Hur skrämmande det än kan vara att skicka människor till en annan planet för första gången, att ta sig dit är bara halva utmaningen. Det stora problemet är hur människor kan existera på ytan av en planet med en andningsbar atmosfär, kosmisk strålning och iskalla yttemperaturer miljontals kilometer från hemmet.
Innehåll
- Ett möjlighetsfönster
- Varför syre är så viktigt
- Att använda det som finns
- Hur man bygger en syrgasmaskin
- Vi vill bara veta om det fungerar
- En McMurdo-station för Mars
- Oväntad martian bounty
Vi ville veta hur du skulle gå tillväga för att förbereda en främmande planet för mänsklig bebyggelse, så vi pratade med två experter, Massachusetts Institute of Teknikprofessor Michael Hecht och NASA-ingenjör Asad Aboobaker, för att ta reda på hur man håller astronauter vid liv på en planet som vill döda dem.
Rekommenderade videor
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
Ett möjlighetsfönster
Det finns en viktig tidsfördröjning i att skicka människor till den röda planeten. På grund av jordens och Mars banor är det enklaste sättet att ta sig från en planet till en annan genom att använda en bana som kallas en Hohmann överföringsbana, där ett farkost rör sig i en omloppsbana som gradvis spirar utåt.
"Detta beror på hur planeterna roterar," förklarade Hecht. "Jorden är inne i Mars omloppsbana, och den roterar snabbare än Mars, så den varvar den ett par gånger. Ett Mars-år är nästan två jordår."
"Så du måste tajma lanseringen. Och det finns ett fönster varje Mars-år - var 26:e månad, vid en tidpunkt som kallas en Mars-opposition när Mars är nära jorden. Så var 26:e månad har du möjlighet att skjuta upp en rymdfarkost till Mars i denna optimala omloppsbana. … Så planerna för Mars är att skicka infrastrukturen först, och sedan 26 månader senare skickar vi besättningen.”
"Var 26:e månad har du möjlighet att skjuta upp en rymdfarkost till Mars i denna optimala omloppsbana."
Att skicka infrastruktur betyder inte bara att se till att det finns luft för astronauterna att andas och mat för dem att äta. Det innebär också att skicka och bygga ett kraftverk, en livsmiljö, rovers och ett uppstigningsfordon för att tillåta astronauterna att lämna när deras uppdrag är över.
Varför syre är så viktigt
Den första stora frågan att ta itu med vid inrättandet av en Mars-bas är produktionen av syre. När du hör om att producera syre på Mars, tänker du förmodligen på det mest grundläggande mänskliga behovet: att ha luft att andas. Och visst, vi behöver hitta ett sätt att skapa en andningsbar atmosfär i en innesluten Mars-habitat. Men detta kräver bara en relativt liten mängd syre jämfört med den stora efterfrågan - den av drivmedel för raketen som kommer att skjuta upp astronauter från ytan.
"Vi försöker göra raketdrivmedel," sa Hecht. "Vi försöker inte göra bränsle, vi försöker göra den del av den kemiska reaktionen som vi aldrig tänker på på jorden." Här på Jorden, när du bränner bensin i din bilmotor, använder du flera gånger värda vikten av bränslet i syre för att skapa det reaktion. Samma sak med att elda en stock i en öppen spis.
Men "om du går någonstans där det inte finns fritt syre måste du ta det med dig", tillade Hecht.
Moderna raketer har tankar för flytande syre som tillhandahåller detta drivmedel, och de utgör en stor del av vikten vid uppskjutning.
"Vi skulle behöva nära 30 ton syre för att driva den raketen för att ta dessa astronauter från planeten och in i omloppsbana," sa Hecht. "Och om vi måste ta med oss de 30 ton syre till Mars, kommer det att föra hela uppdraget ett decennium tillbaka. Det är mycket lättare att skicka en tom tank och fylla den med syre där."
Att använda det som finns
För att skapa syre på Mars arbetar Hecht och hans kollegor på ett koncept som kallas in-situ resursanvändning (ISRU). I grund och botten innebär det att använda det som redan finns på Mars för att skapa det vi behöver.
De har byggt ett experiment som heter MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), som praktiskt bars till Mars tillsammans med NASA Perseverance rover som landade framgångsrikt i februari 2021. MOXIE är i själva verket en miniatyrversion av en potentiellt mycket större enhet som tar upp koldioxid, som finns i överflöd i marsatmosfären, och producerar syre.
