Elon Musk vorbește adesea despre pregătirea unei nave spatiale SpaceX pentru o misiune pilotată pe Marte în decurs de un deceniu, cu o primă lansare a navei încă de anul viitor. Dar la fel de intimidant ca trimiterea oamenilor pe o altă planetă pentru prima dată poate fi, a ajunge acolo este doar jumătate din provocare. Marea problemă este cum pot exista oamenii pe suprafața unei planete cu o atmosferă irespirabilă, subțire, lovită de radiații cosmice, cu temperaturi de suprafață înghețate, la milioane de kilometri de casă.
Am vrut să știm cum veți pregăti o planetă extraterestră pentru locuința umană, așa că am vorbit cu doi experți, profesorul Michael Hecht din Institutul de Tehnologie din Massachusetts și inginerul NASA Asad Aboobaker, pentru a afla cum să țineți astronauții în viață pe o planetă care dorește să-i omoare.
O fereastră de oportunitate
Există un decalaj esențial în trimiterea oamenilor pe planeta roșie. Datorită orbitelor Pământului și Marte, cel mai simplu mod de a ajunge de pe o planetă pe cealaltă este utilizarea unei traiectorii numite o orbită de transfer Hohmann, în care o navă se mișcă pe o orbită care spiralează treptat spre exterior.
„Acest lucru se datorează modului în care planetele se rotesc”, a explicat Hecht. „Pământul se află în interiorul orbitei lui Marte și se rotește mai repede decât Marte, așa că îl lasă de câteva ori. Un an de pe Marte înseamnă aproape doi ani de pe Pământ. ”
„Deci, trebuie să cronometriți lansarea. Și există o fereastră în fiecare an pe Marte - la fiecare 26 de luni, într-un moment numit opoziție pe Marte, când Marte este aproape de Pământ. Așadar, la fiecare 26 de luni aveți ocazia să lansați o navă spațială pe Marte pe această orbită optimă. ... Deci, planurile pentru Marte sunt trimiterea infrastructurii mai întâi, iar apoi 26 de luni mai târziu vom trimite echipajul. ”
„La fiecare 26 de luni ai ocazia să lansezi o navă spațială pe Marte pe această orbită optimă”
Trimiterea infrastructurii nu înseamnă doar să vă asigurați că există aer pentru ca astronauții să respire și totuși hrană pentru ei. De asemenea, înseamnă trimiterea și construirea unei centrale electrice, a unui habitat, a rover-urilor și a unui vehicul de ascensiune pentru a permite astronauților să plece odată ce misiunea lor este terminată.
Chris DeGraw / Tendințe digitale De ce oxigenul este atât de important
Prima mare problemă de abordat la înființarea unei baze pe Marte este producția de oxigen. Când auziți despre producerea de oxigen pe Marte, probabil vă gândiți la cea mai de bază nevoie umană: să aveți aer pentru a respira. Și, cu siguranță, trebuie să găsim o modalitate de a produce o atmosferă respirabilă într-un habitat conținut de pe Marte. Dar acest lucru necesită doar o cantitate relativ mică de oxigen în comparație cu cererea mare - cea de propulsor pentru racheta care va lansa astronauții de pe suprafață.
„Încercăm să producem combustibil pentru rachete”, a spus Hecht. „Nu încercăm să producem combustibil, încercăm să facem parte din reacția chimică la care nu ne gândim niciodată pe Pământ”. Aici, pe Pământ, când arzi benzină în motorul mașinii, folosești de câteva ori greutatea combustibilului în oxigen pentru a crea acea reacție. La fel și cu arderea unui buștean într-un șemineu.
Getty Images / Fișă Cu toate acestea, „Dacă te duci undeva, nu există oxigen gratuit, trebuie să-l iei cu tine”, a spus Hecht.
Rachetele moderne au rezervoare de oxigen lichid care furnizează acest combustibil și formează o parte considerabilă din greutate la lansare.
„Am avea nevoie de aproape 30 de tone metrice de oxigen pentru a alimenta acea rachetă pentru a scoate acei astronauți de pe planetă și pe orbită”, a spus Hecht. „Și dacă trebuie să luăm acele 30 de tone metrice de oxigen cu noi pe Marte, va împinge întreaga misiune cu un deceniu în urmă. Este mult mai ușor să trimiteți un rezervor gol și să-l umpleți cu oxigen acolo ”.
Folosind ceea ce este disponibil
Pentru a crea oxigen pe Marte, Hecht și colegii săi lucrează la un concept numit utilizarea in situ a resurselor (ISRU). În esență, asta înseamnă să folosim ceea ce este deja pe Marte pentru a crea ceea ce avem nevoie.
Ei au construit un experiment numit MOXIE (Experimentul de utilizare a resurselor în condiții de oxigen pe Marte), care va călători pe Marte pe roverul Perseverență al NASA când va fi lansat în această vară. Această versiune mini a unui dispozitiv potențial mult mai mare preia dioxid de carbon, care este abundent în atmosfera marțiană și produce oxigen.
