Ілон Маск часто говорить про підготовку космічного корабля SpaceX до пілотованої місії на Марс протягом десятиліття, а перший запуск корабля відбудеться вже наступного року. Але настільки лякаючим, як і відправлення людей на іншу планету вперше, дістатися до них є лише половинною проблемою. Велика проблема полягає в тому, як люди можуть існувати на поверхні планети з непроникною для дихання тонкою атмосферою, розбитою космічним випромінюванням, із замерзаючою поверхневою температурою за мільйони миль від дому.
Ми хотіли дізнатись, як ви готуєтеся до підготовки інопланетної планети для проживання людей, тому ми поговорили з двома експертами, професором Массачусетського технологічного інституту Майклом Хехтом та інженером NASA Асадом Абабукером, щоб дізнатись, як зберегти астронавтів у живих на планеті, яка хоче щоб їх вбити.
Вікно можливостей
У відправленні людей на червону планету є істотний часовий проміжок часу. Через орбіти Землі та Марса найпростіший спосіб перебратися з однієї планети на іншу - це використання траєкторії, що називається орбітою переносу Гомана, за якою корабель рухається по орбіті, яка поступово спіралює назовні.
"Це через спосіб обертання планет", - пояснив Гехт. «Земля знаходиться всередині орбіти Марса, і вона обертається швидше, ніж Марс, тому пару раз перевертає її. Марсовий рік - це майже два земні роки ".
“Отже, вам потрібно встановити час запуску. І є вікно кожного Марсового року - кожні 26 місяців, в той час, коли Марс знаходиться поблизу Землі, який називається опозицією Марса. Тож кожні 26 місяців у вас є можливість запустити космічний корабель на Марс на цій оптимальній орбіті. … Тож у планах Марса спочатку надіслати інфраструктуру, а потім через 26 місяців ми надішлемо екіпаж ".
"Кожні 26 місяців у вас є можливість запускати космічний корабель на Марс на цій оптимальній орбіті"
Надсилання інфраструктури не означає просто переконатися, що для астронавтів є повітря і їжа для них. Це також означає відправлення та будівництво електростанції, середовища проживання, марсоходів та транспортного засобу для підйому, щоб астронавти могли виїхати, коли їхня місія закінчиться.
Кріс Деграу / Цифрові тенденції Чому кисень так важливий
Першим великим питанням, яке слід вирішити при створенні бази Марса, є виробництво кисню. Почувши про вироблення кисню на Марсі, ви, мабуть, думаєте про найосновнішу людську потребу: мати повітря для дихання. І, звичайно, нам потрібно знайти спосіб створити дихаючу атмосферу в середовищі існування Марса. Але для цього потрібна лише відносно невелика кількість кисню порівняно з великим попитом - запасом палива для ракети, яка виведе астронавтів з поверхні.
"Ми намагаємось зробити ракетне паливо", - сказав Гехт. "Ми не намагаємось виробляти паливо, ми намагаємось зробити ту частину хімічної реакції, про яку на Землі ми ніколи не думаємо". Тут, на Землі, коли ви спалюєте бензин в двигуні свого автомобіля, ви використовуєте кілька разів вагу палива в кисні, щоб створити цю реакцію. Те саме з випалюванням колоди в каміні.
Getty Images / Роздатковий матеріал Однак, "якщо ви їдете кудись, де немає вільного кисню, вам потрібно взяти його з собою", - сказав Гехт.
Сучасні ракети мають ємності з рідким киснем, які забезпечують це паливо, і вони складають значну частину ваги при запуску.
"Нам знадобиться близько 30 метричних тонн кисню для живлення цієї ракети, щоб вивести цих космонавтів з планети на орбіту", - сказав Хехт. "І якщо нам доведеться взяти з собою на Марс цих 30 метричних тонн кисню, це відсуне всю місію на десять років назад. Набагато простіше відправити порожній резервуар і наповнити його киснем ».
Використовуючи те, що доступно
Щоб створити кисень на Марсі, Гехт та його колеги працюють над концепцією, яка називається використання ресурсів in situ (ISRU). По суті, це означає використовувати те, що вже є на Марсі, щоб створити те, що нам потрібно.
Вони побудували експеримент під назвою MOXIE (експеримент із використання ресурсів Mars Oxygen In-Situ), який вирушить на Марс на марсоході NASA Perseverance, коли він стартує цього літа. Ця міні-версія потенційно набагато більшого пристрою приймає вуглекислий газ, якого багато в марсіанській атмосфері, 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 Хехт. "Це майже ідентично. Якби ви взяли паливний елемент і змінили два дроти, що надходять, у вас була б система електролізу. Це означає, що якби це був паливний елемент, у вас було б паливо та окислювач, які вийшли б стабільними молекулами. Якби це був оксид вуглецю як паливо та кисень, він би утворював вуглекислий газ. Ви також отримуєте електрику.
