Mars'ta Solunabilir Hava İle Nasıl Üs İnşa Edeceğiz?

İnsanları başka bir gezegene ilk kez göndermek kadar korkutucu olsa da, oraya varmak zorluğun yalnızca yarısıdır. En büyük sorun, insanların nefes almayan bir atmosfere, kozmik radyasyona ve evden milyonlarca mil uzakta dondurucu yüzey sıcaklıklarına sahip bir gezegenin yüzeyinde nasıl var olabildikleridir.

Yabancı bir gezegeni insan yerleşimi için nasıl hazırlayacağınızı öğrenmek istedik, bu yüzden Massachusetts Institute of Technology'den iki uzmanla konuştuk. Teknoloji profesörü Michael Hecht ve NASA mühendisi Asad Aboobaker, öldürmek isteyen bir gezegende astronotları nasıl hayatta tutabileceklerini öğrenmek için onlara.

Bu makalenin bir parçası Marsta yaşam — insanların Mars'ı işgal etmesine izin verecek en son bilim ve teknolojiyi araştıran 10 bölümlük bir dizi

Bir fırsat penceresi

İnsanları kızıl gezegene göndermede önemli bir zaman gecikmesi var. Dünya ve Mars'ın yörüngeleri nedeniyle, bir gezegenden diğerine gitmenin en kolay yolu, adı verilen bir yörüngeyi kullanmaktır. Hohmann transfer yörüngesi, bir zanaatın yavaş yavaş dışa doğru dönen bir yörüngede hareket ettiği.

Hecht, "Bunun nedeni gezegenlerin dönme şeklidir," diye açıkladı. "Dünya, Mars'ın yörüngesinin içinde ve Mars'tan daha hızlı dönüyor, bu yüzden onu birkaç kez turluyor. Bir Mars yılı neredeyse iki Dünya yılıdır.”

“Yani lansmanı zamanlamanız gerekiyor. Ve her Mars yılında bir pencere vardır - her 26 ayda bir, Mars'ın Dünya'ya yakın olduğu bir zamanda, Mars karşıtlığı denen bir zamanda. Yani her 26 ayda bir, bu optimum yörüngede Mars'a bir uzay aracı fırlatma fırsatınız var.... Yani Mars için planlar önce altyapıyı göndermek, ardından 26 ay sonra mürettebatı göndereceğiz.

Altyapı göndermek, yalnızca astronotların nefes alması için hava ve yemeleri için yiyecek olduğundan emin olmak anlamına gelmez. Aynı zamanda, astronotların görevleri bittiğinde ayrılmalarına izin vermek için bir enerji santrali, bir yaşam alanı, geziciler ve bir tırmanma aracı göndermek ve inşa etmek anlamına gelir.

oksijen neden bu kadar önemli

Bir Mars üssü kurarken ele alınması gereken ilk büyük konu oksijen üretimidir. Mars'ta oksijen üretilmesini duyduğunuzda, muhtemelen en temel insan ihtiyacını düşünürsünüz: Soluyacak havaya sahip olmak. Ve kesinlikle, kapalı bir Mars habitatında solunabilir bir atmosfer üretmenin bir yolunu bulmamız gerekiyor. Ancak bu, astronotları yüzeyden fırlatacak roket için itici gaz olan büyük talebe kıyasla nispeten az miktarda oksijen gerektirir.

Hecht, "Roket yakıtı yapmaya çalışıyoruz," dedi. "Yakıt yapmaya çalışmıyoruz, kimyasal reaksiyonun Dünya'da hiç düşünmediğimiz kısmını yapmaya çalışıyoruz." burada Dünya, arabanızın motorunda benzini yaktığınızda, oksijeni oluşturan yakıtın ağırlığının birkaç katı kadar yakıt kullanırsınız. reaksiyon. Şöminede bir kütük yakmakla aynı şey.

Ancak Hecht, "Serbest oksijenin olmadığı bir yere giderseniz, yanınıza almanız gerekir" diye ekledi.

Modern roketlerde bu yakıtı sağlayan sıvı oksijen tankları bulunur ve fırlatma sırasında ağırlığın önemli bir bölümünü oluştururlar.

