Πώς να χτίσετε μια βάση στον Άρη

Ο Elon Musk μιλά συχνά για την προετοιμασία ενός SpaceX Starship για επανδρωμένη αποστολή στον Άρη μέσα σε μια δεκαετία, με μια πρώτη εκτόξευση του σκάφους ήδη από το επόμενο έτος. Όμως όσο εκφοβιστικό είναι να στέλνουμε ανθρώπους σε έναν άλλο πλανήτη για πρώτη φορά, η πρόκληση είναι μόνο η μισή πρόκληση. Το μεγάλο πρόβλημα είναι ο τρόπος με τον οποίο οι άνθρωποι μπορούν να υπάρχουν στην επιφάνεια ενός πλανήτη με μια αναπνέουσα, λεπτή ατμόσφαιρα, χτυπημένη από κοσμική ακτινοβολία, με παγωμένες θερμοκρασίες επιφάνειας, εκατομμύρια μίλια από το σπίτι.

Θέλαμε να μάθουμε πώς θα προχωρούσατε στην προετοιμασία ενός εξωγήινου πλανήτη για ανθρώπινη κατοικία, οπότε μιλήσαμε με δύο ειδικούς, τον καθηγητή του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης Μάικλ Χέχτ και τον μηχανικό της NASA Asad Aboobaker, για να μάθουμε πώς να διατηρήσουμε τους αστροναύτες ζωντανούς σε έναν πλανήτη που θέλει να τους σκοτώσει.

Ένα παράθυρο ευκαιρίας

Υπάρχει ουσιαστική καθυστέρηση στην αποστολή ανθρώπων στον κόκκινο πλανήτη. Λόγω των τροχιών της Γης και του Άρη, ο ευκολότερος τρόπος για να περάσετε από τον ένα πλανήτη στον άλλο είναι να χρησιμοποιήσετε μια τροχιά που ονομάζεται τροχιά μεταφοράς Hohmann, στην οποία ένα σκάφος κινείται σε τροχιά που σταδιακά περιστρέφεται προς τα έξω.

«Αυτό οφείλεται στον τρόπο περιστροφής των πλανητών», εξήγησε ο Hecht. «Η Γη βρίσκεται μέσα στην τροχιά του Άρη και περιστρέφεται γρηγορότερα από τον Άρη, οπότε την περιβάλλει μερικές φορές. Ένα έτος στον Άρη είναι σχεδόν δύο χρόνια στη Γη. "

«Πρέπει λοιπόν να ολοκληρώσετε την έναρξη. Και υπάρχει ένα παράθυρο κάθε χρόνο στον Άρη - κάθε 26 μήνες, σε μια εποχή που ονομάζεται αντιπολίτευση στον Άρη όταν ο Άρης είναι κοντά στη Γη. Έτσι, κάθε 26 μήνες έχετε την ευκαιρία να ξεκινήσετε ένα διαστημικό σκάφος στον Άρη σε αυτήν τη βέλτιστη τροχιά. … Έτσι, τα σχέδια για τον Άρη είναι να στείλουν την υποδομή πρώτα και μετά 26 μήνες αργότερα θα στείλουμε το πλήρωμα. »

"Κάθε 26 μήνες έχετε την ευκαιρία να ξεκινήσετε ένα διαστημικό σκάφος στον Άρη σε αυτήν τη βέλτιστη τροχιά"

Η αποστολή της υποδομής δεν σημαίνει απλώς να βεβαιωθείτε ότι υπάρχει αέρα για να αναπνέουν οι αστροναύτες και να τρώνε. Σημαίνει επίσης την αποστολή και κατασκευή ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής, ενός βιότοπου, ενός αναβάτη και ενός οχήματος ανόδου για να επιτρέψουν στους αστροναύτες να φύγουν όταν τελειώσει η αποστολή τους.

Chris DeGraw / Ψηφιακές τάσεις

Γιατί το οξυγόνο είναι τόσο σημαντικό

Το πρώτο μεγάλο ζήτημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί κατά τη δημιουργία μιας βάσης Άρη είναι η παραγωγή οξυγόνου. Όταν ακούτε για την παραγωγή οξυγόνου στον Άρη, πιθανότατα σκέφτεστε την πιο βασική ανθρώπινη ανάγκη: Να έχετε αέρα για να αναπνέετε. Και σίγουρα, πρέπει να βρούμε έναν τρόπο να παράγουμε μια αναπνεύσιμη ατμόσφαιρα σε έναν περιορισμένο βιότοπο του Άρη. Αλλά αυτό απαιτεί μόνο μια σχετικά μικρή ποσότητα οξυγόνου σε σύγκριση με τη μεγάλη ζήτηση - αυτή του προωθητικού για τον πύραυλο που θα εκτοξεύσει αστροναύτες από την επιφάνεια.

