Elon Musk často hovorí o tom, ako pripraviť vesmírnu loď SpaceX na misiu s posádkou na Mars do desiatich rokov, s prvým spustením plavidla už budúci rok. Ale tak zastrašujúce, ako môže byť posielanie ľudí na inú planétu prvýkrát, je dostať sa tam len s polovičnou výzvou. Veľkým problémom je, ako môžu ľudia existovať na povrchu planéty s nedýchateľnou, riedkou atmosférou, ktorú ovplyvňuje kozmické žiarenie, s bodom mrazu, milióny kilometrov od domova.
Chceli sme vedieť, ako pôjdete pri príprave cudzej planéty na ľudské bývanie, a preto sme sa rozprávali s dvoma odborníkmi, profesorom z Massachusettského technologického inštitútu Michaelom Hechtom a inžinierom NASA Asadom Aboobakerom, aby sme zistili, ako udržať astronautov nažive na planéte, ktorá zabiť ich.
Okno príležitosti
Vysielanie ľudí na červenú planétu má zásadný časový posun. Najjednoduchší spôsob, ako sa dostať z jednej planéty na druhú, je obežná dráha Zeme a Marsu pomocou trajektórie nazývanej Hohmannova prenosová obežná dráha, v ktorej sa plavidlo pohybuje na obežnej dráhe, ktorá sa postupne šíri smerom von.
"Je to kvôli spôsobu rotácie planét," vysvetlil Hecht. "Zem je vo vnútri obežnej dráhy Marsu a rotuje rýchlejšie ako Mars, takže ju niekoľkokrát preklopí." Mars je takmer dva pozemské roky. “
"Takže si musíte načasovať štart." A každý rok na Marse je okno - každých 26 mesiacov, v čase nazývanom opozícia Marsu, keď je Mars blízko Zeme. Takže každých 26 mesiacov máte príležitosť vyniesť na túto optimálnu obežnú dráhu kozmickú loď na Mars. ... Takže plány na Mars spočívajú v odoslaní infraštruktúry najskôr a potom o 26 mesiacov neskôr pošleme posádku. “
"Každých 26 mesiacov máte príležitosť vyniesť kozmickú loď na Mars na tejto optimálnej obežnej dráhe"
Odosielanie infraštruktúry neznamená iba zabezpečenie toho, aby mali astronauti dostatok vzduchu na dýchanie a aby mohli jesť. Znamená to tiež vyslať a postaviť elektráreň, biotop, rovery a výstupové vozidlo, ktoré astronautom umožnia opustiť, keď sa ich misia skončí.
Chris DeGraw / Digitálne trendy Prečo je kyslík taký dôležitý
Prvým veľkým problémom, ktorý je potrebné vyriešiť pri zakladaní základne na Marse, je výroba kyslíka. Keď sa dozviete o produkcii kyslíka na Marse, pravdepodobne vás napadne najzákladnejšia ľudská potreba: Dýchať vzduch. A určite musíme nájsť spôsob, ako vytvoriť dýchateľnú atmosféru v uzavretom biotope Marsu. To si ale vyžaduje len relatívne malé množstvo kyslíka v porovnaní s veľkým dopytom - po hnacom plyne pre raketu, ktorá vypustí astronautov z povrchu.
"Snažíme sa vyrobiť raketový pohon," povedal Hecht. "Nesnažíme sa vyrábať palivo, snažíme sa dosiahnuť časť chemickej reakcie, o ktorej na Zemi nikdy neuvažujeme." Keď tu na Zemi spaľujete benzín v motore vášho automobilu, na vytvorenie tejto reakcie použijete niekoľkonásobne väčšiu váhu ako palivo v kyslíku. To isté s horením guľatiny v krbe.
Getty Images / Podklady „Ak však niekam idete, nie je voľný kyslík, musíte si ho vziať so sebou,“ povedal Hecht.
Moderné rakety majú nádrže na kvapalný kyslík, ktoré poskytujú toto palivo, a pri štarte tvoria značnú časť hmotnosti.