Det kan låta komplicerat, men i själva verket liknar enheten något välkänt här på jorden. "MOXIE är mycket som en bränslecell," sa Hecht. "Det är nästan identiskt. Om du tog en bränslecell och vänder om de två ledningarna som kommer in, skulle du ha ett elektrolyssystem. Det betyder att om det här var en bränslecell, skulle du ha ett bränsle och ett oxidationsmedel som blir en stabil molekyl. Om det vore kolmonoxid som bränsle och syre, skulle det göra koldioxid. Du får också ut el.
"Om du kör det baklänges måste du lägga i koldioxid och du måste lägga i el. Men man får ut kolmonoxid och syre. Det är så vi vet hur vi gör det här."
Detta tar in koldioxid, som finns i överflöd i Mars atmosfär, och producerar syre.
Denna till synes enkla idé är radikal eftersom den tar itu med ett problem som knappt någon utanför rymdgemenskapen tänker på som ett problem: Att producera syre. "Ingen vill göra syre på jorden - vi har ingen anledning att göra det," sa Hecht. "Vi har gott om det överallt. Men vi har mycket kunskap på grund av bränsleceller.”
Hur man bygger en syrgasmaskin
Att förstå de kemiska principerna för att skapa en syrgasmaskin är en sak, men att designa och bygga en version som kan passa in i en rover är en annan. Aboobaker, en termisk ingenjör för MOXIE vid NASA: s Jet Propulsion Laboratory (JPL) som har varit involverad i MOXIE projektet under hela dess utveckling, förklarade hur experimentet byggdes upp och några av utmaningarna som JPL-teamet hade tackla.
"Den huvudsakliga resursbegränsningen vi hade, förutom massa och det lilla utrymmet att arbeta med, var energi," sa han. "Rovern har en radioisotop termoelektrisk generator, som är en kärnkraftskälla. Så folk tror att rovern är kärnkraftsdriven, men det är den inte. Den är batteridriven, med en nukleär underhållsladdare."
Det betyder att forskarna måste vara extremt försiktiga med hur mycket ström de använder för att inte ladda ur batteriet. Hela Perseverance-rovern går på endast 110 watt, vilket bara är lite mer än en stark glödlampa.
I sin tur kan ett experiment som MOXIE bara använda en liten mängd ström. "Så det satte en gräns för hur mycket värmekraft vi kan använda för att värma upp den, hur mycket kraft kompressorn - som blåser in gasen i systemet - kan dra och hur länge vi kan köra", sa Aboobaker.
Det är därför versionen av MOXIE som reser på Perseverance är så liten, även om systemet skulle fungera lika bra eller ännu bättre i större skala.
Vi vill bara veta om det fungerar
Men att designa utrustningen är bara en sida av experimentet - den andra sidan kontrollerar om den faktiskt fungerar på Mars. Även med ett koncept som fungerar bra här på jorden, kan det bli oväntade konsekvenser av främmande miljöer, från tunn atmosfär som påverkar hur värme överförs, till lager slits på oväntade sätt på grund av lägre gravitation och obekant damm. Det är därför som JPL-ingenjörerna snart kommer att samla in data från MOXIE för att se hur det går i en riktig martian-miljö.
"På många sätt tar MOXIE inte riktigt vetenskapsdata," sa Aboobaker. Jämfört med vetenskapliga instrument som teleskop eller spektrometrar, som används för att analysera stenprover, är data som samlats in från MOXIE relativt enkel. "Vad vi har är nästan som teknisk telemetridata. Vi mäter spänningar och strömmar och temperaturer, sånt. Det är vår data, och datamängden är faktiskt ganska liten. Du skulle nästan kunna placera den på en diskett.”
Det betyder att teamet kan få mycket snabb feedback om huruvida systemet fungerar som det är tänkt — inom några dagar. Till skillnad från andra Perseverance-instrument, för vilka dataanalys tar veckor, månader eller till och med år, är MOXIE en praktisk demonstration lika mycket som ett experiment.
"Datavolymen är faktiskt ganska liten. Du kan nästan få plats med den på en diskett”
"På många sätt är det vi gör inte vetenskap, det är teknik," sa Aboobaker. "För det mesta vill vi bara veta om det fungerar. Och om vi ville skala upp det i framtiden, vad är det för saker vi skulle behöva göra för att göra det?”