«Προσπαθούμε να κάνουμε προωθητικό πύραυλο», είπε ο Hecht. "Δεν προσπαθούμε να κάνουμε καύσιμα, προσπαθούμε να κάνουμε το μέρος της χημικής αντίδρασης που στη Γη δεν σκεφτόμαστε ποτέ." Εδώ στη Γη, όταν καίτε βενζίνη στον κινητήρα του αυτοκινήτου σας, χρησιμοποιείτε αρκετές φορές το βάρος του καυσίμου σε οξυγόνο για να δημιουργήσετε αυτήν την αντίδραση. Το ίδιο με την καύση ενός ημερολογίου σε ένα τζάκι.

Getty Images / Φυλλάδιο

Ωστόσο, "Αν πάτε κάπου δεν υπάρχει δωρεάν οξυγόνο, πρέπει να το πάρετε μαζί σας", είπε ο Hecht.

Οι σύγχρονοι πύραυλοι έχουν δεξαμενές υγρού οξυγόνου που παρέχουν αυτό το προωθητικό και σχηματίζουν ένα σημαντικό κομμάτι του βάρους κατά την εκτόξευση.

«Χρειαζόμαστε περίπου 30 μετρικούς τόνους οξυγόνου για να τροφοδοτήσουμε αυτόν τον πύραυλο για να πάρουμε αυτούς τους αστροναύτες από τον πλανήτη και σε τροχιά», δήλωσε ο Hecht. «Και αν πρέπει να πάρουμε μαζί μας 30 μετρικούς τόνους οξυγόνου στον Άρη, θα ωθήσει ολόκληρη την αποστολή μια δεκαετία πίσω. Είναι πολύ πιο εύκολο να στείλετε ένα άδειο δοχείο και να το γεμίσετε με οξυγόνο εκεί. "

Αξιοποίηση όσων είναι διαθέσιμα

Για να δημιουργήσει οξυγόνο στον Άρη, ο Hecht και οι συνάδελφοί του εργάζονται σε μια ιδέα που ονομάζεται in-situ χρησιμοποίηση πόρων (ISRU). Ουσιαστικά, αυτό σημαίνει να χρησιμοποιούμε ό, τι υπάρχει ήδη στον Άρη για να δημιουργήσουμε αυτό που χρειαζόμαστε.

Έχουν δημιουργήσει ένα πείραμα που ονομάζεται MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), το οποίο θα ταξιδέψει στον Άρη στο NASA Perseverance rover όταν θα ξεκινήσει αυτό το καλοκαίρι. Αυτή η μίνι έκδοση μιας πιθανώς πολύ μεγαλύτερης συσκευής λαμβάνει διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο είναι άφθονο στην αττική ατμόσφαιρα και παράγει οξυγόνο.

Αυτό μπορεί να ακούγεται περίπλοκο, αλλά στην πραγματικότητα, η συσκευή είναι παρόμοια με κάτι γνωστό εδώ στη Γη. «Το MOXIE μοιάζει πολύ με ένα στοιχείο καυσίμου», είπε ο Hecht. «Είναι σχεδόν πανομοιότυπο. Εάν πήρατε ένα στοιχείο καυσίμου και αντιστρέψατε τα δύο καλώδια που εισέρχονταν, θα έχετε ένα σύστημα ηλεκτρόλυσης. Αυτό σημαίνει ότι εάν αυτό ήταν μια κυψέλη καυσίμου, θα έχετε ένα καύσιμο και έναν οξειδωτή που αποδεικνύεται ένα σταθερό μόριο. Αν ήταν το μονοξείδιο του άνθρακα ως καύσιμο και οξυγόνο, θα έκανε διοξείδιο του άνθρακα. Παίρνετε επίσης ηλεκτρικό ρεύμα.

