Jak postavit základnu na Marsu

Elon Musk často mluví o tom, jak připravit kosmickou loď SpaceX na misi s posádkou na Mars do deseti let, s prvním spuštěním plavidla již v příštím roce. Jakkoli může být zastrašování jako poprvé poslat lidi na jinou planetu, dostat se tam je jen polovina výzvy. Velkým problémem je, jak mohou lidé existovat na povrchu planety s nedýchatelnou, tenkou atmosférou, bušenou kosmickým zářením, s bodem mrazu, miliony kilometrů od domova.

Chtěli jsme vědět, jak se chystáte připravit mimozemskou planetu na lidské bydlení, a proto jsme mluvili se dvěma odborníky, profesorem z Massachusetts Institute of Technology Michaelem Hechtem a inženýrem NASA Asadem Aboobakerem, abychom zjistili, jak udržet astronauty naživu na planetě, která chce zabít je.

Okno příležitostí

Vysílání lidí na rudou planetu má zásadní časový posun. Kvůli oběžným dráhám Země a Marsu je nejjednodušší způsob, jak se dostat z jedné planety na druhou, pomocí trajektorie zvané Hohmannova přenosová oběžná dráha, ve které se plavidlo pohybuje na oběžné dráze, která se postupně spirálovitě pohybuje směrem ven.

"Je to kvůli způsobu otáčení planet," vysvětlil Hecht. "Země je uvnitř oběžné dráhy Marsu a otáčí se rychleji než Mars, takže ji několikrát propadne." Mars je téměř dva pozemské roky. “

"Takže spuštění musíte načasovat." A každý rok na Marsu je okno - každých 26 měsíců, v době zvané marťanská opozice, když je Mars blízko Země. Takže každých 26 měsíců máte příležitost vypustit kosmickou loď na Mars na této optimální oběžné dráze. … Takže plány na Mars jsou nejprve poslat infrastrukturu a pak o 26 měsíců později pošleme posádku. “

"Každých 26 měsíců máte příležitost vypustit kosmickou loď na Mars na této optimální oběžné dráze"

Odesílání infrastruktury neznamená jen zajistit, aby astronauti měli vzduch k dýchání a jídlo, které by mohli jíst. Znamená to také vyslat a postavit elektrárnu, stanoviště, vozítka a výstupové vozidlo, které umožní astronautům opustit, jakmile jejich mise skončí.

Chris DeGraw / Digitální trendy

Proč je kyslík tak důležitý

Prvním velkým problémem při zakládání základny na Marsu je výroba kyslíku. Když se dozvíte o produkci kyslíku na Marsu, pravděpodobně vás napadne ta nejzákladnější lidská potřeba: Dýchat vzduch. A určitě musíme najít způsob, jak vytvořit dýchatelnou atmosféru v uzavřeném prostředí Marsu. To ale vyžaduje jen relativně malé množství kyslíku ve srovnání s velkou poptávkou - hnacího plynu pro raketu, která vypustí astronauty z povrchu.

"Snažíme se vyrábět raketová paliva," řekl Hecht. "Nesnažíme se vyrábět palivo, snažíme se udělat tu část chemické reakce, na kterou na Zemi nikdy nemyslíme." Tady na Zemi, když spalujete benzín v motoru vašeho automobilu, použijete k dosažení této reakce několikanásobek hodnoty hmotnosti paliva v kyslíku. Totéž s vypalováním dřeva v krbu.

Getty Images / Handout

„Pokud však jdete někam, kde není volný kyslík, musíte si ho vzít s sebou,“ řekl Hecht.

Moderní rakety mají nádrže na kapalný kyslík, které zajišťují toto palivo, a při startu tvoří značnou část hmotnosti.

"K napájení této rakety bychom potřebovali téměř 30 tun kyslíku, abychom mohli tyto astronauty odnést z planety a na oběžnou dráhu," řekl Hecht. "A pokud musíme vzít 30 metrických tun kyslíku s sebou na Mars, posune to celou misi o deset let zpět." Je mnohem snazší poslat tam prázdnou nádrž a naplnit ji kyslíkem. “

Využití toho, co je k dispozici

Aby Hecht a jeho kolegové vytvořili kyslík na Marsu, pracují na konceptu zvaném využití zdrojů na místě (ISRU). V podstatě to znamená využít to, co již je na Marsu, k vytvoření toho, co potřebujeme.

Postavili experiment s názvem MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), který při svém startu letos v létě pocestuje na Mars pomocí roveru NASA Perseverance. Tato mini verze potenciálně mnohem většího zařízení přijímá oxid uhličitý, který je v atmosféře Marsu bohatý, a produkuje kyslík.