Hecht, "Bu astronotları gezegenden çıkarıp yörüngeye sokacak rokete güç sağlamak için 30 metrik tona yakın oksijene ihtiyacımız olacak" dedi. "Ve eğer 30 metrik tonluk oksijeni yanımızda Mars'a götürmek zorunda kalırsak, bu tüm görevi on yıl geriye götürecek. Boş bir tankı gönderip orada oksijenle doldurmak çok daha kolay.”

Mevcut olanı kullanmak

Hecht ve meslektaşları, Mars'ta oksijen yaratmak için yerinde kaynak kullanımı (ISRU) adı verilen bir konsept üzerinde çalışıyorlar. Esasen, bu, ihtiyacımız olanı yaratmak için zaten Mars'ta olanı kullanmak anlamına gelir.

MOXIE (Mars Oksijen Yerinde Kaynak Kullanım Deneyi) adlı bir deney geliştirdiler ve NASA Perseverance gezgini Şubat 2021'de başarıyla indi. MOXIE, Mars atmosferinde bol miktarda bulunan karbondioksiti emen ve oksijen üreten potansiyel olarak çok daha büyük bir cihazın minyatür bir versiyonudur.

Kulağa karmaşık gelebilir ama aslında cihaz Dünya'da iyi bilinen bir şeye benziyor. Hecht, "MOXIE bir yakıt hücresine çok benziyor," dedi. “Neredeyse aynı. Bir yakıt pili alıp gelen iki kabloyu tersine çevirirseniz, bir elektroliz sisteminiz olur. Bu, eğer bu bir yakıt hücresi olsaydı, kararlı bir molekül oluşturan bir yakıta ve bir oksitleyiciye sahip olacağınız anlamına gelir. Yakıt ve oksijen olarak karbon monoksit olsaydı, karbondioksit yapardı. Elektriği de kesiyorsunuz.

"Ters yönde çalıştırırsanız, karbondioksit ve elektrik vermeniz gerekir. Ama karbon monoksit ve oksijen çıkarırsınız. Bunu nasıl yapacağımızı bu şekilde biliyoruz.”

Görünüşte basit olan bu fikir radikaldir çünkü uzay camiasının dışından neredeyse hiç kimsenin sorun olarak düşünmediği bir sorunu ele alır: Oksijen üretmek. Hecht, "Kimse Dünya'da oksijen yapmak istemiyor - bunun için hiçbir nedenimiz yok" dedi. “Her yerde bol miktarda var. Ancak yakıt hücreleri sayesinde çok fazla bilgiye sahibiz.”

oksijen makinesi nasıl yapılır

Bir oksijen makinesi yaratmanın kimyasal ilkelerini anlamak bir şeydir, ancak bir geziciye sığabilecek bir versiyon tasarlamak ve inşa etmek başka bir şeydir. MOXIE'ye dahil olan NASA'nın Jet Propulsion Laboratuvarı'nda (JPL) MOXIE için bir termal mühendis olan Aboobaker projesinin geliştirilmesi boyunca, deneyin nasıl inşa edildiğini ve JPL ekibinin üstesinden gelmek zorunda kaldığı bazı zorlukları açıkladı. olta takımı.

"Çalışmak için kütle ve küçük alanın yanı sıra sahip olduğumuz ana kaynak kısıtlaması enerjiydi" dedi. "Gezici, nükleer bir güç kaynağı olan bir radyoizotop termoelektrik jeneratörüne sahip. Yani insanlar gezicinin nükleer enerjiyle çalıştığını düşünüyor, ama değil. Pille çalışıyor ve nükleer damlama şarj cihazı var.”

Bu, araştırmacıların pili boşaltmamak için ne kadar güç kullandıkları konusunda son derece dikkatli olmaları gerektiği anlamına gelir. Tüm Perseverance gezgini yalnızca 110 watt ile çalışır, bu da parlak bir ampulden biraz daha fazladır.