S-ar putea să pară complicat, dar, de fapt, dispozitivul este similar cu ceva bine cunoscut aici pe Pământ. „MOXIE seamănă foarte mult cu o celulă de combustibil”, a spus Hecht. „Este aproape identic. Dacă ai lua o celulă de combustibil și ai inversa cele două fire care intrau, ai avea un sistem de electroliză. Asta înseamnă că dacă aceasta ar fi o celulă de combustibil, ați avea un combustibil și un oxidant care să transforme o moleculă stabilă. Dacă ar fi monoxid de carbon ca combustibil și oxigen, s-ar produce dioxid de carbon. Iei și electricitate.
Aceasta preia dioxidul de carbon, care este abundent în atmosfera marțiană și produce oxigen
„Dacă îl folosiți în sens invers, trebuie să introduceți dioxid de carbon și trebuie să introduceți electricitate. Dar scoți monoxid de carbon și oxigen. Așa știm cum să facem acest lucru. ”
Această idee aparent simplă este radicală, deoarece abordează o problemă pe care abia cineva din afara comunității spațiale o consideră o problemă: producerea de oxigen. „Nimeni nu vrea să producă oxigen pe Pământ - nu avem motive să facem asta”, a spus Hecht. „Avem destule pretutindeni. Dar avem multe cunoștințe datorită celulelor de combustibil. ”
Cum se construiește o mașină de oxigen
Înțelegerea principiilor chimice ale creării unei mașini de oxigen este un lucru, dar proiectarea și construirea unei versiuni care să se potrivească unui rover este un alt lucru. Asad Aboobaker, inginer termic pentru MOXIE la Jet Propulsion Laboratory (JPL) al NASA, care a fost implicat în proiectul MOXIE de-a lungul dezvoltării sale, a explicat cum a fost construit experimentul și câteva dintre provocările pe care echipa JPL a trebuit să le facă față:
„Principala constrângere a resurselor pe care o aveam, pe lângă masă și spațiul mic cu care să lucrăm, a fost energia”, a spus el. „Roverul are un generator termoelectric radioizotopic, care este o sursă de energie nucleară. Deci, oamenii cred că roverul este alimentat cu energie nucleară, dar nu este așa. Este alimentat de la baterie, cu un încărcător nuclear. ”
NASA Asta înseamnă că cercetătorii trebuie să fie extrem de atenți cu câtă putere folosesc pentru a nu descărca bateria. Întregul rover Perseverance funcționează doar cu 110 wați, ceea ce este doar puțin mai mult decât un bec luminos.
La rândul său, un experiment ca MOXIE poate folosi doar o cantitate mică de energie. „Deci, aceasta a stabilit o limită a puterii de încălzire pe care am putea-o folosi pentru a-l încălzi, câtă putere poate consuma compresorul care suflă gazul în sistem și cât timp putem funcționa”, a spus Aboobaker.
De aceea, versiunea MOXIE care călătorește pe Perseverență este atât de mică, chiar dacă sistemul ar funcționa la fel de bine sau chiar mai bine la o scară mai mare.
Vrem doar să știm dacă funcționează
Dar proiectarea echipamentului este doar o parte a experimentului - cealaltă parte verifică dacă funcționează efectiv pe Marte. Chiar și cu un concept care funcționează solid aici pe Pământ, pot exista consecințe neașteptate ale mediilor străine, de la atmosfera subțire care afectează modul în care este transferată căldura, la rulmenții care se poartă în moduri neașteptate din cauza gravitației mai mici și a prafului necunoscut. De aceea, inginerii JPL vor colecta date de la MOXIE pentru a vedea cum se descurcă într-un mediu marțian real.
„În multe feluri, MOXIE nu ia cu adevărat date științifice”, a spus Aboobaker. Comparativ cu instrumentele științifice cum ar fi telescoapele sau spectrometrele, utilizate pentru a analiza probele de roci, datele colectate de la MOXIE sunt relativ simple. „Ceea ce avem este aproape ca ingineria datelor de telemetrie. Măsurăm tensiunile, curenții și temperaturile, așa ceva. Acestea sunt datele noastre, iar volumul de date este de fapt destul de mic. Aproape ai putea să o încadrezi pe o dischetă. ”
„Volumul de date este de fapt destul de mic. Aproape că l-ai putea încadra pe o dischetă ”
Asta înseamnă că echipa poate primi feedback foarte rapid cu privire la faptul dacă sistemul funcționează conform intenției - în câteva zile. Spre deosebire de alte instrumente de perseverență, pentru care analiza datelor durează săptămâni, luni sau chiar ani, MOXIE este o demonstrație practică la fel de mult ca un experiment.
„În multe feluri, ceea ce facem nu este știință, ci tehnologie”, a spus Aboobaker. „În general, vrem doar să știm dacă funcționează. Și, dacă am vrea să o extindem în viitor, care sunt tipurile de lucruri pe care ar trebui să le facem pentru a face asta? "
O stație McMurdo pentru Marte
Dacă MOXIE are succes, poate demonstra modul în care principiul ISRU poate funcționa pe Marte. Apoi, este relativ simplu să extindeți proiectul și să creați o versiune la scară completă care ar putea produce oxigen la o rată mult mai mare. Și vestea bună este că o versiune mai mare ar fi mai eficientă și ar putea produce o cantitate considerabilă de oxigen fără a necesita prea multă energie.
