Kako bomo na Marsu zgradili bazo z zrakom za dihanje

Čeprav je pošiljanje ljudi na drug planet morda zastrašujoče, je priti tja le polovica izziva. Velik problem je, kako lahko ljudje obstajamo na površju planeta z atmosfero, ki ni primerna za dihanje, kozmičnim sevanjem in nizkimi površinskimi temperaturami, milijone milj od doma.

Zanimalo nas je, kako bi se lotili priprave tujega planeta za človeško bivanje, zato smo se pogovarjali z dvema strokovnjakoma z Inštituta Massachusetts Profesor tehnologije Michael Hecht in Nasin inženir Asad Aboobaker, da ugotovita, kako ohraniti astronavte pri življenju na planetu, ki hoče ubijati njim.

Ta članek je del Življenje na Marsu — 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars

Okno priložnosti

Pri pošiljanju ljudi na rdeči planet obstaja bistven časovni zamik. Zaradi orbit Zemlje in Marsa je najlažji način, da pridete z enega planeta na drugega, tako da uporabite trajektorijo, imenovano

Hohmannova prenosna orbita, pri katerem se plovilo premika po orbiti, ki se postopoma spiralno vrti navzven.

"To je zaradi načina vrtenja planetov," je pojasnil Hecht. »Zemlja je znotraj orbite Marsa in se vrti hitreje kot Mars, zato ga nekajkrat obkroži. Marsovo leto je skoraj dve zemeljski leti.«

»Torej morate določiti čas izstrelitve. Vsako Marsovo leto je okno - vsakih 26 mesecev, v času, ki se imenuje opozicija Marsa, ko je Mars blizu Zemlje. Torej imate vsakih 26 mesecev priložnost izstreliti vesoljsko plovilo proti Marsu v tej optimalni orbiti. … Torej načrti za Mars so, da najprej pošljemo infrastrukturo, nato pa 26 mesecev kasneje pošljemo posadko.«

Pošiljanje infrastrukture ne pomeni le zagotavljanja zraka za dihanje astronavtov in hrane za uživanje. Pomeni tudi pošiljanje in gradnjo elektrarne, habitata, roverjev in vzponskega vozila, ki bo omogočilo astronavtom, da odidejo, ko je njihova misija končana.

Zakaj je kisik tako pomemben

Prvo veliko vprašanje, ki ga je treba obravnavati pri postavitvi baze na Marsu, je proizvodnja kisika. Ko slišite za proizvodnjo kisika na Marsu, verjetno pomislite na najbolj osnovno človeško potrebo: imeti zrak za dihanje. In zagotovo moramo najti način za ustvarjanje atmosfere, ki omogoča dihanje, v omejenem Marsovem habitatu. Toda za to je potrebna le razmeroma majhna količina kisika v primerjavi z velikim povpraševanjem - po pogonskem gorivu za raketo, ki bo izstrelila astronavte s površja.

"Poskušamo izdelati raketno gorivo," je dejal Hecht. "Ne poskušamo narediti goriva, poskušamo narediti del kemične reakcije, o katerem na Zemlji nikoli ne razmišljamo." Tukaj naprej Zemlja, ko zažgete bencin v motorju vašega avtomobila, porabite kisik, ki je večkrat vreden teže goriva, da ustvarite to reakcija. Enako je s kurjenjem polen v kaminu.

Vendar, "če greste nekam, kjer ni brezplačnega kisika, ga morate vzeti s seboj," je dodal Hecht.

Sodobne rakete imajo rezervoarje s tekočim kisikom, ki zagotavljajo to pogonsko gorivo, in predstavljajo precejšen del teže ob izstrelitvi.

"Potrebovali bi skoraj 30 metričnih ton kisika za pogon te rakete, da bi te astronavte ponesli s planeta v orbito," je dejal Hecht. »In če bomo morali teh 30 metričnih ton kisika vzeti s seboj na Mars, bo to celotno misijo potisnilo desetletje nazaj. Veliko lažje je poslati prazen rezervoar in ga tja napolniti s kisikom.«

Izkoriščanje tega, kar je na voljo

Da bi ustvarili kisik na Marsu, Hecht in njegovi kolegi delajo na konceptu, imenovanem uporaba virov na kraju samem (ISRU). V bistvu to pomeni, da uporabimo tisto, kar je že na Marsu, da ustvarimo tisto, kar potrebujemo.

Izdelali so eksperiment z imenom MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), ki so ga ročno prenesli na Mars skupaj z Nasin rover Perseverance ki je uspešno pristal februarja 2021. MOXIE je pravzaprav miniaturna različica potencialno veliko večje naprave, ki absorbira ogljikov dioksid, ki ga je v Marsovi atmosferi veliko, in proizvaja kisik.

