Ako si na Marse postavíme základňu s dýchateľným vzduchom

Akokoľvek zastrašujúce môže byť vyslanie ľudí na inú planétu prvýkrát, dostať sa tam je len polovičná výzva. Veľkým problémom je, ako môžu ľudia existovať na povrchu planéty s nedýchateľnou atmosférou, kozmickým žiarením a mrazivými povrchovými teplotami milióny kilometrov od domova.

Chceli sme vedieť, ako by ste postupovali pri príprave cudzej planéty na obývanie ľudí, a tak sme sa porozprávali s dvoma odborníkmi, Massachusetts Institute of Profesor technológie Michael Hecht a inžinier NASA Asad Aboobaker, aby zistili, ako udržať astronautov nažive na planéte, ktorá chce zabíjať ich.

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

Okno príležitosti

Pri posielaní ľudí na červenú planétu je podstatné časové oneskorenie. Kvôli obežným dráham Zeme a Marsu je najjednoduchší spôsob, ako sa dostať z jednej planéty na druhú pomocou trajektórie tzv.

Prenosová dráha Hohmann, v ktorej sa plavidlo pohybuje po obežnej dráhe, ktorá sa postupne špirálovito vytáča smerom von.

"Je to kvôli tomu, ako sa planéty otáčajú," vysvetlil Hecht. „Zem je na obežnej dráhe Marsu a rotuje rýchlejšie ako Mars, takže ju niekoľkokrát obehne. Marsový rok sú takmer dva pozemské roky."

"Takže musíte načasovať spustenie." A je tu okno každý rok na Marse – každých 26 mesiacov, v čase nazývanom opozícia Marsu, keď je Mars blízko Zeme. Takže každých 26 mesiacov máte možnosť vypustiť kozmickú loď na Mars na tejto optimálnej obežnej dráhe.... Takže plány na Mars sú najskôr poslať infraštruktúru a potom o 26 mesiacov neskôr pošleme posádku."

Odoslanie infraštruktúry neznamená len zabezpečiť, aby mali astronauti vzduch na dýchanie a jedlo, ktoré by mali jesť. Znamená to tiež poslať a postaviť elektráreň, biotop, rovery a výstupné vozidlo, ktoré umožní astronautom odísť po skončení ich misie.

Prečo je kyslík taký dôležitý

Prvým veľkým problémom, ktorý treba riešiť pri zriaďovaní základne na Marse, je produkcia kyslíka. Keď počujete o výrobe kyslíka na Marse, pravdepodobne vás napadne najzákladnejšia ľudská potreba: mať vzduch na dýchanie. A určite musíme nájsť spôsob, ako vytvoriť dýchateľnú atmosféru v uzavretom prostredí Marsu. To si však vyžaduje len relatívne malé množstvo kyslíka v porovnaní s veľkým dopytom po pohonnej hmote pre raketu, ktorá odpáli astronautov z povrchu.

"Snažíme sa vyrábať raketový pohon," povedal Hecht. "Nesnažíme sa vyrobiť palivo, snažíme sa urobiť tú časť chemickej reakcie, o ktorej na Zemi nikdy neuvažujeme." Tu ďalej Zem, keď spaľuješ benzín v motore auta, používaš niekoľkonásobok hmotnosti paliva v kyslíku na vytvorenie tohto reakciu. To isté s pálením polena v krbe.

Avšak, "ak idete niekam, kde nie je voľný kyslík, musíte si ho vziať so sebou," dodal Hecht.

Moderné rakety majú nádrže na kvapalný kyslík, ktoré poskytujú túto pohonnú látku, a tvoria značnú časť hmotnosti pri štarte.

"Potrebovali by sme takmer 30 metrických ton kyslíka na pohon tejto rakety, aby sme tých astronautov dostali z planéty na obežnú dráhu," povedal Hecht. "A ak budeme musieť vziať tých 30 metrických ton kyslíka so sebou na Mars, posunieme celú misiu o desaťročie späť." Je oveľa jednoduchšie poslať prázdnu nádrž a naplniť ju kyslíkom.“

Využitie toho, čo je k dispozícii

Na vytvorenie kyslíka na Marse Hecht a jeho kolegovia pracujú na koncepte nazývanom využitie zdrojov in-situ (ISRU). V podstate to znamená využiť to, čo už na Marse je, na vytvorenie toho, čo potrebujeme.

Vybudovali experiment s názvom MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), ktorý bol šikovne prenesený na Mars spolu s Rover NASA Perseverance ktorý úspešne pristál vo februári 2021. MOXIE je v skutočnosti miniatúrnou verziou potenciálne oveľa väčšieho zariadenia, ktoré prijíma oxid uhličitý, ktorého je v marťanskej atmosfére dostatok, a produkuje kyslík.