Αυτό παίρνει διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο είναι άφθονο στην αττική ατμόσφαιρα και παράγει οξυγόνο

«Αν το εκτελέσετε αντίστροφα, πρέπει να βάλετε διοξείδιο του άνθρακα και πρέπει να βάλετε ηλεκτρικό ρεύμα. Αλλά βγάζετε μονοξείδιο του άνθρακα και οξυγόνο. Έτσι ξέρουμε πώς να το κάνουμε αυτό. "

Αυτή η φαινομενικά απλή ιδέα είναι ριζοσπαστική, διότι αντιμετωπίζει ένα πρόβλημα που κανείς εκτός της διαστημικής κοινότητας το θεωρεί ως πρόβλημα: Παραγωγή οξυγόνου. «Κανείς δεν θέλει να παράγει οξυγόνο στη Γη - δεν έχουμε κανένα λόγο», είπε ο Hecht. «Έχουμε πολλά από παντού. Αλλά έχουμε πολλές γνώσεις λόγω των κυψελών καυσίμου. "

Πώς να φτιάξετε μια μηχανή οξυγόνου

Η κατανόηση των χημικών αρχών της δημιουργίας μιας μηχανής οξυγόνου είναι ένα πράγμα, αλλά ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας έκδοσης που μπορεί να χωρέσει σε ένα rover είναι άλλη. Ο Asad Aboobaker, θερμικός μηχανικός για το MOXIE στο Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA, ο οποίος συμμετείχε στο έργο MOXIE καθ 'όλη τη διάρκεια της ανάπτυξής του, εξήγησε πώς χτίστηκε το πείραμα και ορισμένες από τις προκλήσεις που έπρεπε να αντιμετωπίσει η ομάδα JPL:

«Ο κύριος περιορισμός των πόρων που είχαμε, εκτός από τη μάζα και τον μικρό χώρο για να εργαστούμε, ήταν η ενέργεια», είπε. «Το rover διαθέτει θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπου, η οποία είναι πηγή πυρηνικής ενέργειας. Έτσι, οι άνθρωποι πιστεύουν ότι το rover είναι πυρηνικό, αλλά δεν είναι. Είναι με μπαταρία, με πυρηνικό φορτιστή.

ΝΑΣΑ

Αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές πρέπει να είναι εξαιρετικά προσεκτικοί με την ισχύ που χρησιμοποιούν για να μην εξαντληθεί η μπαταρία. Ολόκληρο το Rover Perseverance λειτουργεί μόνο με 110 watt, κάτι που είναι λίγο περισσότερο από ένα λαμπτήρα.

Με τη σειρά του, ένα πείραμα όπως το MOXIE μπορεί να χρησιμοποιήσει μόνο μια μικρή ποσότητα ισχύος. «Έτσι, αυτό θέτει ένα όριο για το πόση ισχύ θερμαντήρα θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε για να το θερμάνουμε, πόση ισχύς μπορεί να αντλήσει ο συμπιεστής που φυσά το αέριο στο σύστημα και πόσο καιρό μπορούμε να τρέξουμε», δήλωσε ο Aboobaker.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η έκδοση του MOXIE που ταξιδεύει στο Perseverance είναι τόσο μικρή, παρόλο που το σύστημα θα λειτουργούσε εξίσου καλά ή ακόμα καλύτερα σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Θέλουμε απλώς να μάθουμε αν λειτουργεί

Αλλά ο σχεδιασμός του εξοπλισμού είναι μόνο η μία πλευρά του πειράματος - η άλλη πλευρά ελέγχει αν λειτουργεί πραγματικά στον Άρη. Ακόμη και με μια ιδέα που λειτουργεί σταθερά εδώ στη Γη, μπορεί να υπάρχουν απροσδόκητες συνέπειες από εξωγήινα περιβάλλοντα, από τη λεπτή ατμόσφαιρα που επηρεάζει τον τρόπο μεταφοράς της θερμότητας, έως τα έδρανα που φορούν με απροσδόκητους τρόπους λόγω χαμηλότερης βαρύτητας και άγνωστης σκόνης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μηχανικοί της JPL θα συλλέγουν δεδομένα από το MOXIE για να δουν τον τρόπο με τον οποίο θα φτάσει σε ένα πραγματικό περιβάλλον του Άρη.

"Με πολλούς τρόπους, το MOXIE δεν λαμβάνει πραγματικά επιστημονικά δεδομένα", δήλωσε ο Aboobaker. Σε σύγκριση με τα επιστημονικά όργανα όπως τα τηλεσκόπια ή τα φασματόμετρα, που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των δειγμάτων πετρωμάτων, τα δεδομένα που συλλέγονται από το MOXIE είναι σχετικά απλά. «Αυτό που έχουμε είναι σχεδόν σαν μηχανικά δεδομένα τηλεμετρίας. Μετράμε τάσεις και ρεύματα και θερμοκρασίες, τέτοια. Αυτά είναι τα δεδομένα μας και ο όγκος των δεδομένων είναι πραγματικά πολύ μικρός. Θα μπορούσατε σχεδόν να το τοποθετήσετε σε μια δισκέτα. "

«Ο όγκος των δεδομένων είναι στην πραγματικότητα αρκετά μικρός. Θα μπορούσατε σχεδόν να το τοποθετήσετε σε μια δισκέτα »

Αυτό σημαίνει ότι η ομάδα μπορεί να λάβει πολύ γρήγορα σχόλια σχετικά με το αν το σύστημα λειτουργεί όπως έχει προβλεφθεί - μέσα σε λίγες ημέρες. Σε αντίθεση με άλλα όργανα επιμονής, για τα οποία η ανάλυση δεδομένων διαρκεί εβδομάδες, μήνες ή και χρόνια, το MOXIE είναι μια πρακτική επίδειξη όσο και ένα πείραμα.