To se morda sliši zapleteno, toda v resnici je naprava podobna nečemu dobro znanemu tukaj na Zemlji. "MOXIE je zelo podoben gorivni celici," je dejal Hecht. »Skoraj enako je. Če bi vzeli gorivno celico in zamenjali obe žici, ki prihajata, bi imeli sistem elektrolize. To pomeni, da če bi bila to gorivna celica, bi imeli gorivo in oksidant, ki bi bila stabilna molekula. Če bi bil ogljikov monoksid kot gorivo in kisik, bi nastal ogljikov dioksid. Dobiš tudi elektriko.

»Če ga poženeš vzvratno, moraš vložiti ogljikov dioksid in elektriko. Toda ven dobite ogljikov monoksid in kisik. Tako vemo, kako to narediti.”

Ta na videz preprosta zamisel je radikalna, ker se loteva problema, ki ga komaj kdo zunaj vesoljske skupnosti razume kot problem: proizvajanje kisika. "Nihče ne želi proizvajati kisika na Zemlji - za to nimamo razloga," je dejal Hecht. »Povsod ga imamo dovolj. Toda zaradi gorivnih celic imamo veliko znanja.«

Kako sestaviti kisikov stroj

Razumevanje kemijskih principov ustvarjanja kisikovega stroja je eno, načrtovanje in izdelava različice, ki se lahko prilega roverju, pa je nekaj drugega. Aboobaker, toplotni inženir za MOXIE v Nasinem Laboratoriju za reaktivni pogon (JPL), ki je sodeloval pri MOXIE projekta skozi njegov razvoj, razložil, kako je bil eksperiment zgrajen in nekatere izzive, s katerimi se je soočila ekipa JPL lotiti se.

"Glavna omejitev virov, ki smo jo imeli, je bila poleg mase in majhnega prostora za delo energija," je dejal. »Rover ima radioizotopski termoelektrični generator, ki je jedrski vir energije. Ljudje torej mislijo, da je rover na jedrski pogon, vendar ni. Poganja ga baterije, z jedrskim polnilnikom.«

To pomeni, da morajo biti raziskovalci izjemno previdni pri porabi energije, da ne izpraznijo baterije. Celoten rover Perseverance poganja samo 110 vatov, kar je le malo več kot močna žarnica.

Po drugi strani lahko eksperiment, kot je MOXIE, porabi le majhno količino energije. "Tako je postavljena omejitev, koliko moči grelnika lahko uporabimo za ogrevanje, koliko moči lahko črpa kompresor - ki vpihuje plin v sistem - in kako dolgo lahko delujemo," je dejal Aboobaker.

Zato je različica MOXIE, ki potuje na Perseverance, tako majhna, čeprav bi sistem deloval enako dobro ali celo bolje v večjem obsegu.

Želimo samo vedeti, ali deluje

Toda načrtovanje opreme je le ena stran eksperimenta - druga stran preverja, ali dejansko deluje na Marsu. Tudi s konceptom, ki dobro deluje tukaj na Zemlji, lahko pride do nepričakovanih posledic tujih okolij, od tanka atmosfera, ki vpliva na prenos toplote, do obrabe ležajev na nepričakovane načine zaradi nižje gravitacije in neznanega prah. Zato bodo inženirji JPL kmalu zbirali podatke iz MOXIE, da bi videli, kako se obnese v resničnem marsovskem okolju.

"V mnogih pogledih MOXIE v resnici ne sprejema znanstvenih podatkov," je dejal Aboobaker. V primerjavi z znanstvenimi instrumenti, kot so teleskopi ali spektrometri, ki se uporabljajo za analizo vzorcev kamnin, so podatki, zbrani iz MOXIE, relativno preprosti. »Kar imamo, je skoraj kot inženirski telemetrični podatek. Merimo napetosti, tokove in temperature, podobne stvari. To so naši podatki in količina podatkov je pravzaprav precej majhna. Skoraj bi ga lahko spravili na disketo.”

To pomeni, da lahko ekipa dobi zelo hitre povratne informacije o tem, ali sistem deluje, kot je predvideno – v nekaj dneh. Za razliko od drugih instrumentov Perseverance, pri katerih analiza podatkov traja tedne, mesece ali celo leta, je MOXIE tako praktična predstavitev kot eksperiment.

"Na veliko načinov to, kar počnemo, ni znanost, je tehnologija," je dejal Aboobaker. »Večinoma samo želimo vedeti, ali deluje. In če bi ga želeli v prihodnosti povečati, kakšne stvari bi morali storiti, da bi to dosegli?«

Postaja McMurdo za Mars

Če bo MOXIE uspešen, lahko pokaže, kako lahko princip ISRU deluje na Marsu. Potem je razmeroma preprosto projekt povečati in ustvariti različico v polnem obsegu, ki bi lahko proizvajala kisik z veliko višjo stopnjo. In dobra novica je, da bi bila večja različica učinkovitejša in bi lahko proizvedla precejšnjo količino kisika, ne da bi pri tem potrebovala preveč energije.

