Elon Musk pogosto govori o pripravi vesoljske ladje SpaceX na misijo s posadko na Mars v desetletju, s prvo lansiranjem plovila že prihodnje leto. Toda tako zastrašujoče kot pošiljanje ljudi na drug planet prvič, priti tja je le polovica izziva. Velika težava je v tem, kako lahko ljudje obstajajo na površju planeta z nevdihano tanko atmosfero, ki jo prežema kozmično sevanje, z ledenimi površinskimi temperaturami, milje kilometrov od doma.
Želeli smo vedeti, kako se boste lotili priprave tujega planeta za človeško bivanje, zato smo se z dvema strokovnjakoma, profesorjem Massachusetts Institute of Technology, Michael Hechtom in inženirjem NASA Asadom Aboobakerjem, pozanimali, kako ohraniti astronavte pri življenju na planetu, ki želi da bi jih ubil.
Okno priložnosti
Pri pošiljanju ljudi na rdeči planet obstaja bistveni časovni zamik. Zaradi orbiti Zemlje in Marsa je najlažje priti z enega planeta na drugega z uporabo poti, imenovane Hohmannova prenosna orbita, pri kateri se plovilo premika po orbiti, ki se postopoma spirali navzven.
"To je zaradi načina vrtenja planetov," je pojasnil Hecht. »Zemlja je v orbiti Marsa in se vrti hitreje kot Mars, zato jo nekajkrat zaokroži. Marsovsko leto je skoraj dve zemeljski leti. "
»Torej morate zagnati čas. In tam je okno vsako Marsovsko leto - vsakih 26 mesecev, v času, ki se imenuje Marsova opozicija, ko je Mars blizu Zemlje. Vsakih 26 mesecev imate torej priložnost, da na Marso v tej optimalni orbiti izstrelite vesoljsko plovilo. ... Načrt za Mars je torej, da najprej pošlje infrastrukturo, nato pa bomo 26 mesecev pozneje poslali posadko. "
"Vsakih 26 mesecev imate priložnost izstreliti vesoljsko plovilo na Mars v tej optimalni orbiti."
Pošiljanje infrastrukture ne pomeni le zagotovitve, da bi astronavti imeli zrak za dihanje in hrano, ki bi jo lahko jedli. Pomeni tudi pošiljanje in gradnjo elektrarne, habitata, roverjev in vozila za vzpon, da astronavti lahko odidejo, ko se njihova misija konča.
Chris DeGraw / Digitalni trendi Zakaj je kisik tako pomemben
Prvo veliko vprašanje, ki ga je treba obravnavati pri postavitvi baze na Marsu, je proizvodnja kisika. Ko slišite za proizvodnjo kisika na Marsu, verjetno pomislite na najosnovnejšo človeško potrebo: imeti zrak za dihanje. In vsekakor moramo najti način, kako ustvariti dihanje v ozračju zaprtega habitata Marsa. Toda za to je potrebna le razmeroma majhna količina kisika v primerjavi z velikim povpraševanjem - pogonskim gorivom za raketo, ki bo astronavte izstrelila s površine.
"Poskušamo narediti raketni pogon," je dejal Hecht. "Ne poskušamo narediti goriva, ampak poskušamo narediti del kemične reakcije, o katerem na Zemlji nikoli ne razmišljamo." Tukaj na Zemlji, ko v avtomobilskem motorju zažgete bencin, za ustvarjanje te reakcije uporabite nekajkrat vredno težo goriva v kisiku. Enako s kurjenjem hloda v kaminu.
Getty Images / Izroček "Če pa greš nekam, kjer ni prostega kisika, ga moraš vzeti s seboj," je dejal Hecht.
Sodobne rakete imajo rezervoarje za tekoči kisik, ki zagotavljajo to pogonsko gorivo in ob izstrelitvi tvorijo precejšen del teže.
"Za pogon te rakete bi potrebovali skoraj 30 ton kisika, da bi te astronavte odpeljali s planeta v orbito," je dejal Hecht. »In če bomo morali tistih 30 ton kisika s seboj vzeti na Mars, bo to celotno misijo potisnilo desetletje nazaj. Veliko lažje je poslati prazen rezervoar in ga napolniti s kisikom. "
Uporaba tega, kar je na voljo
Za ustvarjanje kisika na Marsu Hecht in njegovi kolegi delajo na konceptu, imenovanem izkoriščanje virov in-situ (ISRU). V bistvu to pomeni, da uporabimo to, kar je že na Marsu, da ustvarimo tisto, kar potrebujemo.
Zgradili so eksperiment z imenom MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), ki bo na Mars odpotoval z roverjem NASA Perseverance, ko bo izstreljen to poletje. Ta mini različica potencialno veliko večje naprave prevzame ogljikov dioksid, ki ga je v Marsovski atmosferi veliko, in proizvaja kisik.
