Як ми побудуємо на Марсі базу з придатним для дихання повітрям

Яким би страшним не було відправлення людей на іншу планету вперше, потрапити туди — це лише половина завдання. Велика проблема полягає в тому, як люди можуть існувати на поверхні планети з непридатною для дихання атмосферою, космічним випромінюванням і морозною температурою поверхні за мільйони миль від дому.

Ми хотіли знати, як би ви підготували чужу планету для проживання людей, тому поговорили з двома експертами Массачусетського інституту Професор технологій Майкл Хехт та інженер NASA Асад Абобейкер, щоб дізнатися, як зберегти життя астронавтам на планеті, яка хоче вбивати їх.

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

Вікно можливостей

Відправка людей на червону планету має істотну затримку в часі. Через орбіти Землі та Марса найпростіший спосіб потрапити з однієї планети на іншу — скористатися траєкторією, яка називається

Трансферна орбіта Гомана, у якому корабель рухається по орбіті, яка поступово розгортається по спіралі.

«Це через те, як планети обертаються», — пояснив Гехт. «Земля знаходиться всередині орбіти Марса, і вона обертається швидше, ніж Марс, тому вона огинає його кілька разів. Марсіанський рік майже дорівнює двом земним рокам».

«Тож ви повинні визначити час запуску. І є вікно кожного марсіанського року — кожні 26 місяців, у період, який називається протистоянням Марса, коли Марс наближається до Землі. Таким чином, кожні 26 місяців у вас є можливість запускати космічний корабель на Марс на цій оптимальній орбіті. … Отже, у планах на Марс спочатку відправити інфраструктуру, а потім через 26 місяців ми відправимо екіпаж».

Відправлення інфраструктури означає не лише забезпечення повітря для дихання астронавтів і їжі для їжі. Це також означає відправку та будівництво електростанції, середовища проживання, марсоходів і апарату для підйому, щоб дозволити астронавтам вилетіти після завершення місії.

Чому кисень такий важливий

Перше важливе питання, яке необхідно вирішити при створенні бази на Марсі, — це виробництво кисню. Коли ви чуєте про виробництво кисню на Марсі, ви, ймовірно, думаєте про найосновнішу людську потребу: мати повітря для дихання. І, безумовно, нам потрібно знайти спосіб створити атмосферу, придатну для дихання, у закритому середовищі існування Марса. Але для цього потрібна лише відносно невелика кількість кисню порівняно з великим попитом — паливом для ракети, яка запускатиме астронавтів із поверхні.

«Ми намагаємося створити ракетне паливо», — сказав Гехт. «Ми не намагаємося виробляти паливо, ми намагаємося зробити частину хімічної реакції, про яку на Землі ми ніколи не думаємо». Тут на Земле, коли ви спалюєте бензин у своєму автомобільному двигуні, ви використовуєте кисень у декілька разів більше ваги пального, щоб створити це реакція. Те саме з горінням поліна в каміні.

Однак, «якщо ви йдете кудись, де немає безкоштовного кисню, вам потрібно взяти його з собою», — додав Хехт.

Сучасні ракети мають баки з рідким киснем, які забезпечують це паливо, і вони становлять значну частину ваги при запуску.

«Нам знадобиться близько 30 метричних тонн кисню, щоб привести цю ракету в дію, щоб вивести цих астронавтів з планети на орбіту», — сказав Гехт. «І якщо нам доведеться взяти ці 30 метричних тонн кисню з собою на Марс, це відсуне всю місію на десятиліття назад. Набагато легше відправити порожній бак і заповнити його туди киснем».

Використання того, що доступно

Щоб створити кисень на Марсі, Хехт і його колеги працюють над концепцією під назвою використання ресурсів на місці (ISRU). По суті, це означає використання того, що вже є на Марсі, для створення того, що нам потрібно.

Вони побудували експеримент під назвою MOXIE (Марсовий кисень на місці експерименту з використанням ресурсів), який було легко доставлено на Марс разом із Марсохід NASA Perseverance який успішно приземлився в лютому 2021 року. MOXIE фактично є мініатюрною версією потенційно набагато більшого пристрою, який поглинає вуглекислий газ, якого багато в атмосфері Марса, і виробляє кисень.