To může znít komplikovaně, ale ve skutečnosti je zařízení podobné něčemu dobře známému tady na Zemi. "MOXIE je velmi podobný palivovému článku," řekl Hecht. "Je to téměř identické." Pokud byste vzali palivový článek a obrátili dva přivádějící vodiče, měli byste elektrolýzní systém. To znamená, že pokud by se jednalo o palivový článek, měli byste palivo a okysličovadlo, které by vytvořily stabilní molekulu. Pokud by to byl oxid uhelnatý jako palivo a kyslík, vytvořil by se oxid uhličitý. Dostanete také elektřinu.

Tím se absorbuje oxid uhličitý, který je v marťanské atmosféře bohatý, a produkuje kyslík

"Pokud to spustíte opačně, musíte zavést oxid uhličitý a musíte zavést elektřinu." Ale dostanete kysličník uhelnatý a kyslík. Takto víme, jak to udělat. “

Tato zdánlivě jednoduchá myšlenka je radikální, protože řeší problém, který si sotva někdo mimo vesmírnou komunitu představí jako problém: Produkce kyslíku. "Nikdo nechce na Zemi vyrábět kyslík - nemáme důvod," řekl Hecht. "Máme toho všude dost." Ale díky palivovým článkům máme spoustu znalostí. “

Jak postavit kyslíkový přístroj

Pochopení chemických principů výroby kyslíkového stroje je jedna věc, ale navrhování a konstrukce verze, která se vejde do roveru, je druhá. Asad Aboobaker, tepelný inženýr společnosti MOXIE v laboratoři Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA, který se podílel na projektu MOXIE po celou dobu jeho vývoje, vysvětlil, jak byl experiment postaven, a některé výzvy, které musel tým JPL řešit:

"Hlavním omezením zdrojů, které jsme měli, kromě hmoty a malého prostoru pro práci, byla energie," řekl. "Rover má radioizotopový termoelektrický generátor, který je zdrojem jaderné energie." Lidé si tedy myslí, že rover je poháněn jadernou energií, ale není tomu tak. Je napájen baterií a má jadernou nabíječku. “

NASA

To znamená, že vědci musí být velmi opatrní, kolik energie používají, aby nevybíjeli baterii. Celý rover Perseverance běží pouze na 110 wattů, což je jen o něco více než jasná žárovka.

Experiment jako MOXIE zase může využívat jen malé množství energie. "Takže to stanovilo limit, kolik energie ohřívače bychom mohli použít k jeho zahřátí, kolik energie může čerpat kompresor, který fouká plyn do systému, a jak dlouho můžeme běžet," řekl Aboobaker.

Proto je verze MOXIE cestování na Perseverance tak malá, i když by systém fungoval stejně dobře nebo ještě lépe ve větším měřítku.

Chceme jen vědět, jestli to funguje

Návrh zařízení je však pouze jednou stranou experimentu - druhá strana kontroluje, zda skutečně funguje na Marsu. I s konceptem, který spolehlivě funguje zde na Zemi, mohou nastat neočekávané důsledky mimozemského prostředí, od tenké atmosféry, která ovlivňuje přenos tepla, až po ložiska, která se neočekávaně nosí kvůli nižší gravitaci a neznámému prachu. Proto budou inženýři JPL shromažďovat data z MOXIE, aby zjistili, jak se daří ve skutečném marťanském prostředí.

"MOXIE v mnoha ohledech ve skutečnosti nebere vědecká data," řekl Aboobaker. Ve srovnání s vědeckými nástroji, jako jsou dalekohledy nebo spektrometry, které se používají k analýze vzorků hornin, jsou data shromážděná z MOXIE relativně jednoduchá. "To, co máme, je skoro jako inženýrská telemetrická data." Měříme napětí, proudy a teploty, podobné věci. To jsou naše data a objem dat je ve skutečnosti poměrně malý. Skoro by se to vešlo na disketu. “

"Objem dat je ve skutečnosti poměrně malý." Skoro by se to vešlo na disketu “

To znamená, že tým může získat velmi rychlou zpětnou vazbu o tom, zda systém funguje podle očekávání - během několika dní. Na rozdíl od jiných nástrojů Perseverance, u nichž analýza dat trvá týdny, měsíce nebo dokonce roky, je MOXIE praktickou ukázkou stejně jako experiment.

"V mnoha ohledech to, co děláme, není věda, ale technologie," řekl Aboobaker. "Většinou chceme jen vědět, jestli to funguje." A pokud bychom to chtěli v budoucnu rozšířit, jaké druhy věcí bychom k tomu měli udělat? “

Stanice McMurdo pro Mars

Pokud bude MOXIE úspěšný, může ukázat, jak může princip ISRU fungovat na Marsu. Pak je relativně jednoduché projekt zvětšit a vytvořit plnohodnotnou verzi, která by mohla produkovat kyslík mnohem vyšší rychlostí. A dobrou zprávou je, že větší verze by byla účinnější a mohla by produkovat značné množství kyslíku, aniž by vyžadovala příliš mnoho energie.

