เราจะสร้างฐานที่มีอากาศหายใจบนดาวอังคารได้อย่างไร

แม้จะน่ากลัวพอๆ กับการส่งมนุษย์ไปยังดาวดวงอื่นเป็นครั้งแรก แต่การไปถึงที่นั่นเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของความท้าทายเท่านั้น ปัญหาใหญ่คือวิธีที่มนุษย์สามารถดำรงอยู่บนพื้นผิวของดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศที่หายใจไม่ออก รังสีคอสมิก และอุณหภูมิพื้นผิวเยือกแข็งห่างจากบ้านหลายล้านไมล์

เราต้องการทราบว่าคุณจะทำอย่างไรในการเตรียมดาวเคราะห์ต่างดาวสำหรับที่อยู่อาศัยของมนุษย์ ดังนั้นเราจึงได้พูดคุยกับผู้เชี่ยวชาญสองคน สถาบันแมสซาชูเซตส์ Michael Hecht ศาสตราจารย์ด้านเทคโนโลยีและ Asad Aboobaker วิศวกรของ NASA เพื่อค้นหาวิธีรักษานักบินอวกาศให้มีชีวิตอยู่บนดาวเคราะห์ที่ต้องการฆ่า พวกเขา.

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตบนดาวอังคาร — ซีรีส์ 10 ตอนที่สำรวจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำสมัยที่จะช่วยให้มนุษย์สามารถยึดครองดาวอังคารได้

หน้าต่างแห่งโอกาส

การส่งคนไปยังดาวเคราะห์สีแดงนั้นต้องมีความล่าช้าอย่างมาก เนื่องจากวงโคจรของโลกและดาวอังคาร วิธีที่ง่ายที่สุดในการเดินทางจากดาวเคราะห์ดวงหนึ่งไปยังอีกดวงหนึ่งคือการใช้วิถีโคจรที่เรียกว่า

Hohmann ย้ายวงโคจรซึ่งยานเคลื่อนที่ในวงโคจรที่ค่อยๆ หมุนวนออกไปด้านนอก

"นี่เป็นเพราะวิธีการหมุนของดาวเคราะห์" Hecht อธิบาย “โลกอยู่ในวงโคจรของดาวอังคาร และมันหมุนเร็วกว่าดาวอังคาร ดังนั้นมันจึงโคจรรอบมันสองสามครั้ง ปีดาวอังคารเกือบสองปีของโลก”

“ดังนั้นคุณต้องกำหนดเวลาการเปิดตัว และมีหน้าต่างทุกๆ ปีของดาวอังคาร – ทุก 26 เดือน ในช่วงเวลาที่เรียกว่าการต่อต้านของดาวอังคารเมื่อดาวอังคารอยู่ใกล้โลก ดังนั้นทุกๆ 26 เดือน คุณมีโอกาสที่จะส่งยานอวกาศไปยังดาวอังคารในวงโคจรที่เหมาะสมที่สุดนี้ …ดังนั้น แผนการสำหรับดาวอังคารคือการส่งโครงสร้างพื้นฐานก่อน จากนั้นอีก 26 เดือนเราจะส่งลูกเรือ”

การส่งโครงสร้างพื้นฐานไม่ได้หมายถึงการทำให้แน่ใจว่ามีอากาศให้นักบินอวกาศหายใจและมีอาหารให้พวกเขากิน นอกจากนี้ยังหมายถึงการส่งและสร้างโรงไฟฟ้า ที่อยู่อาศัย โรเวอร์ และยานขึ้น เพื่อให้นักบินอวกาศออกไปได้เมื่อภารกิจเสร็จสิ้น

ทำไมออกซิเจนจึงมีความสำคัญ

ประเด็นใหญ่ประการแรกที่ต้องกล่าวถึงในการตั้งฐานบนดาวอังคารคือการผลิตออกซิเจน เมื่อคุณได้ยินเกี่ยวกับการผลิตออกซิเจนบนดาวอังคาร คุณน่าจะนึกถึงความต้องการขั้นพื้นฐานที่สุดของมนุษย์ นั่นคือ การมีอากาศหายใจ และแน่นอน เราต้องหาวิธีสร้างบรรยากาศที่ระบายอากาศได้ในที่อยู่อาศัยของดาวอังคาร แต่สิ่งนี้ต้องการออกซิเจนในปริมาณค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับความต้องการจำนวนมาก นั่นคือเชื้อเพลิงขับเคลื่อนสำหรับจรวดที่จะปล่อยนักบินอวกาศออกจากพื้นผิว