Це поглинає вуглекислий газ, якого багато в марсіанській атмосфері, і виробляє кисень
«Якщо ви запускаєте його в зворотному напрямку, ви повинні ввести вуглекислий газ і електроенергію. Але ви отримуєте окис вуглецю та кисень. Ось як ми знаємо, як це зробити ”.
Ця, здавалося б, проста ідея є радикальною, оскільки вона вирішує проблему, про яку навряд чи хтось із космічного співтовариства вважає проблемою: виробництво кисню. "Ніхто не хоче виробляти кисень на Землі - у нас немає причин", - сказав Гехт. “У нас цього вдосталь скрізь. Але завдяки паливним елементам ми маємо багато знань ».
Як побудувати кисневу машину
Розуміння хімічних принципів створення кисневої машини - це одне, але проектування та побудова версії, яка може вміститися в ровер - це інше. Асад Абубейкер, інженер-теплотехнік MOXIE в лабораторії реактивного руху НАСА (JPL), який брав участь у проекті MOXIE протягом усього свого розвитку, пояснив, як будувався експеримент та деякі проблеми, з якими доводилося боротися команді JPL:
"Основним обмеженням ресурсів, яке ми мали, крім маси та невеликого простору для роботи, була енергія", - сказав він. «Ровер має радіоізотопний термоелектричний генератор, який є ядерним джерелом енергії. Тож люди думають, що марсохід працює на атомній енергії, але це не так. Він працює на акумуляторі, із зарядним пристроєм для ядерної цівки ”.
NASA Це означає, що дослідники повинні бути надзвичайно обережними з тим, скільки енергії вони використовують, щоб не розрядити акумулятор. Весь ровер Perseverance працює лише на 110 Вт, що трохи більше, ніж яскрава лампочка.
У свою чергу, такий експеримент, як MOXIE, може використовувати лише невелику кількість енергії. "Отже, це встановило обмеження кількості енергії нагрівача, яку ми могли б використати для його нагрівання, скільки потужності може витратити компресор, який вдуває газ в систему, і як довго ми можемо працювати", - сказав Aboobaker.
Ось чому версія MOXIE, яка подорожує на Постійність, настільки мала, хоча система могла б працювати так само добре чи навіть краще у більших масштабах.
Ми просто хочемо знати, чи це працює
Але проектування обладнання - це лише одна сторона експерименту - інша сторона перевіряє, чи дійсно воно працює на Марсі. Навіть при концепції, яка надійно працює тут, на Землі, можуть виникнути несподівані наслідки чужорідного середовища, від тонкої атмосфери, що впливає на передачу тепла, до підшипників, які несподівано зношуються через нижчу гравітацію та незнайомий пил. Ось чому інженери JPL збиратимуть дані від MOXIE, щоб побачити, як це працює в реальному марсіанському середовищі.
"Багато в чому MOXIE насправді не приймає наукові дані", - сказав Aboobaker. Порівняно з такими науковими приладами, як телескопи або спектрометри, що використовуються для аналізу зразків гірських порід, дані, зібрані з MOXIE, відносно прості. «Те, що ми маємо, майже схоже на дані інженерної телеметрії. Ми вимірюємо напруги, струми та температури, подібні речі. Це наші дані, а обсяг даних насправді досить малий. Ви могли б майже помістити його на дискету ".
“Обсяг даних насправді досить малий. Ви могли б майже помістити його на дискету »
Це означає, що команда може отримати дуже швидкий відгук про те, чи працює система за призначенням - протягом декількох днів. На відміну від інших інструментів наполегливості, для яких аналіз даних займає тижні, місяці чи навіть роки, MOXIE - це практична демонстрація, рівна експерименту.
"Багато в чому те, що ми робимо, - це не наука, це технологія", - сказав Aboobaker. “Здебільшого ми просто хочемо знати, чи це працює. І якщо ми хотіли б масштабувати це в майбутньому, які саме речі нам потрібно робити, щоб це зробити? "
Станція МакМердо для Марса
Якщо MOXIE досягне успіху, він може продемонструвати, як принцип ISRU може працювати на Марсі. Тоді порівняно просто масштабувати проект і створювати повномасштабну версію, яка може виробляти кисень набагато вищою швидкістю. І хороша новина полягає в тому, що більша версія буде більш ефективною і може виробляти значну кількість кисню, не вимагаючи занадто великої потужності.