En McMurdo-station för Mars
Om MOXIE lyckas kan den visa hur principen om ISRU kan fungera på Mars. Då är det relativt enkelt att skala upp projektet och skapa en fullskalig version som kan producera syre i mycket högre hastighet. Och den goda nyheten är att en större version skulle vara mer effektiv och kunna producera en ansenlig mängd syre utan att kräva för mycket ström.
Med syre sorterat kan vi gå vidare till andra typer av resurser vi skulle behöva för människor som lever på Mars. En annan av de viktigaste resurserna vi skulle behöva för att etablera en bas på planeten är vatten. Inte bara för människor att dricka, utan också för att vatten (eller väte) och koldioxid kan kombineras till en enorm mängd användbara kemikalier.
Crazy Engineering: Making Oxygen on Mars med MOXIE
"Tanken på kort sikt är att vi vill göra en viss mängd autonom ISRU för att göra våra uppdrag genomförbara," sa Hecht. "När vi har en bas på planeten, som McMurdo-stationen i Antarktis eller som den internationella rymdstationen, då kan du tänka på mycket mer aggressiva typer av ISRU, som gruvis.
"Många människor tycker att vi borde bryta is självständigt. Men jag säger nej, det är inte värt ansträngningen. Is är ett mineral, vilket betyder att du måste leta efter det, du måste gräva upp det, du måste rena det. Det blir lättare att bara ta med det. Något som MOXIE är dock ett mekaniskt träd. Den andas in koldioxid och andas ut syre."
Jämfört med att jaga resurser via gruvdrift är MOXIE mycket enklare, hävdar Hecht. "Det behöver inte gå någonstans, det behöver inte leta efter någonting. Det är den typen av IRSU-metoder som är riktigt praktiska på kort sikt. Du skjuter upp resten tills du har folk på ytan som kan göra mer komplicerade uppgifter.”
Oväntad martian bounty
Mars har mycket vattenis, men den ligger vid polerna, medan de flesta Mars-uppdrag vill fokusera på att landa vid ekvatorn, som är som en öken. Aktuella koncept för att ta itu med denna fråga inkluderar idén om global iskartering, där platser för mindre mängder is kan kartläggas för framtida användning.
Ett annat alternativ är att utvinna vatten från mineralerna i Mars-jorden. "Det finns mineraler som gips och Epsom-salter som är sulfater och drar till sig mycket vatten," förklarade Hecht. "Så du kunde gräva upp dem och baka dem och få ut vattnet. Du kan bryta jorden efter vatten, vilket är ganska gott."
"När du frigör syreatomer från ClO4 för att göra Cl, frigör det en enorm mängd energi"
Men Mars har inte bara liknande material som de vi hittar här på jorden. Den har också stora mängder av en kemikalie som kallas perklorat (ClO4), som är farlig för människors hälsa och bara finns i små mängder på vår planet. Trots att det är giftigt kan detta ämne vara extremt användbart på grund av dess kemiska egenskaper, eftersom det används i saker som fasta raketboosters, fyrverkerier och krockkuddar.
"På Mars visar sig det mesta av klor i jorden vara perklorat," sa Hecht. "Det utgör nästan 1% av jorden. Och den har en enorm mängd energi. När du släpper syreatomer från ClO4 för att göra Cl frigör det en enorm mängd energi. Jag har alltid trott att det skulle vara en stor resurs att skörda."
Problemet med detta är att alla dessa applikationer är explosiva, och att kontrollera reaktionen av ClO4 är utmanande. Det finns dock ett system som har potential att frigöra energin skonsamt, med hjälp av en biologisk reaktor.
"Mikrober kan äta det här och producera energi," förklarade Hecht. "Och människor har faktiskt byggt den här typen av biologiska reaktorer, som är tankar med bakterier som smälter något ämne och utvinner energi från det.
"Så jag har den här visionen av en biologisk reaktor bak på en rover, och astronauten går in och kör runt. Och när effektmätaren blir låg går de ut och börjar skotta ner jord i en behållare på baksidan, och mikroberna äter upp jorden och gör energi och astronauten kan fortsätta köra. Det är en galen idé men det är mitt koncept för resursanvändning för husdjur."
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
- Skörda hydrering: Hur framtida bosättare kommer att skapa och samla vatten på Mars
- Astroagriculture: Hur vi odlar grödor på Mars