“เรากำลังพยายามสร้างจรวดขับดัน” เฮชต์กล่าว “เราไม่ได้พยายามสร้างเชื้อเพลิง แต่เรากำลังพยายามสร้างส่วนหนึ่งของปฏิกิริยาเคมีบนโลกที่เราไม่เคยนึกถึง” ที่นี่ โลก เมื่อคุณเผาน้ำมันเบนซินในเครื่องยนต์รถของคุณ คุณใช้น้ำหนักของเชื้อเพลิงในออกซิเจนหลายเท่าเพื่อสร้างสิ่งนั้น ปฏิกิริยา. เช่นเดียวกับการเผาท่อนซุงในเตาผิง

อย่างไรก็ตาม “ถ้าคุณไปที่ไหนที่ไม่มีออกซิเจน คุณต้องนำออกซิเจนไปด้วย” เฮชต์กล่าวเสริม

จรวดสมัยใหม่มีถังออกซิเจนเหลวที่ให้สารขับดันนี้ และพวกมันจะก่อตัวเป็นก้อนน้ำหนักจำนวนมากเมื่อปล่อย

“เราต้องการออกซิเจนเกือบ 30 เมตริกตันในการขับเคลื่อนจรวดเพื่อนำนักบินอวกาศออกจากโลกและเข้าสู่วงโคจร” เฮชต์กล่าว “และถ้าเราต้องนำออกซิเจน 30 เมตริกตันนั้นไปดาวอังคารด้วย มันจะทำให้ภารกิจทั้งหมดถอยหลังกลับไปเมื่อสิบปีก่อน การส่งถังเปล่าไปเติมออกซิเจนที่นั่นง่ายกว่ามาก”

การใช้สิ่งที่มีอยู่

เพื่อสร้างออกซิเจนบนดาวอังคาร Hecht และเพื่อนร่วมงานของเขากำลังทำงานเกี่ยวกับแนวคิดที่เรียกว่าการใช้ทรัพยากรในแหล่งกำเนิด (ISRU) โดยพื้นฐานแล้ว นั่นหมายถึงการใช้สิ่งที่มีอยู่แล้วบนดาวอังคารเพื่อสร้างสิ่งที่เราต้องการ

พวกเขาได้สร้างการทดลองที่ชื่อว่า MOXIE (การทดลองการใช้ทรัพยากรจากแหล่งกำเนิดออกซิเจนบนดาวอังคาร) ซึ่งถูกนำไปยังดาวอังคารพร้อมกับ NASA Perseverance รถแลนด์โรเวอร์ ที่ลงจอดได้สำเร็จในเดือนกุมภาพันธ์ 2564 MOXIE เป็นอุปกรณ์รุ่นจิ๋วที่มีประสิทธิภาพซึ่งมีขนาดใหญ่กว่ามาก ซึ่งรับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งมีอยู่มากในชั้นบรรยากาศบนดาวอังคารและผลิตออกซิเจน

อาจฟังดูซับซ้อน แต่จริงๆ แล้วอุปกรณ์นี้คล้ายกับอุปกรณ์ที่รู้จักกันดีบนโลกนี้ “MOXIE เป็นเหมือนเซลล์เชื้อเพลิง” Hecht กล่าว “มันเกือบจะเหมือนกัน ถ้าคุณใช้เซลล์เชื้อเพลิงและกลับสายไฟทั้งสองเส้นเข้ามา คุณจะมีระบบอิเล็กโทรลิซิส หมายความว่าถ้านี่คือเซลล์เชื้อเพลิง คุณก็จะมีเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์ที่กลายเป็นโมเลกุลที่เสถียร ถ้ามีคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นเชื้อเพลิงและออกซิเจน ก็จะสร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ คุณยังได้รับไฟฟ้าออก

“ถ้าคุณวิ่งย้อนกลับ คุณต้องใส่คาร์บอนไดออกไซด์ และคุณต้องใส่ไฟฟ้า แต่คุณจะได้รับก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์และออกซิเจน นี่คือวิธีที่เรารู้วิธีการทำเช่นนี้”

แนวคิดที่ดูเรียบง่ายนี้ถือเป็นเรื่องสุดโต่งเพราะมันจัดการกับปัญหาที่แทบจะไม่มีใครนอกชุมชนอวกาศคิดว่าเป็นปัญหา นั่นคือ การผลิตออกซิเจน "ไม่มีใครต้องการสร้างออกซิเจนบนโลก - เราไม่มีเหตุผลที่จะทำ" Hecht กล่าว “เรามีมากมายทุกที่ แต่เรามีความรู้มากมายจากเซลล์เชื้อเพลิง”