«Με πολλούς τρόπους, αυτό που κάνουμε δεν είναι επιστήμη, είναι τεχνολογία», δήλωσε ο Aboobaker. «Κυρίως, θέλουμε να μάθουμε αν λειτουργεί. Και, αν θέλαμε να το κλιμακώσουμε στο μέλλον, ποια είναι τα πράγματα που πρέπει να κάνουμε για να το κάνουμε αυτό; "

Ένας σταθμός McMurdo για τον Άρη

Εάν το MOXIE είναι επιτυχές, μπορεί να δείξει πώς μπορεί να λειτουργήσει η αρχή του ISRU στον Άρη. Στη συνέχεια, είναι σχετικά απλό να κλιμακώσετε το έργο και να δημιουργήσετε μια έκδοση πλήρους κλίμακας που θα μπορούσε να παράγει οξυγόνο με πολύ υψηλότερο ρυθμό. Και τα καλά νέα είναι ότι μια μεγαλύτερη έκδοση θα ήταν πιο αποτελεσματική και θα μπορούσε να παράγει σημαντική ποσότητα οξυγόνου χωρίς να απαιτείται υπερβολική ισχύ.

Με το οξυγόνο ταξινομημένο, θα μπορούσαμε να κινηθούμε πάνω στα άλλα είδη πόρων που χρειαζόμαστε για ανθρώπους που ζουν στον Άρη. Ένας άλλος από τους πιο σημαντικούς πόρους που θα χρειαζόμασταν για να δημιουργήσουμε μια βάση στον πλανήτη είναι το νερό. Όχι μόνο για να πίνουν οι άνθρωποι, αλλά και επειδή το νερό (ή το υδρογόνο) και το διοξείδιο του άνθρακα μπορούν να συνδυαστούν σε μια τεράστια ποικιλία χρήσιμων χημικών.

«Η ιδέα βραχυπρόθεσμα είναι ότι θέλουμε να κάνουμε ένα ορισμένο ποσό αυτόνομης ISRU για να καταστήσουμε εφικτές τις αποστολές μας», δήλωσε ο Hecht. «Μόλις έχουμε μια βάση στον πλανήτη, όπως ο Σταθμός McMurdo στην Ανταρκτική ή όπως ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός, τότε μπορείτε να σκεφτείτε τρόπους για πιο επιθετικούς τύπους ISRU, όπως η εξόρυξη πάγου.

NASA / JPL-Caltech

«Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι πρέπει να εξάγουμε αυτόνομα τον πάγο. Αλλά λέω όχι, δεν αξίζει τον κόπο. Ο πάγος είναι ένα ορυκτό, που σημαίνει ότι πρέπει να το ψάξετε, πρέπει να το σκάψετε, πρέπει να τον καθαρίσετε. Θα είναι πιο εύκολο να το φέρετε.

«Ενώ κάτι σαν το MOXIE είναι ένα μηχανικό δέντρο. Αναπνέει διοξείδιο του άνθρακα και αναπνέει οξυγόνο. " Σε σύγκριση με το κυνήγι πόρων όπως η εξόρυξη, το MOXIE είναι πολύ πιο απλό. "Δεν χρειάζεται να πάει πουθενά, δεν χρειάζεται να ψάξει τίποτα. Αυτά είναι τα είδη μεθόδων IRSU που είναι πραγματικά πρακτικές βραχυπρόθεσμα. Αναβάλλετε τα υπόλοιπα έως ότου έχετε στην επιφάνεια άτομα που μπορούν να κάνουν πιο περίπλοκες εργασίες. "

Μη αναμενόμενη γενναιοδωρία του Άρη

Ο Άρης έχει άφθονο πάγο νερού, αλλά βρίσκεται στους πόλους, ενώ οι περισσότερες αποστολές του Άρη θέλουν να επικεντρωθούν στην προσγείωση στον ισημερινό, που είναι σαν μια έρημος. Οι τρέχουσες έννοιες για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος περιλαμβάνουν την ιδέα της παγκόσμιας χαρτογράφησης πάγου, όπου τοποθεσίες μικρότερων ποσοτήτων πάγου θα μπορούσαν να χαρτογραφηθούν για μελλοντική χρήση.

