Elon Musk snakker ofte om å gjøre et SpaceX Starship klart for et bemannet oppdrag til Mars innen et tiår, med en første lansering av håndverket allerede neste år. Men så skremmende som å sende mennesker til en annen planet for første gang kan være, å komme dit er bare halvparten av utfordringen. Det store problemet er hvordan mennesker kan eksistere på overflaten av en planet med en uåndbar, tynn atmosfære, banket av kosmisk stråling, med frysende overflatetemperaturer, millioner av miles hjemmefra.
Vi ønsket å vite hvordan du vil gå frem for å forberede en fremmed planet for menneskelig bebyggelse, så vi snakket med to eksperter, Massachusetts Institute of Technology professor Michael Hecht og NASA-ingeniør Asad Aboobaker, for å finne ut hvordan du kan holde astronauter i live på en planet som ønsker for å drepe dem.
Et vindu av muligheter
Det er en viktig tidsforsinkelse å sende folk til den røde planeten. På grunn av banene til jorden og Mars er den enkleste måten å komme seg fra en planet til den andre ved å bruke en bane som kalles en Hohmann-overføringsbane, der et fartøy beveger seg i en bane som gradvis spiraler utover.
"Dette er på grunn av måten planetene roterer på," forklarte Hecht. “Jorden er inne i Mars bane, og den roterer raskere enn Mars, så den runder den et par ganger. Et Mars-år er nesten to jordår. ”
“Så du må ta tid på lanseringen. Og det er et vindu hvert Mars-år - hver 26. måned, på en tid som kalles Mars-opposisjon når Mars er nær Jorden. Så hver 26. måned har du muligheten til å skyte et romfartøy til Mars i denne optimale banen. ... Så planene for Mars er å sende infrastrukturen først, og deretter 26 måneder senere sender vi mannskapet. "
“Hver 26. måned har du muligheten til å skyte et romfartøy til Mars i denne optimale banen”
Å sende infrastruktur betyr ikke bare å sørge for at det er luft for astronautene å puste og mat for dem å spise. Det betyr også å sende og konstruere et kraftverk, et habitat, rovers og et oppstigningsbil for å tillate astronautene å dra når oppdraget er over.
Chris DeGraw / Digitale trender Hvorfor oksygen er så viktig
Det første store problemet å ta opp i å opprette en Mars-base er produksjonen av oksygen. Når du hører om å produsere oksygen på Mars, tenker du sannsynligvis på det mest grunnleggende menneskelige behovet: Å ha luft å puste. Og absolutt, vi trenger å finne en måte å produsere en pustende atmosfære i et inneholdt Mars-habitat. Men dette krever bare en relativt liten mengde oksygen sammenlignet med den store etterspørselen - drivstoff til raketten som vil skyte astronauter ut av overflaten.
"Vi prøver å lage rakettdrivmiddel," sa Hecht. "Vi prøver ikke å lage drivstoff, vi prøver å gjøre den delen av den kjemiske reaksjonen som på jorden vi aldri tenker på." Når du brenner bensin i bilmotoren din her på jorden, bruker du flere ganger vekten av drivstoffet i oksygen for å skape den reaksjonen. Det samme med å brenne en kubbe i en peis.
Getty Images / utdeling Imidlertid, "Hvis du går et sted der det ikke er gratis oksygen, må du ta det med deg," sa Hecht.
Moderne raketter har flytende oksygentanker som gir dette drivstoffet, og de danner en betydelig del av vekten ved sjøsetting.
"Vi trenger nærmere 30 tonn oksygen for å drive raketten for å ta astronautene fra planeten og i bane," sa Hecht. “Og hvis vi må ta de 30 tonn oksygen med oss til Mars, vil det presse hele oppdraget et tiår tilbake. Det er mye lettere å sende en tom tank og fylle den med oksygen der. "
Bruk av det som er tilgjengelig
For å skape oksygen på Mars jobber Hecht og hans kolleger med et konsept som kalles in situ resource utilization (ISRU). I hovedsak betyr det å bruke det som allerede er på Mars for å skape det vi trenger.
De har bygget et eksperiment kalt MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), som vil reise til Mars på NASA Perseverance Rover når den lanseres i sommer. Denne mini-versjonen av en potensielt mye større enhet tar inn karbondioksid, som er rikelig i marsatmosfæren, og produserer oksygen.
