. взяться.

«Основным ресурсным ограничением, которое у нас было, помимо массы и небольшого рабочего пространства, была энергия», — сказал он. «У марсохода есть радиоизотопный термоэлектрический генератор, который является ядерным источником энергии. Поэтому люди думают, что марсоход работает на атомной энергии, но это не так. Он на батарейках, с ядерным зарядным устройством».

Это означает, что исследователи должны быть предельно осторожны с тем, сколько энергии они используют, чтобы не разрядить батарею. Весь марсоход Perseverance потребляет всего 110 Вт, что чуть больше, чем яркая лампочка.

В свою очередь, такой эксперимент, как MOXIE, может потреблять лишь небольшое количество энергии. «Таким образом, мы установили предел мощности нагревателя, которую мы могли бы использовать для его нагрева, мощности, которую может потреблять компрессор, который нагнетает газ в систему, и того, как долго мы можем работать», — сказал Абубакер.

Вот почему версия MOXIE, путешествующая на Perseverance, такая маленькая, хотя система будет работать так же хорошо или даже лучше в большем масштабе.

Мы просто хотим знать, работает ли это

Но проектирование оборудования — это только одна сторона эксперимента — другая сторона проверяет, действительно ли оно работает на Марсе. Даже с концепцией, которая надежно работает здесь, на Земле, могут быть неожиданные последствия инопланетной среды, от разреженная атмосфера, влияющая на передачу тепла, к износу подшипников неожиданным образом из-за более низкой силы тяжести и незнакомых пыль. Вот почему инженеры JPL скоро будут собирать данные с MOXIE, чтобы увидеть, как он работает в реальных марсианских условиях.

«Во многом MOXIE не использует научные данные, — сказал Абубакер. По сравнению с такими научными инструментами, как телескопы или спектрометры, которые используются для анализа образцов горных пород, данные, собранные MOXIE, относительно просты. «То, что у нас есть, похоже на данные инженерной телеметрии. Мы измеряем напряжения, токи, температуры и тому подобное. Это наши данные, и объем данных на самом деле довольно мал. Его можно было бы почти уместить на дискете».

Это означает, что команда может очень быстро получить обратную связь о том, работает ли система так, как задумано — в течение нескольких дней. В отличие от других инструментов Perseverance, для которых анализ данных занимает недели, месяцы или даже годы, MOXIE представляет собой не только эксперимент, но и практическую демонстрацию.

«Во многом то, чем мы занимаемся, — это не наука, а технология», — сказал Абубейкер. «В основном мы просто хотим знать, работает ли это. И если мы хотим масштабировать его в будущем, какие вещи нам нужно будет сделать для этого?»

Станция Мак-Мердо для Марса

Если MOXIE будет успешным, он может продемонстрировать, как принцип ISRU может работать на Марсе. Затем относительно просто масштабировать проект и создать полномасштабную версию, которая могла бы производить кислород с гораздо большей скоростью. И хорошая новость заключается в том, что более крупная версия будет более эффективной и сможет производить значительное количество кислорода, не требуя слишком большой мощности.

Разобравшись с кислородом, мы могли бы перейти к другим видам ресурсов, которые понадобятся людям, живущим на Марсе. Еще один из самых важных ресурсов, которые нам понадобятся для создания базы на планете, — это вода. Не только для того, чтобы люди могли пить, но и потому, что вода (или водород) и углекислый газ могут быть объединены в огромное количество полезных химических веществ.

«Идея в краткосрочной перспективе заключается в том, что мы хотим создать определенное количество автономных ISRU, чтобы сделать наши миссии выполнимыми», — сказал Хехт. «Как только у нас появится база на планете, такая как станция Мак-Мердо в Антарктиде или международная космическая станция, тогда вы сможете подумать о более агрессивных типах ISRU, таких как добыча льда.

«Многие люди считают, что мы должны добывать лед автономно. Но я говорю нет, это не стоит усилий. Лед — это минерал, то есть его нужно искать, выкапывать, очищать. Легче будет просто принести. Что-то вроде MOXIE, однако, является механическим деревом. Он вдыхает углекислый газ и выдыхает кислород».

Хехт утверждает, что по сравнению с поиском ресурсов с помощью майнинга MOXIE намного проще. «Ему не нужно никуда идти, ему не нужно ничего искать. Это виды методов IRSU, которые действительно практичны в краткосрочной перспективе. Остальное откладываешь до тех пор, пока на поверхности не появятся люди, способные выполнять более сложные задачи».

Неожиданная марсианская награда

На Марсе много водяного льда, но он расположен на полюсах, в то время как большинство марсианских миссий хотят сосредоточиться на посадке на экваторе, который похож на пустыню. Текущие концепции для решения этой проблемы включают идею глобального картирования льда, когда можно нанести на карту места с меньшим количеством льда для будущего использования.

Другой вариант — добывать воду из минералов марсианской почвы. «Есть такие минералы, как гипс и английская соль, которые представляют собой сульфаты и притягивают много воды», — пояснил Хект. — Чтобы их можно было выкопать, испечь, и убрать воду. Вы можете добывать воду из почвы, которой довольно много».

Но на Марсе есть не только материалы, похожие на те, что мы находим здесь, на Земле. Он также содержит большое количество химического вещества под названием перхлорат (ClO4), которое опасно для здоровья человека и встречается на нашей планете лишь в небольших количествах. Несмотря на токсичность, это вещество может быть чрезвычайно полезным благодаря своим химическим свойствам, поскольку оно используется в таких вещах, как твердотопливные ракетные ускорители, фейерверки и подушки безопасности.

«На Марсе большая часть хлора в почве оказывается перхлоратом», — сказал Хехт. «Он составляет почти 1% почвы. И обладает огромным запасом энергии. Когда вы высвобождаете атомы кислорода из ClO4, чтобы получить Cl, высвобождается огромное количество энергии. Я всегда думал, что это будет отличный ресурс для сбора урожая».

Проблема в том, что все эти приложения взрывоопасны, и контролировать реакцию ClO4 сложно. Однако существует система, способная мягко высвобождать энергию, используя биологический реактор.

«Микробы могут есть это вещество и производить энергию», — объяснил Хехт. «И люди на самом деле построили такого рода биологические реакторы, которые представляют собой резервуары бактерий, которые переваривают какое-то вещество и извлекают из него энергию.

«Итак, у меня есть видение биологического реактора в задней части марсохода, и астронавт садится внутрь и едет. И когда датчик мощности падает, они вылезают и начинают сгребать землю в бункер сзади, и микробы съедают почву и вырабатывают энергию, а космонавт может продолжать движение. Это безумная идея, но это моя любимая концепция использования ресурсов».

Эта статья является частью Жизнь на Марсе — серия из 10 частей, в которой исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям заселить 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
• Сбор гидратации: как будущие поселенцы будут создавать и собирать воду на Марсе
• Астроземледелие: как мы будем выращивать урожай на Марсе