Це може здатися складним, але насправді пристрій схожий на щось добре відоме тут, на Землі. «MOXIE дуже схожий на паливний елемент», — сказав Гехт. «Це майже ідентично. Якщо ви візьмете паливний елемент і перевернете два дроти, що входять, у вас буде система електролізу. Це означає, що якби це була паливна комірка, у вас було б паливо й окислювач, які витворили б стабільну молекулу. Якби паливом був чадний газ і кисень, утворився б вуглекислий газ. Ви також отримуєте електроенергію.

«Якщо ви запустите його в зворотному напрямку, вам доведеться ввести вуглекислий газ і вам доведеться ввести електрику. Але ви виділяєте чадний газ і кисень. Ось як ми знаємо, як це зробити».

Ця, здавалося б, проста ідея є радикальною, оскільки вона вирішує проблему, яку мало хто вважає проблемою за межами космічної спільноти: виробництво кисню. «Ніхто не хоче виробляти кисень на Землі — у нас немає причин», — сказав Гехт. «У нас його повсюди вдосталь. Але ми маємо багато знань завдяки паливним елементам».

Як побудувати кисневий апарат

Розуміння хімічних принципів створення кисневого апарату — це одне, але розробка та створення версії, яка може поміститися в марсохід, — це інше. Абобейкер, інженер-тепловик для MOXIE в Лабораторії реактивного руху NASA (JPL), який брав участь у MOXIE проекту протягом усього його розвитку, пояснив, як був побудований експеримент і деякі проблеми, з якими довелося зіткнутися команді JPL снасті.

«Основним ресурсним обмеженням, яке ми мали, окрім маси та малого простору для роботи, була енергія», — сказав він. «У марсоході є радіоізотопний термоелектричний генератор, який є ядерним джерелом енергії. Тож люди думають, що марсохід має ядерну енергію, але це не так. Він живиться від батареї та має ядерний зарядний пристрій».

Це означає, що дослідники повинні бути дуже обережними з тим, скільки енергії вони використовують, щоб не розряджати акумулятор. Весь марсохід Perseverance споживає лише 110 Вт, що трохи більше, ніж яскрава лампочка.

У свою чергу, такий експеримент, як MOXIE, може використовувати лише невелику кількість енергії. «Це встановило обмеження на те, яку потужність нагрівача ми можемо використати для його нагрівання, яку потужність може споживати компресор, який вдуває газ у систему, і як довго ми можемо працювати», — сказав Абобейкер.

Ось чому версія MOXIE, яка подорожує на Perseverance, така мала, хоча система працювала б так само добре або навіть краще у більшому масштабі.

Ми просто хочемо знати, чи це працює

Але розробка обладнання — це лише одна сторона експерименту — інша перевіряє, чи справді воно працює на Марсі. Навіть з концепцією, яка надійно працює тут, на Землі, можуть бути несподівані наслідки інопланетного середовища, від тонка атмосфера впливає на те, як передається тепло, до підшипників зношуються неочікуваним чином через низьку гравітацію та незнайомі пил. Ось чому інженери JPL незабаром збиратимуть дані з MOXIE, щоб побачити, як він працює в реальному марсіанському середовищі.

«Багато в чому MOXIE насправді не використовує наукові дані», — сказав Абобейкер. Порівняно з науковими інструментами, такими як телескопи чи спектрометри, які використовуються для аналізу зразків гірських порід, дані, зібрані за допомогою MOXIE, відносно прості. «Те, що ми маємо, майже схоже на дані інженерної телеметрії. Ми вимірюємо напругу, струм і температуру тощо. Це наші дані, і їх обсяг насправді досить малий. Це майже можна було б помістити на дискету».

Це означає, що команда може отримати дуже швидкий відгук про те, чи система працює належним чином — протягом кількох днів. На відміну від інших інструментів Perseverance, для аналізу даних яких потрібні тижні, місяці або навіть роки, MOXIE — це практична демонстрація, аніж експеримент.

«Багато в чому те, що ми робимо, — це не наука, а технологія», — сказав Абубейкер. «Здебільшого ми просто хочемо знати, чи це працює. І якщо ми захочемо розширити його в майбутньому, що для цього нам потрібно буде зробити?»

Станція МакМердо для Марса

Якщо MOXIE буде успішним, він може продемонструвати, як принцип ISRU може працювати на Марсі. Потім відносно просто розширити проект і створити повномасштабну версію, яка могла б виробляти кисень зі значно вищою швидкістю. І хороша новина полягає в тому, що більша версія була б більш ефективною та могла б виробляти значну кількість кисню, не вимагаючи надто багато енергії.

