Zber hydratácie: Ako budeme zbierať vodu na Marse

Desaťročia sme snívali o vyslaní ľudí na inú planétu a s nedávnym nárastom záujmu o prieskum Marsu to vyzerá, že by sa to jedného dňa mohlo stať realitou.

Je však potrebné vykonať veľa práce, kým budeme pripravení na to, aby osoba vstúpila na červenú planétu.

Zo všetkých zdrojov, ktoré budú návštevníci Marsu potrebovať, je jedným z najvýznamnejších voda – nielen na pitie, ale aj na výrobu raketového pohonu a iných látok, ako je kyslík. A ak sme v nádeji, že tam založia poľnohospodárstvo, budeme potrebovať veľa vody, aby plodiny rástli.

Ale povrch Marsu vyzerá ako suchá nehostinná púšť. Dnes Mars nemá žiadne jazerá, žiadne rieky a žiadne zrážky.

Odkiaľ teda budeme mať vodu? Porozprávali sme sa s tromi odborníkmi, aby sme to zistili.

Tento článok je súčasťou Život na Marse – 10-dielna séria, ktorá skúma špičkovú vedu a technológiu, ktorá ľuďom umožní okupovať Mars

Nájdenie vody na Marse

Aj keď nás od vybudovania plne funkčnej základne na Marse delí mnoho rokov, vesmírne agentúry ako NASA už premýšľajú o probléme s vodou. Priniesť vodu zo Zeme je nepraktické – je príliš ťažké na to, aby unieslo všetku vodu potrebnú na misiu v rakete. Takže plán je zbierať vodu z prostredia Marsu a na to by sme potrebovali vedieť, kde sa voda nachádza.

Dobrou správou je, že na povrchu Marsu je dostatok vody vo forme ľadu, vrátane ľadu pokrývajúceho póly a v obrovské krátery. Zlou správou je, že misia do týchto mrazivých oblastí predstavuje svoje vlastné problémy, napríklad množstvo energie, ktoré by bolo potrebné na udržanie ľudí aj strojov v teple pri teplotách až -240 °F. To je dôvod, prečo sa väčšina misií na Mars zameriava na oblasti strednej zemepisnej šírky, kde sú teploty miernejšie.

V týchto oblastiach nie je ľad na povrchu, hoci pod zemou je ľad. Ak však nechcete vyslať astronauta s lopatou, aby ochutnal každý kúsok špiny na planéte, potrebujete spôsob, ako rýchlo a efektívne zmapovať podpovrchový ľad.

X označuje miesto

Práve na tom pracujú Gareth Morgan a Than Putzig z Planetary Science Institute v rámci projektu Subsurface Water Ice Mapping (SWIM). So svojimi kolegami skombinovali 20 rokov údajov z piatich rôznych orbitálnych prístrojov na Marse, aby zmapovali, kde sa ľad pod povrchom s najväčšou pravdepodobnosťou nachádza. Každý súbor údajov, ako sú radarové údaje alebo indikácie vodíka, vám sám o sebe môže povedať len toľko o tom, či ľad je na určitom mieste, ale v kombinácii môžu naznačovať, aké by boli hlavné miesta na nájdenie ľadu byť.

Cieľom ich práce je pomôcť NASA vybrať budúce miesta pristátia pre misie s posádkou, aby k nim mali astronauti prístup podpovrchový ľad a zároveň umožňuje čo najväčšiu slobodu výberu vedecky zaujímavého prieskumu oblasť.

„Technológia a inžinierstvo budú definovať, ako dostať ľudí na Mars,“ povedal Morgan, „a budú mať svoje vlastné obmedzenia, kde sa to môže stať. Tiež chcú, aby vedecká komunita našla vedecky najživotaschopnejšie, najzaujímavejšie a fascinujúce miesta na pristátie. Našou úlohou je teda premostiť oba tieto svety tým, že obom tímom poskytneme široké pochopenie toho, kde sú zdroje.“

Táto mapa môže ukázať, kde sa pravdepodobne nachádza ľad, ale iba ak je tento ľad menej ako päť metrov pod zemou. Je tiež ťažké presne určiť, ako hlboko sa ľad nachádza v danej oblasti, pretože použité metódy snímania môžu poskytnúť iba hrubé odhady obsahu ľadu.