Cu oxigenul sortat, am putea trece la celelalte tipuri de resurse de care am avea nevoie pentru oamenii care trăiesc pe Marte. O altă dintre cele mai esențiale resurse de care am avea nevoie pentru a stabili o bază pe planetă este apa. Nu numai pentru a bea oamenii, ci și pentru că apa (sau hidrogenul) și dioxidul de carbon pot fi combinate într-o mare varietate de substanțe chimice utile.
"Ideea pe termen scurt este că vrem să facem o anumită cantitate de ISRU autonomă pentru a ne face fezabile misiunile", a spus Hecht. „Odată ce avem o bază pe planetă, cum ar fi Stația McMurdo din Antarctica sau Stația Spațială Internațională, atunci vă puteți gândi la tipuri mult mai agresive de ISRU, cum ar fi mineritul de gheață.
NASA / JPL-Caltech „Mulți oameni consideră că ar trebui să extragem gheața în mod autonom. Dar spun că nu, nu merită efortul. Gheața este un mineral, ceea ce înseamnă că trebuie să o prospectați, trebuie să o dezgropați, trebuie să o purificați. Va fi mai ușor să-l aduceți.
„În timp ce ceva de genul MOXIE este un copac mecanic. Respiră dioxid de carbon și respiră oxigen. ” Comparativ cu vânarea resurselor cum ar fi mineritul, MOXIE este mult mai simplu. „Nu trebuie să meargă nicăieri, nu trebuie să caute nimic. Acestea sunt tipurile de metode IRSU care sunt cu adevărat practice pe termen scurt. Respuiți restul până când aveți oameni la suprafață care pot face sarcini mai complicate. ”
Recompensă marțiană neașteptată
Marte are multă gheață de apă, dar se află la poli, în timp ce majoritatea misiunilor de pe Marte doresc să se concentreze pe aterizarea la ecuator, care este ca un deșert. Conceptele actuale de abordare a acestei probleme includ ideea cartografierii globale a gheții, unde locațiile cantităților mai mici de gheață ar putea fi cartografiate pentru o utilizare viitoare.
O altă opțiune este extragerea apei din mineralele din solul marțian. „Există minerale cum ar fi gipsul și sărurile Epsom care sunt sulfați și atrag multă apă”, a explicat Hecht. „Așadar, ai putea să le dezgropi și să le coaceți și să scoateți apa. Ați putea extrage solul pentru apă care este destul de abundentă. ”
Dar Marte nu are doar materiale similare cu cele pe care le găsim aici pe Pământ. De asemenea, are cantități mari dintr-o substanță chimică numită perclorat (ClO4), care este periculoasă pentru sănătatea umană și se găsește doar în cantități mici pe planeta noastră. În ciuda faptului că este toxică, această substanță ar putea fi extrem de utilă datorită proprietăților sale chimice, deoarece este utilizată în lucruri precum amplificatoare de rachete solide, artificii și airbag-uri.
„Pe Marte, cea mai mare parte a clorului din sol se dovedește a fi perclorat”, a spus Hecht. „Acesta reprezintă aproape 1% din sol. Și are o cantitate extraordinară de energie. Când eliberați atomi de oxigen din ClO4 pentru a produce Cl, eliberează o cantitate extraordinară de energie. Mereu m-am gândit că ar fi o resursă excelentă de recoltat. "
„Când eliberați atomi de oxigen din ClO4 pentru a produce Cl, eliberează o cantitate extraordinară de energie”
Problema cu acest lucru este că aceste aplicații sunt explozive, iar controlul reacției ClO4 este dificil. Cu toate acestea, există un sistem care are potențialul de a elibera ușor energia, folosind un reactor biologic.
„Microbii pot mânca aceste lucruri și pot produce energie”, a explicat Hecht. „Și oamenii au construit de fapt aceste tipuri de reactoare biologice, care sunt rezervoare de bacterii care digeră o anumită substanță și extrag energie din ea.
„Așadar, am această viziune a unui reactor biologic în spatele unui rover, iar astronautul intră și conduce. Și când indicatorul de putere scade, acestea ies și încep să împingă solul într-o pâlnie din spate, iar microbii mănâncă solul și produc energie, iar astronautul poate continua să conducă.
Este o idee nebună, dar acesta este conceptul meu de utilizare a resurselor pentru animale de companie. ”
O așteptare nervoasă
Deocamdată, inginerii MOXIE au făcut toate modificările și ajustările pe care le pot, instrumentul fiind deja livrat și integrat în roverul Perseverance. Va trebui să aștepte până când roverul va fi lansat în iulie și va ateriza pe planetă în februarie 2021 pentru a vedea dacă munca lor a dat roade și dacă pot crea de fapt oxigen pe Marte.
Dacă acesta este un succes, acesta deschide o lume cu totul nouă de resurse cu care putem explora Marte, folosind inventiv ceea ce găsim pentru a crea ceea ce avem nevoie.
