Како ћемо изградити базу са прозрачним ваздухом на Марсу

Колико год било застрашујуће слање људи на другу планету по први пут, стићи тамо је само пола изазова. Велики проблем је како људи могу постојати на површини планете са атмосфером која не може да се дише, космичким зрачењем и леденим површинским температурама милионима миља од куће.

Желели смо да знамо како ћете припремити ванземаљску планету за становање људи, па смо разговарали са два стручњака, Масачусетс институт Професор технологије Мајкл Хехт и НАСА инжењер Асад Абобакер, да открију како одржати астронауте у животу на планети која жели да убије њих.

Овај чланак је део Живот на Марсу — серија од 10 делова која истражује најсавременију науку и технологију која ће омогућити људима да заузму Марс

Прозор могућности

Постоји суштинско временско кашњење у слању људи на црвену планету. Због орбита Земље и Марса, најлакши начин да се дође од једне планете до друге је коришћењем путање која се зове

Хохманн трансфер орбита, у којој се летелица креће у орбити која се постепено спирално окреће ка споља.

„То је због начина на који се планете ротирају“, објаснио је Хехт. „Земља је унутар орбите Марса и ротира се брже од Марса, тако да је обиђе неколико пута. Марсова година је скоро две земаљске године."

„Дакле, морате да одредите време лансирања. И постоји прозор сваке Марсове године - сваких 26 месеци, у време које се назива опозиција Марса када је Марс близу Земље. Дакле, сваких 26 месеци имате прилику да лансирате свемирски брод на Марс у овој оптималној орбити.... Дакле, планови за Марс су да прво пошаље инфраструктуру, а затим 26 месеци касније пошаљемо посаду.

Слање инфраструктуре не значи само осигурати да астронаути могу да дишу и да има хране за јело. То такође значи слање и изградњу електране, станишта, ровера и возила за успон како би се астронаутима омогућило да напусте када се њихова мисија заврши.

Зашто је кисеоник толико важан

Прво велико питање које треба решити приликом постављања базе на Марсу је производња кисеоника. Када чујете за производњу кисеоника на Марсу, вероватно мислите на најосновнију људску потребу: да има ваздуха за дисање. И свакако, морамо пронаћи начин да произведемо атмосферу која дише у затвореном станишту Марса. Али ово захтева само релативно малу количину кисеоника у поређењу са великом потражњом - погонским горивом за ракету која ће лансирати астронауте са површине.

„Покушавамо да направимо ракетно гориво“, рекао је Хехт. „Не покушавамо да направимо гориво, ми покушавамо да направимо део хемијске реакције о коме на Земљи никада не размишљамо. Ево на Земљо, када сагореваш бензин у мотору свог аутомобила, користиш неколико пута више од тежине горива у кисеонику да то створиш реакција. Исто је и са спаљивањем балвана у огњишту.

Међутим, „ако идете негде где нема слободног кисеоника, морате га понети са собом“, додао је Хехт.

Модерне ракете имају резервоаре са течним кисеоником који обезбеђују ово погонско гориво, и оне чине значајан део тежине приликом лансирања.

„Требало би нам близу 30 метричких тона кисеоника да покренемо ту ракету да те астронауте одведе са планете у орбиту“, рекао је Хехт. „И ако морамо да понесемо тих 30 метричких тона кисеоника са собом на Марс, то ће целу мисију померити деценију уназад. Много је лакше послати празан резервоар и тамо га напунити кисеоником."

Користећи оно што је доступно

Да би створили кисеоник на Марсу, Хехт и његове колеге раде на концепту који се зове коришћење ресурса на лицу места (ИСРУ). У суштини, то значи да искористимо оно што је већ на Марсу да бисмо створили оно што нам је потребно.

Направили су експеримент под називом МОКСИЕ (Експеримент коришћења ресурса на лицу места са кисеоником на Марсу), који је ручно пренет на Марс заједно са НАСА Персеверанце ровер који је успешно слетео у фебруару 2021. МОКСИЕ је заправо минијатурна верзија потенцијално много већег уређаја који узима угљен-диоксид, којег има у атмосфери Марса, и производи кисеоник.