Morda se sliši zapleteno, toda v resnici je naprava podobna nečemu, kar je znano tukaj na Zemlji. "MOXIE je zelo podoben gorivni celici," je dejal Hecht. »Skoraj enak je. Če bi vzeli gorivno celico in obrnili dve žici, ki prihajata, bi imeli sistem za elektrolizo. To pomeni, da če bi bila to gorivna celica, bi imeli gorivo in oksidant, ki bi izoblikoval stabilno molekulo. Če bi bil ogljikov monoksid kot gorivo in kisik, bi ustvaril ogljikov dioksid. Izvlečete tudi elektriko.
Ta prevzame ogljikov dioksid, ki ga je v marsovskem ozračju veliko, in proizvaja kisik
»Če ga poganjate vzvratno, morate vnesti ogljikov dioksid in elektriko. Toda ven dobite ogljikov monoksid in kisik. Tako vemo, kako to storiti. «
Ta na videz preprosta ideja je radikalna, ker se loteva problema, ki ga komaj kdo zunaj vesoljske skupnosti predstavlja kot problem: proizvodnja kisika. "Nihče ne želi ustvarjati kisika na Zemlji - za to nimamo razloga," je dejal Hecht. »Povsod ga imamo na pretek. Toda zaradi gorivnih celic imamo veliko znanja. "
Kako zgraditi stroj za kisik
Razumevanje kemijskih načel ustvarjanja kisikovega stroja je eno, drugo pa je načrtovanje in izdelava različice, ki se lahko prilega roverju. Asad Aboobaker, toplotni inženir za MOXIE v NASA-inem laboratoriju za reaktivni pogon (JPL), ki je ves čas sodeloval pri projektu MOXIE, je pojasnil, kako je bil eksperiment zgrajen in nekatere izzive, s katerimi se je morala spoprijeti ekipa JPL:
"Glavna omejitev virov, ki smo jo imeli poleg mase in majhnega prostora za delo, je bila energija," je dejal. »Rover ima radioizotopski termoelektrični generator, ki je jedrski vir energije. Ljudje torej mislijo, da je rover jedrski, vendar ni. Napaja se iz akumulatorja z jedrskim polnilcem. "
NASA To pomeni, da morajo biti raziskovalci zelo previdni pri porabi energije, da se baterija ne izprazni. Celoten rover Perseverance deluje na samo 110 vatov, kar je le malo več od svetle žarnice.
Poizkus, kot je MOXIE, pa lahko porabi le majhno količino energije. "Tako je določena omejitev, koliko moči grelnika lahko uporabimo za ogrevanje, koliko moči lahko porabi kompresor, ki vpiha plin v sistem, in kako dolgo lahko tečemo," je dejal Aboobaker.
Zato je različica MOXIE, ki potuje po Vztrajnosti, tako majhna, čeprav bi sistem deloval enako dobro ali celo bolje v večjem obsegu.
Zanima nas samo, ali deluje
Toda oblikovanje opreme je le ena plat eksperimenta - druga stran preverja, ali dejansko deluje na Marsu. Tudi s konceptom, ki dobro deluje tukaj na Zemlji, lahko pride do nepričakovanih posledic tujih okolij, od tanke atmosfere, ki vpliva na prenos toplote, do ležajev, ki se zaradi manjše gravitacije in neznanega prahu obrabljajo nepričakovano. Zato bodo inženirji JPL zbirali podatke od MOXIE, da bi ugotovili, kako to deluje v resničnem Marsovskem okolju.
"MOXIE v mnogih pogledih pravzaprav ne jemlje znanstvenih podatkov," je dejal Aboobaker. Podatki, zbrani iz MOXIE, so v primerjavi z znanstvenimi instrumenti, kot so teleskopi ali spektrometri, ki se uporabljajo za analizo vzorcev kamnin, razmeroma preprosti. »Kar imamo, je skoraj kot inženirski telemetrični podatki. Merimo napetosti in tokove ter temperature, podobne stvari. To so naši podatki in obseg podatkov je pravzaprav precej majhen. Skoraj bi ga lahko namestili na disketo. "
»Obseg podatkov je pravzaprav precej majhen. Skoraj bi ga lahko namestili na disketo "
To pomeni, da lahko ekipa v nekaj dneh dobi zelo hitre povratne informacije o tem, ali sistem deluje, kot je bilo predvideno. Za razliko od drugih instrumentov vztrajnosti, pri katerih analiza podatkov traja tedne, mesece ali celo leta, je MOXIE praktični prikaz kot eksperiment.
"V mnogih pogledih to, kar počnemo, ni znanost, ampak tehnologija," je dejal Aboobaker. »Večinoma želimo samo vedeti, ali deluje. In če bi ga v prihodnosti želeli povečati, kakšne stvari bi morali za to narediti? "
Postaja McMurdo za Mars
Če je MOXIE uspešen, lahko dokaže, kako lahko princip ISRU deluje na Marsu. Potem je razmeroma preprosto razširiti projekt in ustvariti celovito različico, ki bi lahko proizvajala kisik z veliko večjo hitrostjo. In dobra novica je, da bi bila večja različica učinkovitejša in bi lahko proizvedla precejšnjo količino kisika, ne da bi potrebovala preveč energije.