Det høres kanskje komplisert ut, men faktisk ligner enheten noe kjent her på jorden. "MOXIE er veldig likt en brenselcelle," sa Hecht. «Det er nesten identisk. Hvis du tok en brenselcelle og snudde de to ledningene som kom inn, ville du ha et elektrolysesystem. Det betyr at hvis dette var en brenselcelle, ville du ha et drivstoff og en oksidasjonsmiddel som viser seg et stabilt molekyl. Hvis det var karbonmonoksid som drivstoff og oksygen, ville det produsere karbondioksid. Du får også ut strøm.
Dette tar inn karbondioksid, som er rikelig i marsatmosfæren, og produserer oksygen
“Hvis du kjører den i omvendt retning, må du sette inn karbondioksid, og du må legge inn strøm. Men du får ut karbonmonoksid og oksygen. Slik vet vi hvordan vi skal gjøre dette. ”
Denne tilsynelatende enkle ideen er radikal fordi den takler et problem som knapt noen utenfor romfellesskapet tenker på som et problem: Å produsere oksygen. "Ingen vil lage oksygen på jorden - det har vi ingen grunn til," sa Hecht. “Vi har rikelig med det overalt. Men vi har mye kunnskap på grunn av brenselceller. ”
Hvordan bygge en oksygenmaskin
Å forstå de kjemiske prinsippene for å lage en oksygenmaskin er en ting, men å designe og bygge en versjon som kan passe inn i en rover er en annen. Asad Aboobaker, en termisk ingeniør for MOXIE ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) som har vært involvert i MOXIE-prosjektet gjennom hele utviklingen, forklarte hvordan eksperimentet ble bygget og noen av utfordringene JPL-teamet måtte takle:
"Den viktigste ressursbegrensningen vi hadde, i tillegg til masse og liten plass å jobbe med, var energi," sa han. “Roveren har en radioisotop termoelektrisk generator, som er en kjernekraftkilde. Så folk tror at roveren er kjernedrevet, men det er det ikke. Den er batteridrevet, med en kjernefysisk lader. "
NASA Det betyr at forskerne må være ekstremt forsiktige med hvor mye strøm de bruker for ikke å tømme batteriet. Hele Perseverance-roveren kjører på bare 110 watt, noe som er litt mer enn en lys lyspære.
I sin tur kan et eksperiment som MOXIE bare bruke en liten mengde kraft. "Så det satte en grense for hvor mye varmekraft vi kunne bruke til å varme den opp, hvor mye kraft kompressoren som blåser gassen inn i systemet kan trekke, og hvor lenge vi kan løpe i," sa Aboobaker.
Derfor er versjonen av MOXIE som reiser på Perseverance så liten, selv om systemet ville fungere like bra eller enda bedre i større skala.
Vi vil bare vite om det fungerer
Men å designe utstyret er bare den ene siden av eksperimentet - den andre siden sjekker om det faktisk fungerer på Mars. Selv med et konsept som fungerer solid her på jorden, kan det få uventede konsekvenser av fremmede miljøer, fra den tynne atmosfæren som påvirker hvordan varme overføres, til lagre som bæres på uventede måter på grunn av lavere tyngdekraft og ukjent støv. Derfor vil JPL-ingeniørene samle inn data fra MOXIE for å se hvordan det går i et ekte marsmiljø.
"På mange måter tar ikke MOXIE egentlig vitenskapelige data," sa Aboobaker. Sammenlignet med vitenskapelige instrumenter som teleskoper eller spektrometre, som brukes til å analysere steinprøver, er dataene som er samlet inn fra MOXIE relativt enkle. “Det vi har er nesten som ingeniørtelemeturdata. Vi måler spenninger og strømmer og temperaturer, sånne ting. Det er dataene våre, og datavolumet er faktisk ganske lite. Du kunne nesten plassere den på en diskett. ”
“Datavolumet er faktisk ganske lite. Du kan nesten plassere den på en diskett ”
Det betyr at teamet kan få veldig raske tilbakemeldinger på om systemet fungerer etter hensikten - i løpet av få dager. I motsetning til andre utholdenhetsinstrumenter, der dataanalyse tar uker, måneder eller til og med år, er MOXIE en praktisk demonstrasjon like mye som et eksperiment.
"På mange måter er det ikke vitenskap, det er teknologi," sa Aboobaker. “For det meste vil vi bare vite om det fungerer. Og hvis vi ønsket å skalere det opp i fremtiden, hva er det for slags ting vi trenger å gjøre for å gjøre det? "
En McMurdo-stasjon for Mars
Hvis MOXIE lykkes, kan det demonstrere hvordan ISRU-prinsippet kan fungere på Mars. Da er det relativt enkelt å skalere opp prosjektet og lage en fullskalaversjon som kan produsere oksygen i mye høyere hastighet. Og den gode nyheten er at en større versjon ville være mer effektiv og kunne produsere en betydelig mengde oksygen uten å kreve for mye strøm.