Môže to znieť komplikovane, ale v skutočnosti je zariadenie podobné niečomu, čo je tu na Zemi dobre známe. "MOXIE je veľmi podobný palivovému článku," povedal Hecht. "Je to takmer rovnaké. Ak by ste vzali palivový článok a obrátili dva vstupujúce vodiče, mali by ste systém elektrolýzy. To znamená, že ak by to bol palivový článok, mali by ste palivo a okysličovadlo, ktoré by vytvorili stabilnú molekulu. Ak by to bol oxid uhoľnatý ako palivo a kyslík, vytvoril by sa oxid uhličitý. Dostanete aj elektrinu.

„Ak to spustíte opačne, musíte pridať oxid uhličitý a musíte dať elektrinu. Ale dostanete von oxid uhoľnatý a kyslík. Takto vieme, ako na to."

Táto zdanlivo jednoduchá myšlienka je radikálna, pretože rieši problém, ktorý sotva niekto mimo vesmírnej komunity považuje za problém: výroba kyslíka. "Nikto nechce na Zemi vyrábať kyslík - nemáme na to dôvod," povedal Hecht. „Máme toho všade dosť. Ale vďaka palivovým článkom máme veľa vedomostí.“

Ako postaviť kyslíkový prístroj

Pochopenie chemických princípov vytvorenia kyslíkového prístroja je jedna vec, no navrhnúť a postaviť verziu, ktorá sa zmestí do roveru, je vec druhá. Aboobaker, tepelný inžinier pre MOXIE v laboratóriu Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA, ktorý sa podieľal na MOXIE projektu počas jeho vývoja, vysvetlil, ako bol experiment postavený, a niektoré výzvy, ktorým musel tím JPL čeliť riešiť.

„Hlavným obmedzením zdrojov, ktoré sme mali, okrem hmoty a malého priestoru na prácu, bola energia,“ povedal. „Rover má rádioizotopový termoelektrický generátor, ktorý je jadrovým zdrojom energie. Ľudia si teda myslia, že rover má jadrový pohon, ale nie je to tak. Je na batérie a má jadrovú nabíjačku."

To znamená, že výskumníci musia byť mimoriadne opatrní s tým, koľko energie spotrebujú, aby nevybili batériu. Celý rover Perseverance beží iba na 110 wattoch, čo je len o niečo viac ako jasná žiarovka.

Na druhej strane experiment ako MOXIE môže spotrebovať len malé množstvo energie. "Takže to stanovilo limit na to, koľko energie ohrievača by sme mohli použiť na jeho zahriatie, koľko energie môže čerpať kompresor - ktorý vháňa plyn do systému - a ako dlho môžeme bežať," povedal Aboobaker.

Preto je verzia MOXIE cestovania na Perseverance taká malá, aj keď by systém fungoval rovnako dobre alebo dokonca lepšie vo väčšom meradle.

Chceme len vedieť, či to funguje

Ale navrhovanie zariadenia je len jednou stranou experimentu - druhá strana kontroluje, či skutočne funguje na Marse. Dokonca aj s konceptom, ktorý tu na Zemi spoľahlivo funguje, môže dôjsť k neočakávaným dôsledkom mimozemského prostredia tenká atmosféra ovplyvňujúca prenos tepla do ložísk, ktoré sa neočakávaným spôsobom opotrebúvajú v dôsledku nižšej gravitácie a sú neznáme prach. To je dôvod, prečo inžinieri JPL budú čoskoro zbierať údaje z MOXIE, aby videli, ako sa mu darí v skutočnom marťanskom prostredí.

"V mnohých ohľadoch MOXIE skutočne neberie vedecké údaje," povedal Aboobaker. V porovnaní s vedeckými prístrojmi, ako sú teleskopy alebo spektrometre, ktoré sa používajú na analýzu vzoriek hornín, sú údaje získané z MOXIE relatívne jednoduché. „To, čo máme, je takmer ako inžinierske telemetrické údaje. Meriame napätia, prúdy a teploty a podobne. To sú naše údaje a objem údajov je v skutočnosti dosť malý. Mohli by ste to umiestniť takmer na disketu.“

To znamená, že tím môže získať veľmi rýchlu spätnú väzbu o tom, či systém funguje podľa plánu – v priebehu niekoľkých dní. Na rozdiel od iných nástrojov Perseverance, ktorým analýza údajov trvá týždne, mesiace alebo dokonca roky, je MOXIE praktickou ukážkou a zároveň experimentom.

"V mnohých ohľadoch to, čo robíme, nie je veda, je to technológia," povedal Aboobaker. „Väčšinou chceme vedieť, či to funguje. A ak by sme to chceli v budúcnosti zväčšiť, aké druhy vecí by sme na to museli urobiť?

