Elon Musk taler ofte om at få et SpaceX Starship klar til en bemandet mission til Mars inden for et årti med en første lancering af fartøjet allerede i næste år. Men lige så skræmmende som at sende mennesker til en anden planet for første gang kan være, at komme dertil er kun halvdelen af udfordringen. Det store problem er, hvordan mennesker kan eksistere på overfladen af en planet med en uåndelig, tynd atmosfære, slået af kosmisk stråling, med frysende overfladetemperaturer, millioner af miles hjemmefra.
Vi ville vide, hvordan du ville gå til at forberede en fremmed planet til menneskelig beboelse, så vi talte med to eksperter, Massachusetts Institute of Technology professor Michael Hecht og NASA-ingeniør Asad Aboobaker, for at finde ud af, hvordan man holder astronauter i live på en planet, der ønsker at dræbe dem.
Et vindue med muligheder
Der er en væsentlig tidsforsinkelse med at sende folk til den røde planet. På grund af jorden og Mars baner er den nemmeste måde at komme fra den ene planet til den anden ved hjælp af en bane kaldet en Hohmann-overføringsbane, hvor et fartøj bevæger sig i en bane, der gradvist spiralformes udad.
”Dette skyldes den måde, planeterne roterer på,” forklarede Hecht. ”Jorden er inde i Mars kredsløb, og den roterer hurtigere end Mars, så den omgiver den et par gange. Et Mars-år er næsten to jordår. ”
”Så du er nødt til at starte lanceringen. Og der er et vindue hvert Mars-år - hver 26. måned, på et tidspunkt kaldet en Mars-opposition, når Mars er tæt på Jorden. Så hver 26. måned har du muligheden for at starte et rumfartøj til Mars i denne optimale bane. ... Så planerne for Mars er at sende infrastrukturen først, og derefter 26 måneder senere sender vi besætningen. "
"Hver 26. måned har du muligheden for at starte et rumfartøj til Mars i denne optimale bane"
At sende infrastruktur betyder ikke kun at sørge for, at der er luft til astronauterne at trække vejret og mad, som de kan spise. Det betyder også at sende og konstruere et kraftværk, et habitat, rovers og et opstigende køretøj for at give astronauterne mulighed for at forlade, når deres mission er slut.
Chris DeGraw / Digitale tendenser Hvorfor ilt er så vigtigt
Det første store problem, der skal tages op ved oprettelse af en Mars-base, er produktionen af ilt. Når du hører om iltproduktion på Mars, tænker du sandsynligvis på det mest basale menneskelige behov: At have luft at trække vejret. Og bestemt er vi nødt til at finde en måde at producere en åndbar atmosfære i et indeholdt Mars-habitat. Men dette kræver kun en relativt lille mængde ilt sammenlignet med den store efterspørgsel - drivmiddel til raketten, der vil skyde astronauter ud af overfladen.
”Vi forsøger at fremstille raketdrivmiddel,” sagde Hecht. "Vi prøver ikke at fremstille brændstof, vi prøver at gøre den del af den kemiske reaktion, som vi på jorden aldrig tænker på." Her på Jorden, når du forbrænder benzin i din bilmotor, bruger du flere gange værdien af brændstoffet i ilt til at skabe den reaktion. Det samme med at brænde en ved i en pejs.
Getty Images / uddeling Men "Hvis du går et sted, hvor der ikke er fri ilt, skal du tage det med dig," sagde Hecht.
Moderne raketter har flydende ilttanke, der leverer dette drivmiddel, og de udgør en betydelig del af vægten ved lanceringen.
”Vi ville have brug for næsten 30 tons ilt for at drive raketten for at tage disse astronauter væk fra planeten og i kredsløb,” sagde Hecht. ”Og hvis vi skal tage de 30 ton ilt med os til Mars, vil det skubbe hele missionen et årti tilbage. Det er meget lettere at sende en tom tank og fylde den op med ilt der. ”
Brug af det, der er tilgængeligt
For at skabe ilt på Mars arbejder Hecht og hans kolleger på et koncept kaldet in-situ resource utilization (ISRU). I det væsentlige betyder det at bruge det, der allerede er på Mars, til at skabe det, vi har brug for.
De har bygget et eksperiment kaldet MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), som vil rejse til Mars på NASA Perseverance Rover, når den lanceres i sommer. Denne mini-version af en potentielt meget større enhed optager kuldioxid, der er rigelig i martiansk atmosfære og producerer ilt.