S tříděným kyslíkem bychom mohli přejít na další druhy zdrojů, které potřebujeme pro lidi žijící na Marsu. Dalším z nejdůležitějších zdrojů, které bychom potřebovali k založení základny na planetě, je voda. Nejen k pití pro lidi, ale také proto, že vodu (nebo vodík) a oxid uhličitý lze kombinovat do široké škály užitečných chemikálií.

"Myšlenka z krátkodobého hlediska je, že chceme udělat určité množství autonomních ISRU, aby byly naše mise proveditelné," řekl Hecht. "Jakmile budeme mít na planetě základnu, jako je stanice McMurdo v Antarktidě nebo jako Mezinárodní vesmírná stanice, pak můžete přemýšlet o mnohem agresivnějších typech ISRU, jako je těžba ledu."

NASA / JPL-Caltech

"Mnoho lidí má pocit, že bychom měli těžit led samostatně." Ale já říkám ne, nestojí to za námahu. Led je minerál, což znamená, že ho musíte hledat, musíte ho vykopat, musíte ho očistit. Bude snazší to jen přinést.

"Zatímco něco jako MOXIE je mechanický strom." Dýchá v oxidu uhličitém a dýchá kyslík. “ Ve srovnání s lovem zdrojů, jako je těžba, je MOXIE mnohem jednodušší. "Nemusí nikam chodit, nemusí nic hledat." Jedná se o druhy metod IRSU, které jsou z krátkodobého hlediska skutečně praktické. Zbytek odložíte, dokud nebudete mít na povrchu lidi, kteří dokážou složitější úkoly. “

Neočekávaná marťanská odměna

Mars má spoustu vodního ledu, ale nachází se na pólech, zatímco většina misí Marsu se chce zaměřit na přistání na rovníku, který je jako poušť. Současné koncepty řešení tohoto problému zahrnují myšlenku globálního mapování ledu, kde by bylo možné mapovat umístění menšího množství ledu pro budoucí použití.

Další možností je extrahovat vodu z minerálů v marťanské půdě. "Existují minerály jako sádra a epsomové soli, které jsou sulfáty a přitahují hodně vody," vysvětlil Hecht. "Takže bys je mohl vykopat, upéct a vypustit vodu." Mohli byste těžit půdu na vodu, která je docela hojná. “

Mars však nemá pouze podobné materiály jako ty, které najdeme zde na Zemi. Má také velké množství chemické látky zvané chloristan (ClO4), která je nebezpečná pro lidské zdraví a na naší planetě se vyskytuje pouze v malém množství. Přestože je tato látka toxická, může být díky svým chemickým vlastnostem mimořádně užitečná, protože se používá například v posilovačích raket na tuhá paliva, ohňostrojích a airbagech.

"Na Marsu se ukázalo, že většina chloru v půdě je chloristan," řekl Hecht. "Tvoří téměř 1% půdy." A má obrovské množství energie. Když uvolníte atomy kyslíku z ClO4 a vytvoříte Cl, uvolní to obrovské množství energie. Vždy jsem si myslel, že to bude skvělý zdroj pro sklizeň. “

"Když uvolníte atomy kyslíku z ClO4, abyste vytvořili Cl, uvolní obrovské množství energie"

Problém je v tom, že všechny tyto aplikace jsou výbušné a řízení reakce ClO4 je náročné. Existuje však systém, který má potenciál jemně uvolňovat energii pomocí biologického reaktoru.

"Mikroby mohou tyto věci jíst a vyrábět energii," vysvětlil Hecht. "A lidé vlastně postavili takové druhy biologických reaktorů, které jsou nádržemi bakterií, které tráví nějakou látku a získávají z ní energii."

"Takže mám tu vizi biologického reaktoru v zadní části roveru a astronaut nastupuje a jezdí kolem." A když se manometr sníží, vystoupí a začnou házet půdu do násypky vzadu a mikroby jí půdu a vyrábějí energii a astronaut může pokračovat v jízdě.

Je to šílený nápad, ale to je můj koncept využití zdrojů pro domácí mazlíčky. “

Nervózní čekání

Prozatím inženýři MOXIE provedli veškerá vylepšení a úpravy, které mohou, s již dodaným nástrojem a integrovaným do roveru Perseverance. Budou si muset počkat, až se v červenci vypustí rover a v únoru 2021 přistane na planetě, aby zjistili, zda se jejich tvrdá práce vyplatila a zda mohou na Marsu skutečně vytvářet kyslík.

Pokud je to úspěch, otevírá to zcela nový svět zdrojů, s nimiž můžeme zkoumat Mars, a vynalézavě využívat to, co najdeme, k vytvoření toho, co potřebujeme.

Poslední příspěvky