Збирання гідратації: як ми будемо збирати воду на Марсі

Десятиліттями ми мріяли відправити людей на іншу планету, і з огляду на недавній сплеск інтересу до дослідження Марса, схоже, що одного дня це може стати реальністю.

Але попереду ще багато роботи, перш ніж людина буде готова ступити на червону планету.

З усіх ресурсів, які знадобляться відвідувачам Марса, одним із найважливіших є вода — не лише для пиття, але й для виготовлення ракетного палива та інших речовин, таких як кисень. І якщо ми сподіваючись створити тут сільське господарство, нам знадобиться багато води, щоб підтримувати ріст посівів.

Але поверхня Марса виглядає як суха негостинна пустеля. Сьогодні на Марсі немає ні озер, ні річок, ні опадів.

Тож звідки ми будемо брати воду? Ми поговорили з трьома експертами, щоб дізнатися.

Ця стаття є частиною Життя на Марсі – серія з 10 частин, яка досліджує передові науки та технології, які дозволять людям заселити Марс

Пошук води на Марсі

Незважаючи на те, що нам залишилося багато років до створення повністю функціональної бази на Марсі, космічні агентства, такі як NASA, вже думають про проблему води. Доставляти воду з Землі непрактично – надто важко нести всю воду, необхідну для місії, у ракеті. Отже, план полягає в тому, щоб зібрати воду з навколишнього середовища Марса, і для цього нам потрібно знати, де знаходиться вода.

Доброю новиною є те, що на поверхні Марса є багато води у формі льоду, включно з льодом, що покриває полюси та величезні кратери. Погана новина полягає в тому, що місія в ці морозні регіони створює свої проблеми, наприклад кількість енергії, яка знадобиться для підтримки тепла людей і машин при температурах до -240°F. Ось чому більшість місій на Марсі зосереджені на регіонах середніх широт, де температура нижча.

У цих регіонах немає льоду на поверхні, але є лід під землею. Але якщо ви не хочете відправити астронавта з лопатою, щоб спробувати кожну ділянку бруду на планеті, вам потрібен спосіб швидко й ефективно картографувати цей підповерхневий лід.

Х позначає місце

Саме над цим працюють Гарет Морган і Тан Пуціг з Інституту планетарних наук у рамках проекту SWIM (Subsurface Water Ice Mapping). Вони та їхні колеги об’єднали 20-річні дані з п’яти різних орбітальних інструментів Марса, щоб визначити, де найімовірніше знаходиться лід під поверхнею. Самі по собі кожен набір даних, як-от показання радара або показники водню, може розповісти лише про те, чи лід знаходиться в певному місці, але в поєднанні вони можуть вказати, які найкращі місця для пошуку льоду бути.

Мета їхньої роботи полягає в тому, щоб допомогти NASA вибрати майбутні місця посадки для місій з екіпажем, щоб астронавти могли отримати доступ підповерхневого льоду, водночас дозволяючи якомога більше свободи для вибору цікавого з наукової точки зору дослідження область.

«Технології та інженерія визначать, як відправити людей на Марс, — сказав Морган, — і вони матимуть власні обмеження щодо того, де це може статися. Вони також хочуть, щоб наукове співтовариство знайшло найбільш науково життєздатні, цікаві та захоплюючі місця для посадки. Тож наша робота полягає в тому, щоб поєднати обидва ці світи, даючи обом командам широке розуміння того, де знаходяться ресурси».

Ця карта може показати, де ймовірно буде знайдений лід, але лише якщо цей лід знаходиться менше ніж на п’ять метрів під землею. Також важко точно визначити, наскільки глибоко знаходиться лід у будь-якій певній місцевості, оскільки використовувані методи зондування можуть забезпечити лише приблизну оцінку вмісту льоду там.

І є велика практична різниця в тому, наскільки важко отримати доступ до льоду, який знаходиться на кілька дюймів нижче поверхні, порівняно з льодом, який знаходиться під метрами щільної породи.

Новий інструмент для виявлення льоду

Щоб визначити, наскільки глибокий лід на Марсі, нам знадобляться нові зусилля, подібні до Місія Mars Ice Mapper: космічний корабель, над яким NASA та інші міжнародні космічні агентства працюють разом, і який буде орбіти Марса та використовувати два типи радіолокаційних методологій для виявлення глибини льоду під ним поверхні.

«Основна ідея полягає в тому, щоб мати радар з вищою частотою та вищою роздільною здатністю», — пояснив Пуціг. Місія Ice Mapper все ще знаходиться на стадії розробки концепції, і він і Морган безпосередньо в ній не беруть участі. Але вони чули про концепції місії від інших вчених, і вони поділилися деякими подробицями про те, як вона працюватиме.

Перший радарний метод, який використовуватиме картограф, називається радарним зображенням із синтетичною апертурою. Це включає в себе радар, спрямований під кутом до поверхні, який «дає вам відчуття широкого поширення мілкого льоду», - сказав Пуціг. «Ви можете відносно швидко нанести це на карту великого регіону за допомогою цього методу».

Другий метод — це радіолокаційне зондування, де радар спрямований прямо вниз, щоб відбити верхню частину шару льоду. Це говорить про те, наскільки глибокий шар льоду. Коли ви поєднуєте обидва, "ви отримуєте вигляд карти та вид у поперечному перерізі", сказав він.