Відсортувавши кисень, ми могли б перейти до інших видів ресурсів, які нам знадобляться людям, які живуть на Марсі. Ще один із найважливіших ресурсів, який нам знадобиться для створення бази на планеті води. Не лише для того, щоб люди пили, а й тому, що вода (або водень) і вуглекислий газ можуть поєднуватися у величезну різноманітність корисних хімічних речовин.

«Ідея в короткостроковій перспективі полягає в тому, що ми хочемо створити певну кількість автономних ISRU, щоб зробити наші місії здійсненними», — сказав Гехт. «Коли у нас буде база на планеті, як-от станція Мак-Мердо в Антарктиді або як-от Міжнародна космічна станція, ви можете подумати про більш агресивні типи ISRU, як-от видобуток льоду.

«Багато людей вважають, що ми повинні видобувати лід автономно. Але я кажу, що ні, це не варте зусиль. Лід — це мінерал, тобто його потрібно шукати, викопувати, очищати. Легше буде просто принести. Однак щось на зразок MOXIE — це механічне дерево. Він вдихає вуглекислий газ і видихає кисень».

Порівняно з пошуком ресурсів за допомогою майнінгу, MOXIE набагато простіший, стверджує Гехт. «Цьому не потрібно нікуди йти, йому не потрібно нічого шукати. Це ті види методів IRSU, які дійсно практичні в короткостроковій перспективі. Ви відкладаєте решту, поки на поверхні не з’являться люди, здатні виконувати більш складні завдання».

Несподівана марсіанська винагорода

На Марсі дійсно багато водяного льоду, але він розташований на полюсах, тоді як більшість марсіанських місій хочуть зосередитися на посадці на екваторі, який схожий на пустелю. Сучасні концепції для вирішення цієї проблеми включають ідею глобального картографування льоду, де місця розташування меншої кількості льоду можуть бути картографовані для використання в майбутньому.

Інший варіант - видобувати воду з мінералів у марсіанському ґрунті. «Існують такі мінерали, як гіпс і солі Епсома, які є сульфатами і притягують багато води», — пояснив Гехт. «Тож ви могли б викопати їх, запекти й витягти воду. Ви можете видобувати ґрунт для отримання води, якої досить багато».

Але на Марсі є не тільки матеріали, подібні до тих, які ми знаходимо тут, на Землі. Він також містить велику кількість хімічної речовини під назвою перхлорат (ClO4), яка є небезпечною для здоров’я людини та зустрічається на нашій планеті лише в невеликих кількостях. Незважаючи на токсичність, ця речовина може бути надзвичайно корисною завдяки своїм хімічним властивостям, оскільки вона використовується в таких речах, як твердотільні ракетні прискорювачі, феєрверки та подушки безпеки.

«На Марсі більшість хлору в ґрунті виявляється перхлоратом», — сказав Гехт. «Вона становить майже 1% ґрунту. І він має величезну кількість енергії. Коли ви вивільняєте атоми кисню з ClO4, щоб утворити Cl, виділяється величезна кількість енергії. Я завжди вважав, що це чудовий ресурс для збору врожаю».

Проблема полягає в тому, що всі ці програми є вибухонебезпечними, і контролювати реакцію ClO4 є складним завданням. Однак існує система, яка має потенціал м’яко вивільняти енергію за допомогою a біологічний реактор.

«Мікроби можуть їсти це і виробляти енергію», — пояснив Гехт. «І люди фактично побудували подібні біологічні реактори, які є резервуарами бактерій, які перетравлюють певну речовину та витягають із неї енергію.

«Тож у мене є таке бачення біологічного реактора в задній частині марсохода, а астронавт сідає в нього й їздить навколо. І коли показник потужності стає низьким, вони виходять і починають загрібати ґрунт у бункер позаду, і мікроби їдять ґрунт і виробляють енергію, і астронавт може продовжувати рух. Це божевільна ідея, але це моя улюблена концепція використання ресурсів».

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
• Збирання гідратації: як майбутні поселенці будуть створювати та збирати воду на Марсі
• Астроагрокультура: як ми будемо вирощувати зернові культури на Марсі