Buna karşılık, MOXIE gibi bir deney yalnızca az miktarda güç kullanabilir. Aboobaker, "Böylece, onu ısıtmak için ne kadar ısıtıcı gücü kullanabileceğimize, gazı sisteme üfleyen kompresörün ne kadar güç çekebileceğine ve ne kadar süre çalışabileceğimize dair bir sınır belirledik" dedi.

Bu nedenle, MOXIE'nin Perseverance üzerinde hareket eden versiyonu, sistem daha büyük ölçekte aynı derecede veya hatta daha iyi çalışsa bile çok küçüktür.

Sadece işe yarayıp yaramadığını bilmek istiyoruz

Ancak ekipmanı tasarlamak, deneyin yalnızca bir tarafıdır - diğer taraf, gerçekten Mars'ta çalışıp çalışmadığını kontrol etmektir. Burada, Dünya'da sağlam bir şekilde çalışan bir kavramla bile, yabancı ortamların beklenmedik sonuçları olabilir. düşük yerçekimi ve alışılagelmedik nedenler nedeniyle beklenmedik şekillerde aşınmaya maruz kalan yataklara ısının nasıl aktarıldığını etkileyen ince atmosfer toz. Bu nedenle JPL mühendisleri, gerçek bir Mars ortamında nasıl çalıştığını görmek için yakında MOXIE'den veri toplayacak.

Aboobaker, "Birçok yönden MOXIE gerçekten bilim verilerini almıyor" dedi. Kaya örneklerini analiz etmek için kullanılan teleskoplar veya spektrometreler gibi bilim araçlarıyla karşılaştırıldığında, MOXIE'den toplanan veriler nispeten basittir. "Elimizdekiler neredeyse mühendislik telemetri verileri gibi. Voltajları, akımları ve sıcaklıkları, bunun gibi şeyleri ölçüyoruz. Bu bizim verilerimiz ve veri hacmi aslında oldukça küçük. Neredeyse bir diskete sığdırabilirsin.”

Bu, ekibin sistemin istendiği gibi çalışıp çalışmadığına dair çok hızlı bir şekilde - birkaç gün içinde - geri bildirim alabileceği anlamına gelir. Veri analizinin haftalar, aylar hatta yıllar sürdüğü diğer Perseverance araçlarının aksine, MOXIE bir deney olduğu kadar pratik bir gösterimdir.

Aboobaker, "Birçok yönden yaptığımız şey bilim değil, teknoloji" dedi. "Çoğunlukla, sadece işe yarayıp yaramadığını bilmek istiyoruz. Ve gelecekte ölçeği büyütmek isteseydik, bunu yapmak için ne tür şeyler yapmamız gerekirdi?

Mars için bir McMurdo İstasyonu

MOXIE başarılı olursa, ISRU prensibinin Mars'ta nasıl çalışabileceğini gösterebilir. O zaman projeyi büyütmek ve çok daha yüksek oranda oksijen üretebilen tam ölçekli bir versiyon oluşturmak nispeten basittir. Ve iyi haber şu ki, daha büyük bir versiyon daha verimli olacak ve çok fazla güç gerektirmeden önemli miktarda oksijen üretebilecek.

Oksijen sıralandığında, Mars'ta yaşayan insanlar için ihtiyaç duyacağımız diğer türdeki kaynaklara geçebiliriz. Gezegende bir üs kurmak için ihtiyaç duyacağımız en önemli kaynaklardan biri de su. Sadece insanların içmesi için değil, aynı zamanda su (veya hidrojen) ve karbon dioksit çok çeşitli faydalı kimyasallar halinde birleştirilebildiği için.

Hecht, "Kısa vadede fikir, görevlerimizi mümkün kılmak için belirli bir miktarda otonom ISRU yapmak istiyoruz" dedi. "Gezegende Antarktika'daki McMurdo İstasyonu veya Uluslararası Uzay İstasyonu gibi bir üssümüz olduğunda, buz madenciliği gibi çok daha agresif ISRU türleri hakkında düşünebilirsiniz.

"Pek çok insan otonom olarak buz için madencilik yapmamız gerektiğini düşünüyor. Ama hayır diyorum, çabaya değmez. Buz bir mineraldir, yani onu aramanız, kazmanız, arıtmanız gerekir. Sadece getirmek daha kolay olacak. Ancak MOXIE gibi bir şey mekanik bir ağaçtır. Karbondioksiti solur ve oksijeni solur.”