То би могло звучати компликовано, али у ствари, уређај је сличан нечему добро познатом овде на Земљи. „МОКСИЕ је веома сличан горивној ћелији“, рекао је Хецхт. „Скоро је идентично. Ако узмете гориву ћелију и обрнете две жице које улазе, имали бисте систем за електролизу. То значи да је ово горивна ћелија, имали бисте гориво и оксидант који би испоставили стабилан молекул. Да је угљен моноксид као гориво и кисеоник, стварао би угљен-диоксид. Такође добијате струју.

„Ако га покренете уназад, морате да убаците угљен-диоксид, и морате да убаците струју. Али излазите угљен моноксид и кисеоник. Овако знамо како то да урадимо.”

Ова наизглед једноставна идеја је радикална јер се бави проблемом који ретко ко изван свемирске заједнице сматра проблемом: производња кисеоника. "Нико не жели да производи кисеоник на Земљи - немамо разлога за то", рекао је Хецхт. „Имамо га свуда у изобиљу. Али имамо много знања због горивних ћелија.”

Како направити машину за кисеоник

Разумевање хемијских принципа стварања машине за кисеоник је једно, али је пројектовање и израда верзије која може да стане у ровер друга ствар. Абообакер, термоинжењер за МОКСИЕ у НАСА-иној Лабораторији за млазни погон (ЈПЛ) који је био укључен у МОКСИЕ пројекта током његовог развоја, објаснио је како је експеримент изграђен и неке од изазова које је ЈПЛ тим морао да реши тацкле.

„Главно ограничење ресурса које смо имали, поред масе и малог простора за рад, била је енергија“, рекао је он. „Ровер има радиоизотопни термоелектрични генератор, који је нуклеарни извор енергије. Људи мисле да је ровер на нуклеарни погон, али није. Напаја се батеријама, са нуклеарним пуњачем."

То значи да истраживачи морају бити изузетно пажљиви са количином енергије коју користе како не би испразнили батерију. Цео ровер Персеверанце ради на само 110 вати, што је само мало више од јаке сијалице.

Заузврат, експеримент као што је МОКСИЕ може да користи само малу количину енергије. „Дакле, то је поставило ограничење колико снаге грејача можемо да искористимо да га загрејемо, колико снаге компресор – који дува гас у систем – може да потроши и колико дуго можемо да трчимо“, рекао је Абообакер.

Зато је верзија МОКСИЕ која путује на Персеверанце тако мала, иако би систем функционисао једнако добро или чак боље у већем обиму.

Само желимо да знамо да ли ради

Али дизајнирање опреме је само једна страна експеримента - друга страна проверава да ли она заиста ради на Марсу. Чак и са концептом који добро функционише овде на Земљи, може доћи до неочекиваних последица ванземаљских окружења, од танка атмосфера утиче на то како се топлота преноси, на лежајеве који се троше на неочекиване начине због ниже гравитације и непознатих прашина. Зато ће инжењери ЈПЛ-а ускоро прикупљати податке од МОКСИЕ-а да виде како се понаша у стварном марсовском окружењу.

„На много начина, МОКСИЕ заправо не узима научне податке“, рекао је Абообакер. У поређењу са научним инструментима као што су телескопи или спектрометри, који се користе за анализу узорака стена, подаци прикупљени од МОКСИЕ-а су релативно једноставни. „Оно што имамо је скоро као инжењерски телеметријски подаци. Меримо напоне и струје и температуре, такве ствари. То су наши подаци, а обим података је заправо прилично мали. Готово да бисте могли да га ставите на дискету."

То значи да тим може добити врло брзе повратне информације о томе да ли систем ради како је предвиђено - у року од неколико дана. За разлику од других инструмената Персеверанце, за које анализа података траје недељама, месецима или чак годинама, МОКСИЕ је практична демонстрација колико и експеримент.

„На много начина, оно што радимо није наука, то је технологија“, рекао је Абообакер. „Углавном, само желимо да знамо да ли ради. И, ако бисмо желели да га повећамо у будућности, које су врсте ствари које бисмо морали да урадимо да бисмо то урадили?"

МцМурдо станица за Марс

Ако МОКСИЕ буде успешан, може да покаже како принцип ИСРУ може да функционише на Марсу. Тада је релативно једноставно повећати пројекат и створити верзију у пуној величини која би могла производити кисеоник много већом брзином. А добра вест је да би већа верзија била ефикаснија и да би могла произвести знатну количину кисеоника без потребе за превише енергије.