Μια άλλη επιλογή είναι η εξαγωγή νερού από τα ορυκτά στο έδαφος του Άρη. «Υπάρχουν μέταλλα όπως τα άλατα γύψου και Epsom που είναι θειικά και προσελκύουν πολύ νερό», εξήγησε ο Hecht. «Έτσι θα μπορούσες να τα σκάψεις και να τα ψήσεις και να βγάλεις το νερό. Θα μπορούσατε να εξορύξετε το έδαφος για νερό που είναι αρκετά άφθονο. "

Αλλά ο Άρης δεν έχει μόνο παρόμοια υλικά με αυτά που βρίσκουμε εδώ στη Γη. Έχει επίσης μεγάλες ποσότητες μιας χημικής ουσίας που ονομάζεται υπερχλωρικό (ClO4) που είναι επικίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία και βρίσκεται μόνο σε μικρές ποσότητες στον πλανήτη μας. Παρόλο που είναι τοξική, αυτή η ουσία θα μπορούσε να είναι εξαιρετικά χρήσιμη λόγω των χημικών της ιδιοτήτων, καθώς χρησιμοποιείται σε πράγματα όπως ενισχυτές πυραύλων, πυροτεχνήματα και αερόσακους.

«Στον Άρη, το μεγαλύτερο μέρος του χλωρίου στο έδαφος αποδεικνύεται υπερχλωρικό», είπε ο Hecht. «Αποτελεί σχεδόν το 1% του εδάφους. Και έχει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Όταν απελευθερώνετε άτομα οξυγόνου από το ClO4 για να φτιάξετε Cl, απελευθερώνει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Πάντα πίστευα ότι θα ήταν ένας πολύ καλός πόρος για συγκομιδή. "

«Όταν απελευθερώνεις άτομα οξυγόνου από το ClO4 για να φτιάξεις Cl, απελευθερώνει τεράστια ποσότητα ενέργειας»

Το πρόβλημα με αυτό είναι ότι όλες αυτές οι εφαρμογές είναι εκρηκτικές και ο έλεγχος της αντίδρασης του ClO4 είναι δύσκολος. Ωστόσο, υπάρχει ένα σύστημα που έχει τη δυνατότητα να απελευθερώνει απαλά την ενέργεια, χρησιμοποιώντας έναν βιολογικό αντιδραστήρα.

«Τα μικρόβια μπορούν να φάνε αυτά τα πράγματα και να παράγουν ενέργεια», εξήγησε ο Hecht. «Και οι άνθρωποι έχουν κατασκευάσει πραγματικά αυτά τα είδη βιολογικών αντιδραστήρων που είναι δεξαμενές βακτηρίων που χωνεύουν κάποια ουσία και εξάγουν ενέργεια από αυτήν.

«Έχω λοιπόν αυτό το όραμα ενός βιολογικού αντιδραστήρα στο πίσω μέρος ενός rover, και ο αστροναύτης μπαίνει και κινείται γύρω. Και όταν ο μετρητής ισχύος πέσει χαμηλά, βγαίνουν και αρχίζουν να φτυαρίζουν το έδαφος σε μια χοάνη στην πλάτη, και τα μικρόβια τρώνε το χώμα και κάνουν ενέργεια και ο αστροναύτης μπορεί να συνεχίσει να οδηγεί.

Είναι μια τρελή ιδέα, αλλά αυτή είναι η ιδέα της χρήσης πόρων για κατοικίδια. "

Μια νευρική αναμονή

Προς το παρόν, οι μηχανικοί της MOXIE έχουν κάνει όλες τις αλλαγές και τις προσαρμογές που μπορούν, με το όργανο που έχει ήδη παραδοθεί και ενσωματωθεί στο Perseverance rover. Θα πρέπει να περιμένουν μέχρι να ξεκινήσει το rover τον Ιούλιο και να προσγειωθεί στον πλανήτη τον Φεβρουάριο του 2021 για να δει αν η σκληρή δουλειά τους έχει αποδώσει και αν μπορούν πραγματικά να δημιουργήσουν οξυγόνο στον Άρη.

Εάν αυτό είναι επιτυχές, ανοίγει έναν εντελώς νέο κόσμο πόρων με τον οποίο μπορούμε να εξερευνήσουμε τον Άρη, κάνοντας εφευρετική χρήση αυτού που βρίσκουμε για να δημιουργήσουμε αυτό που χρειαζόμαστε.

Πρόσφατες δημοσιεύσεις

$config[zx-auto] not found$config[zx-overlay] not found