І тоді ви знаєте, де копати.

Доступ до води, коли ми її знайдемо

Пошук льоду – це лише перший крок у зборі води. Щоб отримувати від брил твердого льоду під землею чисту, безпечну воду для пиття та інших цілей, нам потрібно буде знайти спосіб видобувати та переробляти лід.

Якщо ви знаєте, наскільки глибоко розташований лід, і вважаєте, що є значна кількість льоду, щоб отримати доступ, ви можете бурити, щоб дістатися до нього. Проблема, як пояснив Сідней До, керівник Проекту картографування води на Марсі в Лабораторії реактивного руху NASA, полягає в тому, що вам потрібно знати, яку породу ви будете свердлити, щоб мати для цього правильний інструмент робота.

Наразі наше розуміння складу поверхні та надр Марса обмежене, що спричинило проблеми в марсіанських місіях, таких як InSight, де тепловий зонд посадкового модуля не міг проникнути під поверхню оскільки ґрунт мав дещо інший рівень тертя, ніж очікувалося. Тож нам знадобиться більше інформації про склад гірських порід у конкретній місцевості, перш ніж ми зможемо спроектувати бур для тунелю в ній.

Просвердливши отвір аж до льоду, ви можете використовувати систему під назвою свердловина Родрігеса, яка зараз використовується на Землі в таких місцях, як Антарктида, для доступу до води. По суті, ви занурюєте розігрітий стрижень у просвердлену яму, яка розтоплює лід і створює колодязь із рідкою водою, яку потім можна викачати на поверхню. Це вимагає постачання енергії у вигляді тепла, але це ефективний спосіб отримати доступ до потенційно великої кількості води.

Запечені камені

Існує також інший варіант збору води: ми могли б добувати її з гідратованих мінералів, яких у багатьох районах Марса багато. Там є такі камені, як гіпс, які містять воду, і якщо ви подрібните, а потім запечете ці камені, ви зможете конденсувати воду та зібрати її.

Але помітити ці мінерали нелегко. Щоб ідентифікувати ці гідратовані мінерали з орбіти, дослідники використовують техніку, яка називається спектроскопією відбиття. Прилади на космічних кораблях навколо Марса можуть виявляти сонячне світло, коли воно відбивається від поверхні, створюючи так звані спектри. Деякі довжини хвиль відбитого світла поглинаються певними хімічними речовинами, що дозволяє вченим зробити висновок, з чого складаються скелі під ними. Але цей сигнал є лише середнім для досліджуваної області, і може бути кілька хімічних речовин, які поглинають однакові довжини хвиль. Тому розшифровка різних сигналів може бути складною.

«Мені подобається це пояснювати так: у вас є торт, який ви отримали», — сказав До. «Ви повинні спробувати і з’ясуйте, з яких інгредієнтів він був виготовлений і скільки кожного інгредієнта сприяло цьому торт. По суті, це те, що ми робимо з цими відбивними сигналами – ми намагаємося розкласти їх на складові частини, щоб зрозуміти, що там».

Зробити воду безпечною

У будь-якому випадку, коли ви зібрали воду, розтопивши лід або випікаючи каміння, вам потрібно її обробити. Вода може бути повна шкідливих домішок, таких як важкі метали або солі, такі як перхлорати, тому її потрібно очистити та опріснити перед використанням. Теоретично ми знаємо, як це зробити, виконуючи аналогічну обробку води на Землі, але проблема на Марсі полягає в тому, що ми зараз не знаємо, яких забруднювачів очікувати.

Як і в багатьох аспектах управління водними ресурсами на Марсі, проблема полягає не в концепції, а в реалізації. Технологія управління водою на Землі добре вивчена, але ще багато чого потрібно зробити, перш ніж ми зможемо створити систему, яка працюватиме на іншій планеті.

«Ми знаємо фундаментальні принципи для цього», — сказав До. «Але ми не зовсім розуміємо умови навколишнього середовища, в яких нам доведеться працювати з цим обладнанням». Все, від тонкої атмосфери Марса до його низької гравітації велика кількість пилу може змінити спосіб роботи машин. Не кажучи вже про те, що водопровідна система повинна бути не тільки маленькою і достатньо легкою, щоб поставити її на ракету, але й надзвичайно надійною — на Марсі немає ремонтних майстерень.

Саме тут з’явиться наступний рубіж технологічних інновацій. Зараз ми маємо знання про те, як побудувати систему видобутку та обробки води, – сказав До, – але повертаючись ці принципи в технологію, яка працює надійно в середовищі, яке ми очікуємо, – це все ще ВІДЧИНЕНО."

Ця стаття є частиною Життя на Марсі – серія з 10 частин, яка досліджує передові науки та технології, які дозволять людям заселити Марс

Рекомендації редакції

• Космологічне переміщення: хитра логістика відправлення людей на Марс
• Удосконалення двигуна: як ми доставимо людей на Марс
• Замки з піску: як ми створимо середовище існування з марсіанського ґрунту
• Штучні атмосфери: як ми побудуємо базу з придатним для дихання повітрям на Марсі
• Астроагрокультура: як ми будемо вирощувати зернові культури на Марсі