Det lyder måske kompliceret, men faktisk ligner enheden noget velkendt her på Jorden. ”MOXIE ligner meget en brændselscelle,” sagde Hecht. ”Det er næsten identisk. Hvis du tog en brændselscelle og vendte de to ledninger, der kom ind, ville du have et elektrolysesystem. Det betyder, at hvis dette var en brændselscelle, ville du have et brændstof og en oxidator, der viser sig at være et stabilt molekyle. Hvis det var kulilte som brændstof og ilt, ville det skabe kuldioxid. Du får også strøm ud.
Dette optager kuldioxid, der er rigeligt i martiansk atmosfære, og producerer ilt
”Hvis du kører det i omvendt rækkefølge, skal du sætte kuldioxid i, og du skal sætte elektricitet i. Men du slipper kulilte og ilt ud. Sådan ved vi, hvordan vi gør dette. ”
Denne tilsyneladende enkle idé er radikal, fordi den tackler et problem, som næppe nogen uden for rumsamfundet tænker på som et problem: At producere ilt. ”Ingen ønsker at fremstille ilt på jorden - det har vi ingen grund til,” sagde Hecht. ”Vi har masser af det overalt. Men vi har en masse viden på grund af brændselsceller. ”
Hvordan man bygger en iltmaskine
At forstå de kemiske principper for at skabe en iltmaskine er en ting, men at designe og bygge en version, der kan passe ind i en rover, er en anden. Asad Aboobaker, en termisk ingeniør for MOXIE ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL), der har været involveret i MOXIE-projektet gennem hele sin udvikling, forklarede, hvordan eksperimentet blev bygget og nogle af de udfordringer, som JPL-teamet måtte tackle:
”Den vigtigste ressourcebegrænsning, vi havde, foruden masse og det lille rum at arbejde med, var energi,” sagde han. ”Roveren har en termoelektrisk generator, der er en atomkraft. Så folk tror, at roveren er atomdrevet, men det er det ikke. Det er batteridrevet med en nuklear vedligeholdelsesoplader. ”
NASA Det betyder, at forskerne skal være yderst forsigtige med, hvor meget strøm de bruger for ikke at tømme batteriet. Hele Perseverance Rover kører kun på 110 watt, hvilket er lidt mere end en lys pære.
Til gengæld kan et eksperiment som MOXIE kun bruge en lille mængde strøm. ”Så der satte en grænse for, hvor meget varmelegeme vi kunne bruge til at varme det op, hvor meget magt kompressoren, der blæser gassen ind i systemet, kan trække, og hvor længe vi kan køre,” sagde Aboobaker.
Derfor er versionen af MOXIE, der rejser på Perseverance, så lille, selvom systemet fungerer lige så godt eller endnu bedre i større skala.
Vi vil bare vide, om det fungerer
Men design af udstyret er kun den ene side af eksperimentet - den anden side kontrollerer, om det rent faktisk fungerer på Mars. Selv med et koncept, der fungerer solidt her på Jorden, kan der være uventede konsekvenser af fremmede miljøer, fra den tynde atmosfære, der påvirker, hvordan varme overføres, til lejer, der bæres på uventede måder på grund af lavere tyngdekraft og ukendt støv. Derfor vil JPL-ingeniørerne indsamle data fra MOXIE for at se, hvordan det går i et ægte Mars-miljø.
"På mange måder tager MOXIE ikke rigtig videnskabsdata," sagde Aboobaker. Sammenlignet med videnskabelige instrumenter som teleskoper eller spektrometre, der bruges til at analysere stenprøver, er dataene indsamlet fra MOXIE relativt enkle. ”Det, vi har, er næsten som ingeniørtelemetridata. Vi måler spændinger og strømme og temperaturer, sådan noget. Det er vores data, og datamængden er faktisk ret lille. Du kunne næsten passe det på en diskette. ”
”Datamængden er faktisk ret lille. Du kunne næsten passe det på en diskette ”
Det betyder, at teamet kan få meget hurtig feedback om, hvorvidt systemet fungerer efter hensigten - inden for få dage. I modsætning til andre udholdenhedsinstrumenter, for hvilke dataanalyse tager uger, måneder eller endda år, er MOXIE en praktisk demonstration lige så meget som et eksperiment.
”På mange måder er det, vi laver, ikke videnskab, det er teknologi,” sagde Aboobaker. ”For det meste vil vi bare vide, om det fungerer. Og hvis vi ville opskalere det i fremtiden, hvad er de slags ting, vi skulle gøre for at gøre det? "
En McMurdo Station til Mars
Hvis MOXIE har succes, kan det demonstrere, hvordan ISRU-princippet kan fungere på Mars. Så er det relativt simpelt at opskalere projektet og oprette en version i fuld skala, der kan producere ilt med en meget højere hastighed. Og den gode nyhed er, at en større version ville være mere effektiv og kunne producere en betydelig mængde ilt uden at kræve for meget strøm.