วิธีสร้างเครื่องผลิตออกซิเจน

การทำความเข้าใจหลักการทางเคมีในการสร้างเครื่องผลิตออกซิเจนเป็นเรื่องหนึ่ง แต่การออกแบบและสร้างรุ่นที่สามารถใส่รถแลนด์โรเวอร์ได้นั้นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง Aboobaker วิศวกรความร้อนของ MOXIE ที่ Jet Propulsion Laboratory (JPL) ของ NASA ซึ่งมีส่วนร่วมใน MOXIE โครงการตลอดการพัฒนา อธิบายวิธีสร้างการทดลองและความท้าทายบางอย่างที่ทีม JPL ต้องทำ แท็กเกิล

“ข้อจำกัดด้านทรัพยากรหลักที่เรามี นอกเหนือจากมวลและพื้นที่ขนาดเล็กในการทำงานคือพลังงาน” เขากล่าว “รถแลนด์โรเวอร์มีเครื่องกำเนิดความร้อนด้วยไอโซโทปรังสี ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ ผู้คนจึงคิดว่ารถแลนด์โรเวอร์ขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ แต่มันไม่ใช่ ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่พร้อมเครื่องชาร์จแบบหยดนิวเคลียร์”

ซึ่งหมายความว่านักวิจัยจะต้องระมัดระวังอย่างมากกับการใช้พลังงานเพื่อไม่ให้แบตเตอรี่หมด รถแลนด์โรเวอร์ Perseverance ทั้งหมดทำงานด้วยกำลังไฟเพียง 110 วัตต์ ซึ่งมากกว่าหลอดไฟสว่างเพียงเล็กน้อย

ในทางกลับกัน การทดลองอย่าง MOXIE ใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยเท่านั้น Aboobaker กล่าวว่า "นั่นเป็นการกำหนดขีดจำกัดว่าเราสามารถใช้พลังงานฮีตเตอร์ในการทำความร้อนได้เท่าใด คอมเพรสเซอร์ซึ่งเป่าแก๊สเข้าไปในระบบจะดึงพลังงานได้เท่าใด และเราสามารถทำงานได้นานแค่ไหน" Aboobaker กล่าว

นั่นเป็นเหตุผลที่เวอร์ชันของ MOXIE ที่เดินทางด้วย Perseverance มีขนาดเล็กมาก แม้ว่าระบบจะทำงานได้ดีพอๆ กันหรือดีกว่าในระดับที่ใหญ่กว่าก็ตาม

เราแค่อยากรู้ว่ามันใช้ได้ไหม

แต่การออกแบบอุปกรณ์เป็นเพียงด้านหนึ่งของการทดลองเท่านั้น อีกด้านหนึ่งกำลังตรวจสอบว่าใช้งานได้จริงบนดาวอังคารหรือไม่ แม้จะมีแนวคิดที่ทำงานได้อย่างมั่นคงบนโลกนี้ อาจมีผลกระทบที่คาดไม่ถึงจากสภาพแวดล้อมของมนุษย์ต่างดาว ตั้งแต่ บรรยากาศที่เบาบางส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อน ต่อการสึกหรอของตลับลูกปืนในรูปแบบที่คาดไม่ถึงเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่ต่ำกว่าและไม่คุ้นเคย ฝุ่น. นั่นเป็นเหตุผลที่วิศวกรของ JPL จะทำการรวบรวมข้อมูลจาก MOXIE เพื่อดูว่ามันเป็นอย่างไรในสภาพแวดล้อมบนดาวอังคารจริง

Aboobaker กล่าวว่า "ในหลาย ๆ ทาง MOXIE ไม่ได้ใช้ข้อมูลทางวิทยาศาสตร์จริงๆ เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือวิทยาศาสตร์ เช่น กล้องโทรทรรศน์หรือเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ที่ใช้ในการวิเคราะห์ตัวอย่างหิน ข้อมูลที่รวบรวมจาก MOXIE นั้นค่อนข้างเรียบง่าย “สิ่งที่เรามีเกือบจะเหมือนกับข้อมูลทางไกลทางวิศวกรรม เราวัดแรงดัน กระแส และอุณหภูมิ อะไรทำนองนั้น นั่นคือข้อมูลของเรา และปริมาณข้อมูลก็ค่อนข้างน้อย คุณเกือบจะใส่ลงในฟล็อปปี้ดิสก์ได้”