Z razvrščanjem kisika bi lahko prešli na druge vrste virov, ki bi jih potrebovali za ljudi, ki živijo na Marsu. Drugi najpomembnejši vir, ki bi ga potrebovali za vzpostavitev baze na planetu, je voda. Ne samo za pitje ljudi, ampak tudi zato, ker lahko vodo (ali vodik) in ogljikov dioksid združimo v veliko različnih uporabnih kemikalij.
"Ideja kratkoročno je, da želimo narediti določeno količino avtonomnih ISRU, da bodo naše misije izvedljive," je dejal Hecht. »Ko imamo na planetu bazo, kot je postaja McMurdo na Antarktiki ali Mednarodna vesoljska postaja, lahko razmislite o bolj agresivnih vrstah ISRU, kot je rudarstvo ledu.
NASA / JPL-Caltech »Veliko ljudi meni, da bi morali avtonomno rudariti led. Ampak rečem ne, ni vredno truda. Led je mineral, kar pomeni, da ga morate obetati, ga morate izkopati, prečistiti. Lažje ga bo samo prinesti.
»Medtem ko je nekaj takega kot MOXIE mehansko drevo. Vdihuje ogljikov dioksid in izdihuje kisik. " MOXIE je v primerjavi z lovom na vire, kot je rudarstvo, veliko preprostejši. »Ni treba nikamor iti, ničesar ni treba iskati. To so vrste metod IRSU, ki so kratkoročno res praktične. Preostanek odložite, dokler na površju ne najdete ljudi, ki bi lahko opravljali bolj zapletene naloge. "
Nepričakovana marsovska nagrada
Mars ima sicer veliko vodnega ledu, vendar se nahaja na polih, medtem ko se večina misij na Marsu želi osredotočiti na pristanek na ekvatorju, ki je kot puščava. Trenutni koncepti za reševanje tega vprašanja vključujejo idejo o globalnem kartiranju ledu, kjer bi lahko lokacije manjših količin ledu preslikali za prihodnjo uporabo.
Druga možnost je pridobivanje vode iz mineralov na marsovskih tleh. "Obstajajo minerali, kot so mavec in epsomske soli, ki so sulfati in pritegnejo veliko vode," je pojasnil Hecht. »Tako bi jih lahko izkopali in spekli ter spustili vodo ven. Tla bi lahko izkopala za vodo, ki je dokaj obilna. "
Toda Mars nima le podobnih materialov kot tisti, ki jih najdemo tukaj na Zemlji. Vsebuje tudi velike količine kemikalije, imenovane perklorat (ClO4), ki je nevarna za zdravje ljudi in jo na našem planetu najdemo le v majhnih količinah. Kljub temu, da je strupena, bi lahko bila zaradi svojih kemičnih lastnosti zelo koristna, saj se uporablja v stvareh, kot so trdni raketni pospeševalniki, ognjemeti in zračne blazine.
"Na Marsu se izkaže, da je večina klora v tleh perklorata," je dejal Hecht. »Sestavlja skoraj 1% zemlje. In ima ogromno energije. Ko sprostite atome kisika iz ClO4, da nastane Cl, sprosti ogromno energije. Vedno sem mislil, da bi bilo to odličen vir za žetev. "
"Ko sprostimo atome kisika iz ClO4, da nastane Cl, sprosti ogromno energije"
Težava pri tem je, da so vse te aplikacije eksplozivne in nadzor nad reakcijo ClO4 je zahteven. Vendar pa obstaja sistem, ki lahko z uporabo biološkega reaktorja nežno sprosti energijo.
"Mikrobi lahko to jedo in proizvajajo energijo," je pojasnil Hecht. »In ljudje so dejansko zgradili te vrste bioloških reaktorjev, ki so rezervoarji z bakterijami, ki prebavijo nekaj snovi in iz nje črpajo energijo.
»Torej imam to vizijo biološkega reaktorja v zadnjem delu roverja, astronavt pa vstopi in se vozi okoli. In ko se merilnik moči spusti, izstopijo in začnejo zemljo lopati v lijak zadaj, mikrobi pa zemljo pojedo in naredijo energijo, astronavt pa lahko nadaljuje z vožnjo.
To je nora ideja, toda to je moj koncept uporabe virov za hišne ljubljenčke. "
Živčno čakanje
Zaenkrat so inženirji MOXIE izvedli vse prilagoditve in prilagoditve, ki so jih lahko, z instrumentom, ki je že dostavljen in integriran v rover Perseverance. Počakati bodo morali, dokler se rover ne izstreli julija in pristane na planetu februarja 2021, da ugotovi, ali se je njihovo trdo delo obrestovalo in ali lahko na Marsu dejansko ustvarijo kisik.
Če je to uspelo, se odpre povsem nov svet virov, s katerimi lahko raziskujemo Mars in inventivno uporabimo to, kar najdemo, da ustvarimo tisto, kar potrebujemo.