"Na pohon tejto rakety by sme potrebovali takmer 30 metrických ton kyslíka, aby sme týchto astronautov odniesli z planéty a na obežnú dráhu," uviedol Hecht. "A ak musíme vziať so sebou tých 30 metrických ton kyslíka na Mars, posunie to celú misiu o desaťročie dozadu." Je oveľa jednoduchšie poslať tam prázdnu nádrž a doplniť ju kyslíkom. “
Využite to, čo je k dispozícii
Na vytvorení kyslíka na Marse Hecht a jeho kolegovia pracujú na koncepcii zvanej využitie zdrojov in-situ (ISRU). V podstate to znamená využiť to, čo už je na Marse, na vytvorenie toho, čo potrebujeme.
Postavili experiment s názvom MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), ktorý pri svojom štarte toto leto poputuje na Mars pomocou roveru NASA Perseverance. Táto mini verzia potenciálne oveľa väčšieho zariadenia prijíma oxid uhličitý, ktorého je v atmosfére Marsu dostatok, a produkuje kyslík.
To by mohlo znieť komplikovane, ale v skutočnosti je zariadenie podobné niečomu dobre známemu tu na Zemi. "MOXIE je veľmi podobný palivovému článku," povedal Hecht. "Je to takmer identické." Keby ste vzali palivový článok a reverzovali dva prichádzajúce vodiče, mali by ste elektrolýzny systém. To znamená, že ak by išlo o palivový článok, mali by ste palivo a oxidačné činidlo, ktoré by vytvorili stabilnú molekulu. Keby to bol oxid uhoľnatý ako palivo a kyslík, vytvoril by sa oxid uhličitý. Dostanete aj elektrinu.
Prijíma sa v ňom oxid uhličitý, ktorého je v marťanskej atmosfére dostatok, a produkuje kyslík
"Ak to nastavíte opačným smerom, musíte vložiť oxid uhličitý a elektrinu." Ale dostanete von oxid uhoľnatý a kyslík. Takto vieme, ako to urobiť. “
Táto zdanlivo jednoduchá myšlienka je radikálna, pretože rieši problém, ktorý sotva niekto mimo vesmírnej komunity považuje za problém: Výroba kyslíka. "Nikto nechce na Zemi vyrábať kyslík - nemáme na to dôvod," povedal Hecht. "Máme ho všade veľa." Ale vďaka palivovým článkom máme veľa vedomostí. “
Ako zostrojiť kyslíkový prístroj
Pochopenie chemických princípov vytvorenia kyslíkového prístroja je jedna vec, ale navrhnúť a vyrobiť verziu, ktorá sa zmestí do roveru, je druhá. Asad Aboobaker, tepelný inžinier pre MOXIE v laboratóriu Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA, ktorý sa podieľal na projekte MOXIE počas jeho vývoja, vysvetlil, ako bol experiment postavený, a niektoré výzvy, ktorým sa musel tím JPL venovať:
"Hlavným obmedzením zdrojov, ktoré sme mali, okrem hmotnosti a malého priestoru na prácu, bola energia," uviedol. "Rover má rádioizotopový termoelektrický generátor, ktorý je zdrojom jadrovej energie." Ľudia si teda myslia, že rover má jadrový pohon, ale nie je to tak. Je napájaný z batérií a je vybavený jadrovou nabíjačkou. “
NASA To znamená, že vedci musia byť mimoriadne opatrní, koľko energie používajú, aby nevybíjali batériu. Celý rover Perseverance beží iba na 110 wattoch, čo je len o niečo viac ako žiarivá žiarovka.
Experiment ako MOXIE zase môže spotrebovať iba malé množstvo energie. "Takže to stanovilo limit, koľko energie ohrievača by sme mohli použiť na jeho ohriatie, koľko energie môže čerpať kompresor, ktorý vháňa plyn do systému, a ako dlho môžeme pracovať," uviedol Aboobaker.