ซึ่งหมายความว่าทีมจะได้รับคำติชมอย่างรวดเร็วว่าระบบทำงานตามที่ตั้งใจหรือไม่ — ภายในเวลาไม่กี่วัน MOXIE ไม่เหมือนเครื่องมือ Perseverance อื่นๆ ที่การวิเคราะห์ข้อมูลใช้เวลาหลายสัปดาห์ หลายเดือน หรือแม้แต่หลายปี MOXIE เป็นการสาธิตที่ใช้ได้จริงพอๆ กับการทดลอง

“ในหลาย ๆ ทาง สิ่งที่เรากำลังทำไม่ใช่วิทยาศาสตร์ แต่เป็นเทคโนโลยี” Aboobaker กล่าว “ส่วนใหญ่ เราแค่อยากรู้ว่ามันใช้ได้ไหม และถ้าเราต้องการขยายขนาดในอนาคต สิ่งที่เราต้องทำเพื่อทำเช่นนั้นคืออะไร”

สถานี McMurdo สำหรับดาวอังคาร

หาก MOXIE ประสบความสำเร็จ จะสามารถแสดงให้เห็นว่าหลักการของ ISRU สามารถทำงานบนดาวอังคารได้อย่างไร จากนั้นจึงค่อนข้างง่ายที่จะขยายขนาดโครงการและสร้างเวอร์ชันเต็มขนาดที่สามารถผลิตออกซิเจนในอัตราที่สูงกว่ามาก และข่าวดีก็คือรุ่นที่ใหญ่กว่าจะมีประสิทธิภาพมากกว่าและสามารถผลิตออกซิเจนได้จำนวนมากโดยไม่ต้องใช้พลังงานมากเกินไป

ด้วยการจัดเรียงออกซิเจน เราสามารถย้ายไปยังทรัพยากรประเภทอื่น ๆ ที่เราต้องการสำหรับมนุษย์ที่อาศัยอยู่บนดาวอังคาร ทรัพยากรที่สำคัญที่สุดอีกประการหนึ่งที่เราต้องใช้ในการสร้างฐานบนโลกใบนี้ก็คือ น้ำ. ไม่เพียงแต่ให้มนุษย์ดื่มเท่านั้น แต่ยังเป็นเพราะน้ำ (หรือไฮโดรเจน) และคาร์บอนไดออกไซด์สามารถรวมกันเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์มากมายหลายชนิด

“แนวคิดในระยะสั้นคือเราต้องการสร้าง ISRU อิสระจำนวนหนึ่งเพื่อให้ภารกิจของเราเป็นไปได้” Hecht กล่าว “เมื่อเรามีฐานบนโลกใบนี้ เช่น สถานี McMurdo ในทวีปแอนตาร์กติกาหรือสถานีอวกาศนานาชาติ คุณก็สามารถคิดถึง ISRU ประเภทที่ก้าวร้าวมากขึ้น เช่น การทำเหมืองน้ำแข็ง

“ผู้คนจำนวนมากรู้สึกว่าเราควรขุดหาน้ำแข็งด้วยตัวเอง แต่ฉันบอกว่าไม่ มันไม่คุ้มกับความพยายาม น้ำแข็งเป็นแร่ธาตุ หมายความว่าคุณต้องมองหามัน คุณต้องขุดมันขึ้นมา คุณต้องทำให้บริสุทธิ์ มันจะง่ายขึ้นเพียงแค่นำมา อย่างไรก็ตาม บางอย่างเช่น MOXIE เป็นต้นไม้เชิงกล มันหายใจเอาคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปและหายใจเอาออกซิเจนออกมา”

เมื่อเทียบกับการล่าทรัพยากรด้วยการขุด MOXIE นั้นง่ายกว่ามาก Hecht ให้เหตุผล “ไม่ต้องไปไหนไม่ต้องมองหาอะไร เหล่านี้เป็นวิธี IRSU ประเภทหนึ่งที่ใช้ได้จริงในระยะสั้น คุณเลื่อนเวลาที่เหลือออกไปจนกว่าคุณจะมีคนภายนอกที่สามารถทำงานที่ซับซ้อนกว่านี้ได้”