A je tu veľký praktický rozdiel v tom, aký ťažký je prístup k ľadu, ktorý je niekoľko centimetrov pod povrchom, oproti ľadu, ktorý je pod metrami hustej horniny.

Nový nástroj na detekciu ľadu

Aby sme zistili, aký hlboký je ľad na Marse, budeme potrebovať nové úsilie, ako je napr Misia Mars Ice Mapper: Kozmická loď, na ktorej spoločne pracujú NASA a ďalšie medzinárodné vesmírne agentúry obiehať okolo Marsu a používať dva typy radarových metodológií na zisťovanie hĺbky ľadu povrch.

"Ústrednou myšlienkou je mať radar s vyššou frekvenciou a vyšším rozlíšením," vysvetlil Putzig. Misia Ice Mapper je stále vo fáze konceptu a on a Morgan sa na nej priamo nezúčastňujú. Počuli však o konceptoch misie od iných vedcov a podelili sa o niektoré podrobnosti o tom, ako bude fungovať.

Prvá radarová metóda, ktorú mapovač použije, sa nazýva radarové zobrazovanie so syntetickou apertúrou. Ide o radar namierený pod uhlom k povrchu, ktorý „vám dáva pocit širokého rozloženia plytkého ľadu,“ povedal Putzig. "Touto metódou to môžete pomerne rýchlo zmapovať vo veľkom regióne."

Druhou metódou je radarové snímanie, kde je radar nasmerovaný priamo nadol, aby sa odrazil od vrchnej časti vrstvy ľadu. To vám povie, aká hlboká je vrstva ľadu. Keď skombinujete tieto dve veci, „získate zobrazenie mapy a prierezový pohľad,“ povedal.

A potom viete, kde máte kopať.

Prístup k vode, keď ju nájdeme

Lokalizácia ľadu je len prvým krokom pri zbere vody. Aby sme sa z blokov pevného ľadu pod zemou dostali k čistej a bezpečnej vode na pitie a iné účely, musíme nájsť spôsob, ako ľad extrahovať a spracovať.

Ak viete, ako hlboko sa ľad nachádza a myslíte si, že je k dispozícii značné množstvo ľadu, môžete sa k nemu dostať pomocou vŕtania. Problém, ako to robí Sydney, vedúci projektu Mars Water Mapping Project v laboratóriu Jet Propulsion Laboratory NASA, vysvetlil, je, že musíte vedieť, cez aký druh kameňa budete vŕtať, aby ste si mohli priniesť ten správny nástroj prácu.

V súčasnosti je naše chápanie zloženia povrchu a podpovrchu Marsu obmedzené, čo spôsobilo problémy pri misiách na Marse, ako je InSight, kde je tepelná sonda pristávacieho modulu nemohol dostať pod povrch pretože pôda mala mierne odlišné úrovne trenia, ako sa očakávalo. Takže budeme potrebovať viac informácií o zložení hornín v konkrétnej oblasti, než budeme môcť navrhnúť vrták, ktorý sa do nej dostane.

Keď vyvŕtate dieru do ľadu, môžete použiť systém nazývaný Rodriguezova studňa, ktorý sa v súčasnosti používa na Zemi na miestach ako Antarktída, na prístup k vode. V podstate do vyvŕtaného otvoru ponoríte vyhrievanú tyč, ktorá roztopí ľad a vytvorí studňu tekutej vody, ktorú potom môžete čerpať na povrch. To si vyžaduje dodávanie energie vo forme tepla, ale je to efektívny spôsob, ako získať potenciálne veľké množstvo vody.