За допомогою сортування кисню ми могли б перейти до інших видів ресурсів, необхідних нам для людей, що живуть на Марсі. Іншим найважливішим ресурсом, який нам потрібен для створення бази на планеті, є вода. Не тільки для пиття людиною, але й тому, що вода (або водень) і вуглекислий газ можуть поєднуватися у величезну кількість корисних хімічних речовин.
"Ідея в короткостроковій перспективі полягає в тому, що ми хочемо зробити певну кількість автономних ISRU, щоб зробити наші місії здійсненними", - сказав Хехт. “Як тільки ми отримаємо базу на планеті, як станція Мак-Мердо в Антарктиді чи Міжнародна космічна станція, ви зможете подумати про більш агресивні типи ISRU, такі як видобуток льоду.
NASA / JPL-Caltech “Багато людей вважають, що ми повинні видобувати лід автономно. Але я кажу ні, це не вартує зусиль. Лід - це мінерал, це означає, що вам потрібно його шукати, його потрібно викопати, очистити. Буде легше просто принести.
“Тоді як щось на зразок MOXIE - це механічне дерево. Він вдихає вуглекислий газ і випускає кисень ". У порівнянні з вишукуванням таких ресурсів, як видобуток корисних копалин, MOXIE набагато простіший. «Це не повинно нікуди йти, 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, які можуть виконувати більш складні завдання ".
Несподівана марсіанська щедрість
На Марсі справді багато водяного льоду, але він розташований на полюсах, тоді як більшість місій на Марсі хочуть зосередитись на посадці на екваторі, який схожий на пустелю. Поточні концепції вирішення цього питання включають ідею глобального картографування льоду, де місця розташування меншої кількості льоду можуть бути картографічні для подальшого використання.
Інший варіант - добувати воду з мінералів у марсіанському грунті. "Є такі мінерали, як гіпс і солі Епсома, які є сульфатами і залучають багато води", - пояснив Хехт. “Тож ти міг їх викопати, спекти і витягнути воду. Ви можете видобувати грунт для води, якої досить багато ».
Але Марс має не тільки подібні матеріали до тих, які ми знаходимо тут, на Землі. У ньому також є велика кількість хімічної речовини, що називається перхлорат (ClO4), яка є небезпечною для здоров’я людини і лише у малих кількостях зустрічається на нашій планеті. Незважаючи на свою токсичність, ця речовина може бути надзвичайно корисною завдяки своїм хімічним властивостям, оскільки вона використовується в таких речовинах, як тверді ракети-носії, феєрверки та подушки безпеки.
"На Марсі більша частина хлору в ґрунті виявляється перхлоратом", - сказав Гехт. «Це становить майже 1% ґрунту. І він має величезну кількість енергії. Коли ви звільняєте атоми кисню від ClO4, щоб утворити Cl, він виділяє величезну кількість енергії. Я завжди думав, що це буде чудовий ресурс для збору врожаю ".
"Коли ви звільняєте атоми кисню від ClO4, щоб утворити Cl, він виділяє величезну кількість енергії"
Проблема в цьому полягає в тому, що всі ці програми є вибухонебезпечними, і контроль реакції ClO4 є складним завданням. Однак існує система, яка має потенціал м’яко виділяти енергію, використовуючи біологічний реактор.
"Мікроби можуть їсти ці речовини і виробляти енергію", - пояснив Хехт. «І люди насправді побудували такі біологічні реактори, які є цистернами з бактеріями, які перетравлюють якусь речовину і витягують з неї енергію.
«Отже, я бачу біологічний реактор у задній частині ровера, і космонавт заходить і їздить навколо. А коли показник потужності стає низьким, вони вилазять і починають перекидати землю в бункер ззаду, а мікроби поїдають грунт і отримують енергію, і астронавт може продовжувати їздити.
Це божевільна ідея, але це моя концепція використання ресурсів для домашніх тварин ".
Нервове очікування
На даний момент інженери MOXIE зробили всі налаштування та налаштування, які вони могли, завдяки тому, що прилад вже поставлений та інтегрований у марсохід Perseverance. Їм доведеться почекати, поки марсохід стартує в липні і приземлиться на планету в лютому 2021 року, щоб перевірити, чи окупилася їхня напружена робота і чи зможуть вони насправді створювати кисень на Марсі.
Якщо це вдається, це відкриває цілий новий світ ресурсів, за допомогою яких ми можемо досліджувати Марс, винахідливо використовуючи те, що знаходимо, для створення того, що нам потрібно.