Preto je verzia MOXIE cestujúca na Perseverance taká malá, aj keď by systém fungoval rovnako dobre alebo ešte lepšie vo väčšom meradle.
Chceme len vedieť, či to funguje
Návrh zariadenia je však iba jednou stranou experimentu - druhá strana kontroluje, či skutočne funguje na Marse. Aj pri koncepcii, ktorá tu na Zemi funguje solídne, môžu nastať neočakávané následky mimozemského prostredia, od riedkej atmosféry ovplyvňujúcej spôsob prenosu tepla, až po ložiská, ktoré sa neočakávane nosia kvôli nižšej gravitácii a neznámemu prachu. Preto budú inžinieri JPL zhromažďovať údaje z MOXIE, aby zistili, ako sa im darí v skutočnom marťanskom prostredí.
"V mnohých ohľadoch MOXIE skutočne neberie vedecké údaje," povedal Aboobaker. V porovnaní s vedeckými prístrojmi, ako sú ďalekohľady alebo spektrometre, ktoré sa používajú na analýzu vzoriek hornín, sú údaje zhromaždené z MOXIE pomerne jednoduché. "To, čo máme, je skoro ako inžinierske telemetrické údaje." Meriame napätia a prúdy a teploty, podobné veci. To sú naše údaje a objem dát je v skutočnosti dosť malý. Skoro by sa to zmestilo na disketu. “
"Objem dát je v skutočnosti dosť malý." Skoro by sa to zmestilo na disketu “
To znamená, že tím môže získať veľmi rýchlu spätnú väzbu o tom, či systém funguje podľa očakávaní - do niekoľkých dní. Na rozdiel od iných nástrojov vytrvalosti, pre ktoré analýza dát trvá týždne, mesiace alebo dokonca roky, je MOXIE praktickou ukážkou rovnako ako experiment.
"V mnohých ohľadoch to, čo robíme, nie je veda, ale technológia," uviedol Aboobaker. "Väčšinou by sme len chceli vedieť, či to funguje." A ak by sme to chceli v budúcnosti zväčšiť, aké sú druhy vecí, ktoré by sme k tomu museli urobiť? “
Stanica McMurdo pre Mars
Ak bude MOXIE úspešná, môže preukázať, ako môže princíp ISRU fungovať na Marse. Potom je pomerne jednoduché zväčšiť projekt a vytvoriť verziu v plnom rozsahu, ktorá by mohla produkovať kyslík oveľa vyššou rýchlosťou. A dobrou správou je, že väčšia verzia by bola účinnejšia a mohla by produkovať značné množstvo kyslíka bez toho, aby vyžadovala príliš veľa energie.
S triedeným kyslíkom by sme sa mohli presunúť k ďalším druhom zdrojov, ktoré by sme potrebovali pre ľudí žijúcich na Marse. Ďalším z najdôležitejších zdrojov, ktoré by sme potrebovali na založenie základne na planéte, je voda. Nielen na pitie ľuďmi, ale aj preto, že vodu (alebo vodík) a oxid uhličitý je možné kombinovať do veľkého množstva užitočných chemikálií.
"Myšlienka z krátkodobého hľadiska je, že chceme urobiť určité množstvo autonómneho ISRU, aby boli naše misie uskutočniteľné," uviedol Hecht. "Keď už máme základňu na planéte, napríklad stanicu McMurdo v Antarktíde alebo Medzinárodnú vesmírnu stanicu, potom môžete uvažovať o oveľa agresívnejších druhoch ISRU, ako je napríklad ťažba ľadu."
NASA / JPL-Caltech "Mnoho ľudí má pocit, že by sme mali ťažiť ľad autonómne." Ale hovorím nie, nestojí to za námahu. Ľad je minerál, to znamená, že ho musíte hľadať, musíte ho vykopať, musíte ho vyčistiť. Bude jednoduchšie to len priniesť.