Z razvrščanjem kisika bi lahko prešli na druge vrste virov, ki bi jih potrebovali za ljudi, ki živijo na Marsu. Drug najpomembnejši vir, ki bi ga potrebovali za vzpostavitev baze na planetu, je vodo. Ne le za pitje ljudi, ampak tudi zato, ker se lahko voda (ali vodik) in ogljikov dioksid združita v ogromno različnih uporabnih kemikalij.

"Kratkoročna ideja je, da želimo narediti določeno količino avtonomnega ISRU, da bi bile naše misije izvedljive," je dejal Hecht. »Ko bomo imeli bazo na planetu, kot je postaja McMurdo na Antarktiki ali kot Mednarodna vesoljska postaja, potem lahko razmišljate o veliko bolj agresivnih vrstah ISRU, kot je rudarjenje ledu.

»Veliko ljudi meni, da bi morali led rudariti avtonomno. Ampak rečem ne, ni vredno truda. Led je mineral, kar pomeni, da ga morate iskati, izkopati, očistiti. Lažje ga bo kar prinesti. Nekaj ​​takega kot MOXIE pa je mehansko drevo. Vdihava ogljikov dioksid in izdihava kisik.«

V primerjavi z iskanjem virov z rudarjenjem je MOXIE veliko preprostejši, trdi Hecht. »Ni mu treba iti nikamor, ni mu treba ničesar iskati. To so metode IRSU, ki so kratkoročno zelo praktične. Ostalo odložite, dokler ne boste imeli na površju ljudi, ki lahko opravljajo bolj zapletene naloge.«

Nepričakovana marsovska nagrada

Mars ima sicer veliko vodnega ledu, vendar se nahaja na polih, medtem ko se večina misij na Mars želi osredotočiti na pristanek na ekvatorju, ki je kot puščava. Trenutni koncepti za reševanje tega vprašanja vključujejo zamisel o globalnem kartiranju ledu, kjer bi lahko lokacije manjših količin ledu kartirale za prihodnjo uporabo.

Druga možnost je pridobivanje vode iz mineralov v tleh Marsa. "Obstajajo minerali, kot so mavec in Epsomove soli, ki so sulfati in pritegnejo veliko vode," je pojasnil Hecht. »Tako bi jih lahko izkopal in spekel ter spravil vodo ven. Lahko bi pridobivali zemljo za vodo, ki je je precej veliko.«

Toda Mars nima le podobnih materialov, kot jih najdemo tukaj na Zemlji. Vsebuje tudi velike količine kemikalije, imenovane perklorat (ClO4), ki je nevarna za zdravje ljudi in jo na našem planetu najdemo le v majhnih količinah. Čeprav je strupena, bi lahko bila ta snov zaradi svojih kemičnih lastnosti izjemno uporabna, saj se uporablja v stvareh, kot so raketni ojačevalci na trdno gorivo, ognjemeti in zračne blazine.

"Na Marsu se večina klora v prsti izkaže za perklorat," je dejal Hecht. »Predstavlja skoraj 1 % prsti. In ima ogromno energije. Ko sprostite atome kisika iz ClO4, da nastane Cl, se sprosti ogromno energije. Vedno sem mislil, da bi bil to odličen vir za žetev.«

Težava pri tem je, da so vse te aplikacije eksplozivne in da je nadzorovanje reakcije ClO4 zahtevno. Vendar pa obstaja sistem, ki lahko nežno sprosti energijo z uporabo a biološki reaktor.

"Mikrobi lahko pojedo te stvari in proizvajajo energijo," je pojasnil Hecht. »In ljudje so dejansko zgradili tovrstne biološke reaktorje, ki so rezervoarji bakterij, ki prebavljajo neko snov in iz nje pridobivajo energijo.

»Torej imam to vizijo biološkega reaktorja v zadnjem delu roverja, astronavt pa vstopi in se vozi naokoli. In ko se merilnik moči zmanjša, izstopijo in začnejo z lopato odmetavati zemljo v lijak zadaj, mikrobi pa pojedo zemljo in proizvajajo energijo, astronavt pa lahko nadaljuje z vožnjo. To je nora ideja, vendar je to moj koncept izkoriščanja virov za hišne ljubljenčke."

Ta članek je del Življenje na Marsu — 10-delna serija, ki raziskuje vrhunsko znanost in tehnologijo, ki bo ljudem omogočila, da zasedejo Mars.

Priporočila urednikov

• Kozmološko potovanje na delo: zapletena logistika pošiljanja ljudi na Mars
• Izpopolnjevanje pogona: Kako bomo ljudi spravili na Mars
• Gradovi iz peska: Kako bomo naredili habitate z marsovsko zemljo
• Pridobivanje hidracije: Kako bodo prihodnji naseljenci ustvarjali in zbirali vodo na Marsu
• Astrokmetijstvo: Kako bomo gojili pridelke na Marsu