Pečené skaly

Existuje aj iná možnosť zhromažďovania vody: Mohli by sme ju extrahovať z hydratovaných minerálov, ktorých je v mnohých oblastiach Marsu dostatok. Sú tam skaly ako sadra, ktoré obsahujú vodu, a ak tie skaly rozdrvíte, potom upečiete, môžete skondenzovať vodu a zbierať ju.

Ale nájsť tieto minerály nie je ľahké. Na identifikáciu týchto hydratovaných minerálov z obežnej dráhy výskumníci používajú techniku ​​nazývanú reflexná spektroskopia. Prístroje na kozmickej lodi okolo Marsu dokážu detekovať slnečné svetlo, keď sa odráža od povrchu, čím vytvárajú takzvané spektrá. Niektoré vlnové dĺžky odrazeného svetla sú absorbované určitými chemikáliami, čo vedcom umožňuje odvodiť, z čoho sú horniny pod nimi vyrobené. Tento signál je však len priemerom pre pozorovanú oblasť a môže existovať viacero chemikálií, ktoré absorbujú rovnaké vlnové dĺžky. Takže dešifrovanie rôznych signálov môže byť výzvou.

„Rád to vysvetľujem takto: Máte tortu, ktorú ste dostali,“ povedal Do. „Musíš to skúsiť a zistiť, z akých ingrediencií bol vyrobený a koľko z jednotlivých ingrediencií prispelo k jeho výrobe koláč. To je v podstate to, čo robíme s týmito reflexnými signálmi – snažíme sa ich rozložiť na ich základné časti, aby sme zistili, čo je v nich.“

Zabezpečenie vody

Či tak alebo onak, akonáhle ste nazbierali vodu roztopením ľadu alebo pečením kameňov, musíte ju spracovať. Voda môže byť plná škodlivých nečistôt, ako sú ťažké kovy alebo soli, ako sú chloristany, preto je potrebné ju pred použitím vyčistiť a odsoliť. Teoreticky vieme, ako to urobiť z vykonávania podobného spracovania ako voda na Zemi, ale výzvou na Marse je, že momentálne nevieme, aké kontaminanty môžeme očakávať.

Ako mnohé aspekty vodného hospodárstva na Marse, problém nie je v koncepcii, ale v realizácii. Technológia hospodárenia s vodou na Zemi je dobre pochopená, ale je potrebné urobiť ešte veľa, kým sa nám podarí vybudovať systém, ktorý by fungoval na inej planéte.

"Poznáme základné princípy, ako to urobiť," povedal Do. "Ale úplne nerozumieme podmienkam prostredia, v ktorých by sme museli prevádzkovať tento stroj." Všetko od riedkej atmosféry Marsu cez jeho nízku gravitáciu až po jeho hojný prach mohli zmeniť spôsob fungovania strojov. Nehovoriac o tom, že vodný systém by musel byť nielen malý a ľahký, aby sa dal umiestniť na raketu, ale musel by byť aj mimoriadne spoľahlivý – na Marse nie sú opravovne.

Tu sa objaví ďalšia hranica technologických inovácií. Práve teraz máme vedomosti o tom, ako vybudovať systém na extrakciu a spracovanie vody, povedal Do, „ale sústruženie tie princípy do technológie, ktorá funguje spoľahlivo v prostredí, ktoré od nej očakávame – to je stále OTVORENÉ."

Tento článok je súčasťou Život na Marse – 10-dielna séria, ktorá skúma špičkovú vedu a technológiu, ktorá ľuďom umožní okupovať Mars

Odporúčania redaktorov

• Kozmologické dochádzanie: Zložitá logistika umiestňovania ľudí na Mars
• Zdokonaľovanie pohonu: Ako dostaneme ľudí na Mars
• Hrady z piesku: Ako vytvoríme biotopy s marťanskou pôdou
• Umelé atmosféry: Ako na Marse postavíme základňu s dýchateľným vzduchom
• Astropoľnohospodárstvo: Ako budeme pestovať plodiny na Marse