Stanica McMurdo pre Mars

Ak bude MOXIE úspešná, môže ukázať, ako môže princíp ISRU fungovať na Marse. Potom je pomerne jednoduché projekt zväčšiť a vytvoriť plnohodnotnú verziu, ktorá dokáže produkovať kyslík oveľa vyššou rýchlosťou. A dobrou správou je, že väčšia verzia by bola efektívnejšia a mohla by produkovať značné množstvo kyslíka bez toho, aby vyžadovala príliš veľa energie.

S vytriedeným kyslíkom by sme mohli prejsť na iné druhy zdrojov, ktoré by sme potrebovali pre ľudí žijúcich na Marse. Ďalším z najdôležitejších zdrojov, ktoré by sme potrebovali na vytvorenie základne na planéte, je voda. Nielen pre ľudí na pitie, ale aj preto, že voda (alebo vodík) a oxid uhličitý môžu byť spojené do obrovského množstva užitočných chemikálií.

„Myšlienka z krátkodobého hľadiska je taká, že chceme urobiť určité množstvo autonómneho ISRU, aby boli naše misie realizovateľné,“ povedal Hecht. „Keď budeme mať na planéte základňu, ako je stanica McMurdo v Antarktíde alebo ako Medzinárodná vesmírna stanica, potom môžete uvažovať o oveľa agresívnejších typoch ISRU, ako je ťažba ľadu.

„Veľa ľudí má pocit, že by sme ľad mali ťažiť autonómne. Ale hovorím nie, nestojí to za námahu. Ľad je minerál, čo znamená, že ho musíte hľadať, musíte ho vykopať, musíte ho vyčistiť. Jednoduchšie bude len priniesť. Niečo ako MOXIE je však mechanický strom. Vdychuje oxid uhličitý a vydychuje kyslík."

V porovnaní s lovením zdrojov ťažbou je MOXIE oveľa jednoduchší, tvrdí Hecht. „Nemusí nikam ísť, nemusí nič hľadať. Toto sú druhy metód IRSU, ktoré sú z krátkodobého hľadiska skutočne praktické. Zvyšok odložíte, kým nebudete mať na povrchu ľudí, ktorí dokážu robiť zložitejšie úlohy.“

Neočakávaná marťanská odmena

Mars má veľa vodného ľadu, ale nachádza sa na póloch, zatiaľ čo väčšina misií na Mars sa chce zamerať na pristátie na rovníku, ktorý je ako púšť. Súčasné koncepcie riešenia tohto problému zahŕňajú myšlienku globálneho mapovania ľadu, kde by bolo možné zmapovať miesta menšieho množstva ľadu pre budúce použitie.

Ďalšou možnosťou je získavanie vody z minerálov v marťanskej pôde. "Existujú minerály ako sadra a Epsomské soli, ktoré sú sírany a priťahujú veľa vody," vysvetlil Hecht. „Aby ste ich mohli vykopať a upiecť a dostať von vodu. Mohli by ste ťažiť z pôdy vodu, ktorej je pomerne dosť."

Ale Mars nemá len podobné materiály ako tie, ktoré nájdeme tu na Zemi. Obsahuje tiež veľké množstvo chemickej látky nazývanej chloristan (ClO4), ktorá je nebezpečná pre ľudské zdravie a na našej planéte sa vyskytuje len v malých množstvách. Napriek tomu, že je toxická, táto látka môže byť mimoriadne užitočná vďaka svojim chemickým vlastnostiam, pretože sa používa vo veciach, ako sú posilňovače rakiet, ohňostroje a airbagy.

"Na Marse sa ukázalo, že väčšina chlóru v pôde je chloristan," povedal Hecht. „Tvorí takmer 1 % pôdy. A má obrovské množstvo energie. Keď uvoľníte atómy kyslíka z ClO4, aby ste vytvorili Cl, uvoľní sa obrovské množstvo energie. Vždy som si myslel, že to bude skvelý zdroj na zber.“

Problém je v tom, že všetky tieto aplikácie sú výbušné a riadenie reakcie ClO4 je náročné. Existuje však systém, ktorý má potenciál jemne uvoľňovať energiu pomocou a biologický reaktor.

"Mikróby môžu jesť tieto veci a produkovať energiu," vysvetlil Hecht. "A ľudia v skutočnosti postavili tieto druhy biologických reaktorov, čo sú nádrže baktérií, ktoré trávia nejakú látku a extrahujú z nej energiu.

„Takže mám víziu biologického reaktora v zadnej časti roveru a astronaut nastúpi a ide okolo. A keď sa meradlo výkonu zníži, vystúpia a začnú lopatou nahadzovať pôdu do násypky v zadnej časti a mikróby požierajú pôdu a vyrábajú energiu a astronaut môže pokračovať v jazde. Je to šialený nápad, ale toto je môj koncept využitia zdrojov pre domáce zvieratá."

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
• Zber hydratácie: Ako budú budúci osadníci vytvárať a zbierať vodu na Marse
• Astropoľnohospodárstvo: Ako budeme pestovať plodiny na Marse