Harvesting Hydration: How We'll Collect Water on Mars

Vi har drömt om att skicka människor till en annan planet i decennier, och med den senaste uppgången av intresse för utforskningen av Mars ser det ut som att det en dag skulle kunna bli verklighet.

Men det finns mycket arbete att göra innan vi är redo för en person att sätta sin fot på den röda planeten.

Av alla resurser som besökare på Mars kommer att kräva är en av de viktigaste vatten – inte bara för att dricka utan också för att tillverka raketdrivmedel och andra ämnen som syre. Och om vi är det hoppas kunna etablera jordbruk där, vi behöver en hel del vatten för att hålla grödor växa.

Men ytan på Mars ser ut som en torr, ogästvänlig öken. Idag har Mars inga sjöar, inga floder och ingen nederbörd.

Så var ska vi få vårt vatten ifrån? Vi pratade med tre experter för att ta reda på det.

Denna artikel är en del av

Hitta vatten på Mars

Även om vi är många år borta från att etablera en fullt operativ bas på Mars, funderar rymdorganisationer som NASA redan på vattenfrågan. Att ta med vatten från jorden är opraktiskt – det är alldeles för tungt för att bära allt vatten som krävs för ett uppdrag i en raket. Så planen är att samla vatten från Mars-miljön, och för att göra det måste vi veta var vattnet finns.

Den goda nyheten är att det finns mycket vatten i form av is på Mars yta, inklusive is som täcker polerna och i stora kratrar. Den dåliga nyheten är att ett uppdrag till dessa iskalla områden ger sina egna problem, som mängden energi det skulle ta för att hålla både människor och maskiner varma i temperaturer så låga som -240°F. Det är därför som fokus för de flesta Mars-uppdrag är regionerna på mitten av latituderna, där temperaturen är mildare.

Det finns inte is på ytan i dessa regioner, även om det finns is under marken. Men om du inte vill skicka ut en astronaut med en spade för att prova varje smuts på planeten, behöver du ett sätt att kartlägga den underjordiska isen snabbt och effektivt.

X markerar platsen

Det är vad Gareth Morgan och Than Putzig från Planetary Science Institute arbetar med som en del av projektet Subsurface Water Ice Mapping (SWIM). De och deras kollegor har kombinerat 20 års data från fem olika orbitala Mars-instrument för att kartlägga var isen med största sannolikhet finns under ytan. Varje datamängd, såsom radaravläsningar eller indikationer på väte, kan i sig själva bara berätta så mycket om huruvida is är på en viss plats, men i kombination kan de indikera vad de främsta platserna för att hitta is skulle vara.

Målet med deras arbete är att hjälpa NASA att välja framtida landningsplatser för besättningsuppdrag så att astronauter kan komma åt is under ytan, samtidigt som man tillåter så mycket frihet som möjligt att välja en vetenskapligt intressant utforskning område.

"Teknik och ingenjörskonst kommer att definiera hur man sätter människor på Mars," sa Morgan, "och de kommer att ha sina egna begränsningar för var det kan hända. De vill också att forskarsamhället ska hitta de mest vetenskapligt livskraftiga, intressanta och fascinerande platserna att landa på. Så vårt jobb är att överbrygga båda dessa världar genom att ge båda teamen en bred förståelse för var resurserna finns.”

Den här kartan kan visa var is sannolikt finns, men bara om den isen är mindre än fem meter under marken. Det är också svårt att vara exakt om exakt hur djupt isen ligger i ett givet område eftersom de avkänningsmetoder som används bara kan ge grova uppskattningar av isinnehållet där.

Och det finns en stor praktisk skillnad i hur svårt det är att komma åt is som ligger några centimeter under ytan jämfört med is som är under meter av tät sten.

Ett nytt verktyg för att upptäcka is

För att ta reda på hur djup is är på Mars behöver vi nya insatser som Mars Ice Mapper uppdrag: En rymdfarkost som NASA och andra internationella rymdorganisationer arbetar på tillsammans som kommer kretsar runt Mars och använder två typer av radarmetoder för att upptäcka hur djup is är belägen under yta.

"Den centrala idén är att ha en radar med högre frekvens och högre upplösning," förklarade Putzig. Ice Mapper-uppdraget är fortfarande i konceptstadiet, och han och Morgan är inte direkt involverade i det. Men de har hört om koncepten för uppdraget från andra forskare, och de delade med sig av några detaljer om hur det kommer att fungera.

Den första radarmetoden som kartläggaren kommer att använda kallas radaravbildning med syntetisk bländaröppning. Detta involverar en radar som pekar i en vinkel mot ytan, vilket "ger dig en känsla av den breda fördelningen av grund is", sa Putzig. "Du kan kartlägga det över en stor region relativt snabbt med den metoden."

Den andra metoden är radarljud, där radarn pekas rakt ner för att studsa mot toppen av islagret. Detta berättar hur djupt islagret är. När du kombinerar de två "får du en kartvy och en tvärsnittsvy", sa han.

Och då vet du var du ska gräva.