Med oksygen sortert, kan vi gå videre til de andre ressursene vi trenger for mennesker som bor på Mars. En annen av de viktigste ressursene vi trenger for å etablere en base på planeten er vann. Ikke bare for mennesker å drikke, men også fordi vann (eller hydrogen) og karbondioksid kan kombineres til et stort utvalg av nyttige kjemikalier.
"Tanken på kort sikt er at vi ønsker å gjøre en viss mengde autonom ISRU for å gjøre oppdragene våre gjennomførbare," sa Hecht. Når vi har en base på planeten, som McMurdo Station i Antarktis eller som den internasjonale romstasjonen, kan du tenke på mer aggressive typer ISRU, som å utvinne is.
NASA / JPL-Caltech “Mange mennesker føler at vi burde bryte etter is autonomt. Men jeg sier nei, det er ikke verdt innsatsen. Is er et mineral, noe som betyr at du må lete etter det, du må grave det opp, du må rense det. Det blir lettere å bare ta med den.
“Mens noe som MOXIE er et mekanisk tre. Den puster inn karbondioksid og puster ut oksygen. ” Sammenlignet med å jakte på ressurser som gruvedrift, er MOXIE mye enklere. “Det trenger ikke å gå noe sted, det trenger ikke å lete etter noe. Det er slike IRSU-metoder som er veldig praktiske på kort sikt. Du utsetter resten til du har folk på overflaten som kan gjøre mer kompliserte oppgaver. ”
Uventet Mars-dusør
Mars har rikelig med vannis, men den ligger ved polene, mens de fleste Mars-oppdrag vil fokusere på å lande ved ekvator, som er som en ørken. Nåværende konsepter for å takle dette problemet inkluderer ideen om global iskartlegging, der plasseringer av mindre mengder is kan kartlegges for fremtidig bruk.
Et annet alternativ er å utvinne vann fra mineralene i Mars-jorda. "Det er mineraler som gips og Epsom-salter som er sulfater og tiltrekker seg mye vann," forklarte Hecht. “Så du kunne grave dem opp og bake dem og få ut vannet. Du kan gruve jorden for vann som er ganske rikelig. ”
Men Mars har ikke bare lignende materialer som de vi finner her på jorden. Den har også store mengder av et kjemikalie kalt perklorat (ClO4) som er helseskadelig og bare finnes i små mengder på planeten vår. Til tross for at det er giftig, kan dette stoffet være ekstremt nyttig på grunn av dets kjemiske egenskaper, da det brukes i ting som solide rakettforsterkere, fyrverkeri og kollisjonsputer.
"På Mars viser det seg at det meste av klor i jorden er perklorat," sa Hecht. “Det utgjør nesten 1% av jorden. Og den har en enorm mengde energi. Når du frigjør oksygenatomer fra ClO4 for å lage Cl, frigjør det en enorm mengde energi. Jeg har alltid trodd at det ville være en god ressurs å høste. "
"Når du frigjør oksygenatomer fra ClO4 for å lage Cl, frigjør det en enorm mengde energi"
Problemet med dette er at alle disse applikasjonene er eksplosive, og det er utfordrende å kontrollere reaksjonen til ClO4. Imidlertid er det et system som har potensial til å frigjøre energien forsiktig ved hjelp av en biologisk reaktor.
"Mikrober kan spise disse tingene og produsere energi," forklarte Hecht. “Og folk har faktisk bygget slike biologiske reaktorer, som er tanker med bakterier som fordøyer noe stoff og utvinner energi fra det.
“Så jeg har denne visjonen om en biologisk reaktor på baksiden av en rover, og astronauten kommer inn og kjører rundt. Og når strømmåleren blir lav, kommer de ut og begynner å skyve jord i en beholder på baksiden, og mikroberne spiser jorden og lager energi, og astronauten kan fortsette å kjøre.
Det er en gal idé, men det er konseptet for kjæledyrressursutnyttelse. "
En nervøs ventetid
For nå har MOXIE-ingeniørene gjort alle justeringer og justeringer de kan, med instrumentet allerede levert og integrert i Perseverance-roveren. De må vente til roveren starter i juli og lander på planeten i februar 2021 for å se om deres harde arbeid har gitt resultat og om de faktisk kan skape oksygen på Mars.
Hvis det er en suksess, åpner det en helt ny verden av ressurser som vi kan utforske Mars ved å bruke oppfinnsomt på det vi finner for å skape det vi trenger.