เงินรางวัลบนดาวอังคารที่ไม่คาดคิด

ดาวอังคารมีน้ำแข็งเป็นน้ำจำนวนมาก แต่มันตั้งอยู่ที่ขั้วโลก ในขณะที่ภารกิจส่วนใหญ่ของดาวอังคารต้องการมุ่งเน้นไปที่การลงจอดที่เส้นศูนย์สูตรซึ่งเป็นเหมือนทะเลทราย แนวคิดปัจจุบันในการจัดการกับปัญหานี้ ได้แก่ แนวคิดของการทำแผนที่น้ำแข็งทั่วโลก ซึ่งสามารถทำแผนที่ตำแหน่งของน้ำแข็งจำนวนน้อยเพื่อใช้ในอนาคต

อีกทางเลือกหนึ่งคือการสกัดน้ำจากแร่ธาตุในดินดาวอังคาร “มีแร่ธาตุต่างๆ เช่น ยิปซั่มและเกลือเอปซอมที่เป็นซัลเฟตและดึงดูดน้ำจำนวนมาก” เฮชท์อธิบาย “ดังนั้นคุณสามารถขุดมันขึ้นมาและอบมันและเอาน้ำออก คุณสามารถขุดดินเพื่อหาน้ำซึ่งมีอยู่มากมาย”

แต่ดาวอังคารไม่ได้มีเพียงวัสดุที่คล้ายกันกับที่เราพบบนโลกเท่านั้น นอกจากนี้ยังมีสารเคมีที่เรียกว่าเปอร์คลอเรต (ClO4) ในปริมาณมาก ซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์และพบในปริมาณเล็กน้อยบนโลกของเราเท่านั้น แม้จะเป็นพิษ แต่สารนี้ก็มีประโยชน์อย่างมากเนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีของมัน เนื่องจากมันถูกใช้ในสิ่งต่างๆ เช่น เครื่องยิงจรวดแบบแข็ง ดอกไม้ไฟ และถุงลมนิรภัย

“บนดาวอังคาร คลอรีนส่วนใหญ่ในดินกลายเป็นเปอร์คลอเรต” เฮชต์กล่าว “มันคิดเป็นเกือบ 1% ของดิน และมีพลังงานมหาศาล เมื่อคุณปล่อยอะตอมออกซิเจนจาก ClO4 เพื่อสร้าง Cl มันจะปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล ฉันคิดเสมอว่านั่นจะเป็นแหล่งทรัพยากรที่ดีในการเก็บเกี่ยว”

ปัญหาคือการใช้งานเหล่านี้ระเบิดได้ทั้งหมด และการควบคุมปฏิกิริยาของ ClO4 เป็นสิ่งที่ท้าทาย อย่างไรก็ตาม มีระบบที่มีศักยภาพในการปลดปล่อยพลังงานอย่างนุ่มนวลโดยใช้ a เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ.

"จุลินทรีย์สามารถกินสิ่งนี้และผลิตพลังงานได้" Hecht อธิบาย “และผู้คนได้สร้างเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพประเภทนี้ ซึ่งเป็นถังบรรจุแบคทีเรียที่ย่อยสสารบางอย่างและดึงพลังงานจากมัน

“ผมเห็นภาพเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่อยู่ด้านหลังของยานสำรวจ และนักบินอวกาศก็เข้าไปข้างในและขับไปรอบๆ และเมื่อมาตรวัดพลังงานต่ำลง พวกเขาก็จะออกไปและเริ่มโกยดินใส่ถังที่อยู่ด้านหลัง จุลินทรีย์จะกินดินและสร้างพลังงาน และนักบินอวกาศก็สามารถขับรถต่อไปได้ เป็นความคิดที่บ้ามาก แต่นั่นคือแนวคิดการใช้ทรัพยากรสัตว์เลี้ยงของฉัน”

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตบนดาวอังคาร — ซีรีส์ 10 ตอนที่สำรวจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำสมัยที่จะช่วยให้มนุษย์สามารถยึดครองดาวอังคารได้

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• การเดินทางของจักรวาลวิทยา: การขนส่งที่ยุ่งยากในการส่งผู้คนไปยังดาวอังคาร
• การขับเคลื่อนที่สมบูรณ์แบบ: เราจะพามนุษย์ไปดาวอังคารได้อย่างไร
• ปราสาทที่ทำจากทราย: เราจะสร้างที่อยู่อาศัยด้วยดินบนดาวอังคารได้อย่างไร
• การเก็บเกี่ยวความชุ่มชื้น: ผู้ตั้งถิ่นฐานในอนาคตจะสร้างและเก็บน้ำบนดาวอังคารได้อย่างไร
• Astroagriculture: เราจะปลูกพืชบนดาวอังคารได้อย่างไร