Са сортираним кисеоником, могли бисмо да пређемо на друге врсте ресурса који су нам потребни за људе који живе на Марсу. Још један од најважнијих ресурса који би нам били потребни да успоставимо базу на планети је вода. Не само да би људи могли да пију, већ и зато што се вода (или водоник) и угљен-диоксид могу комбиновати у велики избор корисних хемикалија.

„Идеја у кратком року је да желимо да направимо одређену количину аутономног ИСРУ-а како бисмо наше мисије учинили изводљивим“, рекао је Хехт. „Једном када будемо имали базу на планети, попут станице МцМурдо на Антарктику или попут Међународне свемирске станице, онда можете размишљати о много агресивнијим типовима ИСРУ-а, попут рударског леда.

„Многи људи сматрају да би требало да копамо лед самостално. Али ја кажем не, није вредно труда. Лед је минерал, што значи да га морате тражити, морате га ископати, морате га пречистити. Биће лакше само донети. Међутим, нешто као МОКСИЕ је механичко дрво. Удише угљен-диоксид и издише кисеоник."

У поређењу са ловом на ресурсе рударењем, МОКСИЕ је много једноставнији, тврди Хецхт. „Не мора нигде да иде, не мора ништа да тражи. То су врсте ИРСУ метода које су заиста практичне у кратком року. Остатак одлажете док не будете имали људе на површини који могу да раде компликованије задатке."

Неочекивана марсовска награда

Марс има доста воденог леда, али се налази на половима, док већина мисија на Марс жели да се фокусира на слетање на екватор, што је попут пустиње. Тренутни концепти за решавање овог проблема укључују идеју глобалног мапирања леда, где би се локације мањих количина леда могле мапирати за будућу употребу.

Друга опција је извлачење воде из минерала у тлу Марса. „Постоје минерали попут гипса и Епсом соли који су сулфати и привлаче много воде“, објаснио је Хехт. „Да бисте их могли ископати и испећи и извадити воду. Могли бисте копати земљу за воду, која је прилично богата."

Али Марс нема само материјале сличне онима које налазимо овде на Земљи. Такође садржи велике количине хемикалије зване перхлорат (ЦлО4), која је опасна по здравље људи и налази се само у малим количинама на нашој планети. Упркос томе што је токсична, ова супстанца би могла бити изузетно корисна због својих хемијских својстава, јер се користи у стварима као што су чврсти ракетни појачивачи, ватромет и ваздушни јастуци.

„На Марсу се испоставило да је већина хлора у тлу перхлорат“, рекао је Хехт. „Чини скоро 1% земљишта. И има огромну количину енергије. Када ослободите атоме кисеоника из ЦлО4 да бисте направили Цл, он ослобађа огромну количину енергије. Увек сам мислио да би то био одличан ресурс за жетву."

Проблем са овим је што су све ове апликације експлозивне, а контролисање реакције ЦлО4 је изазов. Међутим, постоји систем који има потенцијал да нежно ослободи енергију, користећи а биолошки реактор.

„Микроби могу да једу ове ствари и производе енергију“, објаснио је Хехт. „И људи су заправо изградили ове врсте биолошких реактора, који су резервоари бактерија које варе неку супстанцу и извлаче енергију из ње.

„Имам ову визију биолошког реактора у задњем делу ровера, а астронаут улази и вози се около. А када се мерач снаге спусти, они излазе и почињу да лопатом забацују земљу у резервоар позади, а микроби једу земљу и стварају енергију и астронаут може да настави да вози. То је луда идеја, али то је мој концепт коришћења ресурса за кућне љубимце."

Овај чланак је део Живот на Марсу — серија од 10 делова која истражује најсавременију науку и технологију која ће омогућити људима да заузму Марс.

Препоруке уредника

• Космолошко путовање: незгодна логистика постављања људи на Марс
• Савршен погон: Како ћемо одвести људе на Марс
• Дворци од песка: Како ћемо направити станишта са марсовском земљом
• Сакупљање хидратације: Како ће будући досељеници стварати и сакупљати воду на Марсу
• Астропољопривреда: Како ћемо узгајати усеве на Марсу