Tillgång till vattnet när vi hittar det

Att lokalisera is är bara det första steget i att samla vatten. För att ta oss från block av fast is under marken till rent, säkert vatten för att dricka och andra ändamål måste vi hitta ett sätt att utvinna och bearbeta isen.

Om du vet hur djupt isen ligger och du tror att det finns en ansenlig mängd is att komma åt kan du borra ner för att komma till den. Problemet, som Sydney gör, Mars Water Mapping Project ledare vid NASA: s Jet Propulsion Laboratory, förklarade, är att du behöver veta vilken typ av sten du ska borra igenom så att du kan ta med rätt verktyg för jobb.

För närvarande är vår förståelse av sammansättningen av Mars-ytan och underytan begränsad, vilket har orsakat problem på Mars-uppdrag som InSight, där landarens värmesond kunde inte komma under ytan eftersom jorden hade något annorlunda friktionsnivåer än förväntat. Så vi behöver mer information om sammansättningen av stenar i ett visst område innan vi kan designa en borr för att tunnla in i den.

När du har borrat ett hål ner till isen kan du använda ett system som kallas en Rodriguez-brunn, som för närvarande används på jorden på platser som Antarktis, för att komma åt vatten. I huvudsak sänker du en uppvärmd stav i det borrade hålet, som smälter isen och skapar en brunn med flytande vatten som du sedan kan pumpa upp till ytan. Detta kräver tillförsel av energi i form av värme, men det är ett effektivt sätt att komma åt potentiellt stora mängder vatten.

Bakade stenar

Det finns också ett annat alternativ för att samla vatten: vi skulle kunna extrahera det från hydratiserade mineraler, som finns gott om i många områden på Mars. Det finns stenar som gips där som innehåller vatten, och om du krossar, baka sedan dessa stenar, kan du kondensera vattnet och samla upp det.

Men att upptäcka dessa mineraler är inte lätt. För att identifiera dessa hydratiserade mineraler från omloppsbana använder forskare en teknik som kallas reflektansspektroskopi. Instrumenten på rymdfarkoster runt Mars kan upptäcka solljus när det reflekteras från ytan, vilket skapar vad som kallas spektra. Vissa våglängder av det reflekterade ljuset absorberas av vissa kemikalier, vilket gör att forskare kan sluta sig till vad stenarna nedan är gjorda av. Men denna signal är bara medelvärdet för området som observeras, och det kan finnas flera kemikalier som absorberar samma våglängder. Så att dechiffrera de olika signalerna kan vara en utmaning.

"Sättet jag gillar att förklara det är: Du har en tårta som du har fått", sa Do. "Du måste försöka ta reda på vilka ingredienser den var gjord av och hur mycket av varje ingrediens som bidrog till att göra det kaka. Det är i grunden vad vi gör med dessa reflekterande signaler – vi försöker sönderdela dem i deras beståndsdelar för att ta reda på vad som finns där.”

Gör vatten säkert

Hursomhelst, när du har samlat vatten genom att smälta is eller genom att baka stenar, måste du bearbeta det. Vattnet kan vara fullt av skadliga föroreningar som tungmetaller eller salter som perklorater, så det måste rengöras och avsaltas innan det kan användas. I teorin vet vi hur man gör detta från att göra liknande bearbetning som vatten på jorden, men en utmaning på Mars är att vi för närvarande inte vet vilka föroreningar som kan förväntas.

Liksom många aspekter av vattenförvaltning på Mars, är frågan inte i konceptet utan i utförandet. Tekniken för att hantera vatten på jorden är välkänd, men det finns fortfarande mycket kvar att göra innan vi kunde bygga ett system som skulle fungera på en annan planet.

"Vi känner till de grundläggande principerna för att göra detta," sa Do. "Men vi förstår inte helt de miljöförhållanden under vilka vi skulle behöva använda denna maskin." Allt från Mars tunna atmosfär till dess låga gravitation till dess rikligt med damm kan förändra hur maskiner fungerar. För att inte tala om att inte bara ett vattensystem måste vara tillräckligt litet och lätt för att kunna placeras på en raket, det måste också vara extremt pålitligt - det finns inga reparationsverkstäder på Mars.

Det är här nästa gräns för teknisk innovation kommer att dyka upp. Vi har just nu kunskapen om hur man bygger ett system för att utvinna och bearbeta vatten, sa Do, "men svarvning dessa principer i teknik som fungerar på ett tillförlitligt sätt i den miljö som vi förväntar oss att den ska göra – det är fortfarande öppen."

Denna artikel är en del av Liv på Mars – en serie i 10 delar som utforskar den banbrytande vetenskapen och tekniken som gör det möjligt för människor att ockupera Mars

Redaktörens rekommendationer

• En kosmologisk pendling: Den knepiga logistiken att sätta människor på Mars
• Perfekt framdrivning: Hur vi får människor till Mars
• Slott gjorda av sand: Hur vi skapar livsmiljöer med marsjord
• Konstgjorda atmosfärer: Hur vi bygger en bas med andningsluft på Mars
• Astroagriculture: Hur vi odlar grödor på Mars