Med ilt sorteret kunne vi gå videre til de andre slags ressourcer, vi havde brug for for mennesker, der bor på Mars. En anden af de mest vigtige ressourcer, vi har brug for for at etablere en base på planeten, er vand. Ikke kun for mennesker at drikke, men også fordi vand (eller brint) og kuldioxid kan kombineres til et stort udvalg af nyttige kemikalier.
"Ideen på kort sigt er, at vi ønsker at gøre en vis grad af autonom ISRU for at gøre vores missioner gennemførlige," sagde Hecht. ”Når vi først har en base på planeten, ligesom McMurdo Station i Antarktis eller som den Internationale Rumstation, så kan du tænke over langt mere aggressive typer ISRU, som f.eks. Minedriftis.
NASA / JPL-Caltech ”Mange mennesker føler, at vi burde minedrift efter is autonomt. Men jeg siger nej, det er ikke umagen værd. Is er et mineral, hvilket betyder at du skal se efter det, du skal grave det op, du skal rense det. Det bliver lettere at bare bringe det.
”Mens noget som MOXIE er et mekanisk træ. Det ånder kuldioxid ind og puster ilt ud. ” Sammenlignet med at finde ressourcer som minedrift er MOXIE meget enklere. ”Det behøver ikke at gå nogen steder, det behøver ikke at lede efter noget. Det er de slags IRSU-metoder, der er virkelig praktiske på kort sigt. Du udsætter resten, indtil du har mennesker på overfladen, der kan udføre mere komplicerede opgaver. ”
Uventet martianpræmie
Mars har masser af vandis, men den er placeret ved polerne, mens de fleste Mars-missioner ønsker at fokusere på landing ved ækvator, som er som en ørken. Nuværende koncepter til at tackle dette problem inkluderer ideen om global iskortlægning, hvor placeringer af mindre ismængder kan kortlægges til fremtidig brug.
En anden mulighed er at udvinde vand fra mineralerne i Marsjorden. ”Der er mineraler som gips- og Epsom-salte, der er sulfater og tiltrækker meget vand,” forklarede Hecht. ”Så du kunne grave dem op og bage dem og få vandet ud. Du kan udvinde jorden efter vand, der er ret rigeligt. ”
Men Mars har ikke kun lignende materialer til dem, vi finder her på Jorden. Det har også store mængder af et kemikalie kaldet perchlorat (ClO4), som er farligt for menneskers sundhed og kun findes i små mængder på vores planet. På trods af at det er giftigt, kan dette stof være yderst nyttigt på grund af dets kemiske egenskaber, da det bruges i ting som faste raketforstærkere, fyrværkeri og airbags.
”På Mars viser det sig, at det meste af klor i jorden er perchlorat,” sagde Hecht. ”Det udgør næsten 1% af jorden. Og det har en enorm mængde energi. Når du frigiver iltatomer fra ClO4 for at fremstille Cl, frigiver det en enorm mængde energi. Jeg har altid troet, at det ville være en stor ressource at høste. ”
"Når du frigiver iltatomer fra ClO4 for at fremstille Cl, frigiver det en enorm mængde energi"
Problemet med dette er, at disse applikationer alle er eksplosive, og det er udfordrende at kontrollere reaktionen af ClO4. Der er dog et system, der har potentialet til at frigøre energien forsigtigt ved hjælp af en biologisk reaktor.
”Mikrober kan spise disse ting og producere energi,” forklarede Hecht. ”Og folk har faktisk bygget disse slags biologiske reaktorer, som er tanke med bakterier, der fordøjer noget stof og udvinder energi fra det.
”Så jeg har denne vision om en biologisk reaktor bag på en rover, og astronauten kommer ind og kører rundt. Og når effektmåleren bliver lav, kommer de ud og begynder at skovle jord ind i en tragt i ryggen, og mikroberne spiser jorden og producerer energi, og astronauten kan fortsætte med at køre.
Det er en skør ide, men det er mit kæledyrs ressourceudnyttelseskoncept. "
En nervøs ventetid
Indtil videre har MOXIE-ingeniørerne foretaget alle de justeringer og justeringer, de kan, med instrumentet allerede leveret og integreret i Perseverance-roveren. De bliver nødt til at vente, indtil roveren starter i juli og lander på planeten i februar 2021 for at se, om deres hårde arbejde har betalt sig, og om de rent faktisk kan skabe ilt på Mars.
Hvis det er en succes, åbner det en helt ny verden af ressourcer, hvormed vi kan udforske Mars ved at bruge opfindsomt det, vi finder, til at skabe det, vi har brug for.