"Zatiaľ čo niečo ako MOXIE je mechanický strom." Dýcha oxid uhličitý a dýcha kyslík. “ V porovnaní s hľadaním zdrojov, ako je ťažba, je MOXIE oveľa jednoduchší. "Nemusí to nikam chodiť, nemusí nič hľadať." Jedná sa o druhy metód IRSU, ktoré sú z krátkodobého hľadiska skutočne praktické. Zvyšok odložíte, kým nebudete mať na povrchu ľudí, ktorí dokážu zložitejšie úlohy. “
Nečakaná marťanská štedrosť
Mars má síce dostatok vodného ľadu, ale nachádza sa pri póloch, zatiaľ čo väčšina misií na Marse sa chce sústrediť na pristátie na rovníku, ktorý je ako púšť. Medzi súčasné koncepcie riešenia tejto otázky patrí myšlienka globálneho mapovania ľadu, kde by bolo možné pre budúce použitie mapovať polohy menšieho množstva ľadu.
Ďalšou možnosťou je extrakcia vody z minerálov v marťanskej pôde. "Existujú minerály ako sadra a epsomské soli, ktoré sú síranmi a priťahujú veľa vody," vysvetlil Hecht. "Takže by si ich mohol vyhrabať a upiecť a dostať vodu von." Mohli by ste ťažiť pôdu pre vodu, ktorá je dosť bohatá. “
Mars však nemá iba podobné materiály ako tie, ktoré nájdeme tu na Zemi. Má tiež veľké množstvo chemikálie nazývanej chloristan (ClO4), ktorá je nebezpečná pre ľudské zdravie a na našej planéte sa nachádza iba v malom množstve. Napriek tomu, že je toxická, môže byť táto látka vďaka svojim chemickým vlastnostiam mimoriadne užitočná, pretože sa používa napríklad v posilňovačoch rakiet na tuhé palivo, zábavnej pyrotechnike a airbagoch.
"Na Marse sa ukázalo, že väčšina chlóru v pôde je chloristan," uviedol Hecht. „Tvorí takmer 1% pôdy. A má obrovské množstvo energie. Keď uvoľníte atómy kyslíka z ClO4, aby ste vytvorili Cl, uvoľní sa z neho obrovské množstvo energie. Vždy som si myslel, že to bude skvelý zdroj úrody. “
"Keď uvoľníte atómy kyslíka z ClO4, aby ste vytvorili Cl, uvoľní to obrovské množstvo energie"
Problém je v tom, že všetky tieto aplikácie sú výbušné a riadenie reakcie ClO4 je náročné. Existuje však systém, ktorý má potenciál jemne uvoľňovať energiu pomocou biologického reaktora.
"Mikróby môžu jesť tieto látky a vyrábať energiu," vysvetlil Hecht. "A ľudia vlastne vytvorili také druhy biologických reaktorov, ktoré sú zásobníkmi baktérií, ktoré trávia určitú látku a získavajú z nej energiu."
"Takže mám túto víziu biologického reaktora v zadnej časti roveru a astronaut nastupuje a jazdí okolo." A keď sa ukazovateľ výkonu zníži, vystúpia a začnú zhadzovať pôdu do násypky vzadu. Mikróby pôdu zožerú a vyrobia energiu a astronaut môže pokračovať v jazde.
Je to šialený nápad, ale to je môj koncept využívania zdrojov pre domáce zvieratá. “
Nervózne čakanie
Inžinieri spoločnosti MOXIE nateraz vykonali všetky vylepšenia a úpravy, ktoré umožnili, keď bol prístroj už dodaný a integrovaný do roveru Perseverance. Budú si musieť počkať, kým sa rover uvedie na trh v júli a pristane na planéte vo februári 2021, aby zistil, či sa ich tvrdá práca vyplatila a či môžu skutočne na Marse vytvárať kyslík.
Ak je to úspech, otvára sa to úplne nový svet zdrojov, pomocou ktorých môžeme skúmať Mars a vynaliezavo využívať to, čo nájdeme, na vytvorenie toho, čo potrebujeme.