Hecht, madencilik yoluyla kaynak avlamaya kıyasla MOXIE'nin çok daha basit olduğunu savunuyor. “Hiçbir yere gitmesi gerekmiyor, hiçbir şey araması gerekmiyor. Bunlar, kısa vadede gerçekten pratik olan IRSU yöntemleridir. Yüzeyde daha karmaşık görevleri yerine getirebilecek insanlar bulunana kadar gerisini ertelersiniz.”

Beklenmeyen Mars ödülü

Mars'ta bol miktarda su buzu var, ancak kutuplarda yer alırken, çoğu Mars görevi bir çöl gibi olan ekvatora inişe odaklanmak istiyor. Bu sorunu çözmek için mevcut kavramlar arasında, gelecekte kullanılmak üzere daha küçük buz miktarlarının haritalanabileceği küresel buz haritalama fikri yer almaktadır.

Başka bir seçenek de Mars topraklarındaki minerallerden su çıkarmak. Hecht, "Sülfat olan ve çok su çeken alçıtaşı ve Epsom tuzları gibi mineraller var" diye açıkladı. “Böylece onları kazıp pişirebilir ve suyu çıkarabilirsiniz. Oldukça bol olan su için toprağı kazabilirsiniz.

Ancak Mars, burada Dünya'da bulduklarımıza benzer malzemelere sahip değil. Aynı zamanda, insan sağlığı için tehlikeli olan ve gezegenimizde yalnızca küçük miktarlarda bulunan perklorat (ClO4) adı verilen büyük miktarlarda kimyasal içerir. Zehirli olmasına rağmen bu madde, katı roket iticileri, havai fişekler ve hava yastıkları gibi şeylerde kullanıldığı için kimyasal özellikleri nedeniyle son derece yararlı olabilir.

Hecht, "Mars'ta topraktaki klorun çoğunun perklorat olduğu ortaya çıktı" dedi. “Toprağın neredeyse %1'ini oluşturur. Ve muazzam miktarda enerjiye sahiptir. Cl yapmak için ClO4'ten oksijen atomları saldığınızda, muazzam miktarda enerji açığa çıkarır. Her zaman bunun hasat için harika bir kaynak olacağını düşünmüşümdür.

Bununla ilgili sorun, bu uygulamaların hepsinin patlayıcı olması ve ClO4'ün reaksiyonunu kontrol etmenin zor olmasıdır. Ancak, enerjiyi yumuşak bir şekilde serbest bırakma potansiyeline sahip bir sistem var. biyolojik reaktör.

Hecht, "Mikroplar bu şeyleri yiyebilir ve enerji üretebilir" dedi. "Ve insanlar aslında bazı maddeleri sindiren ve ondan enerji çıkaran bakteri depoları olan bu tür biyolojik reaktörler inşa ettiler.

"Bu yüzden, bir gezginin arkasında biyolojik bir reaktör vizyonum var ve astronot içeri girip etrafta dolaşıyor. Ve güç göstergesi düştüğünde, dışarı çıkıp arkadaki bir huniye toprak atmaya başlarlar ve mikroplar toprağı yiyip enerji üretir ve astronot araba sürmeye devam edebilir. Bu çılgınca bir fikir ama bu benim evcil hayvan kaynak kullanım konseptim.

Bu makalenin bir parçası Marsta yaşam - insanların Mars'ı işgal etmesine izin verecek en son bilim ve teknolojiyi araştıran 10 bölümlük bir dizi.

Editörlerin Önerileri

• Kozmolojik bir işe gidip gelme: İnsanları Mars'a göndermenin zorlu lojistiği
• Mükemmel itme gücü: İnsanları Mars'a nasıl ulaştıracağız?
• Kumdan kaleler: Mars toprağı ile nasıl yaşam alanları yapacağız?
• Hasat hidrasyonu: Gelecekteki yerleşimciler Mars'ta nasıl su yaratacak ve toplayacak?
• Astro-tarım: Mars'ta nasıl ekin yetiştireceğiz?