Planning voor de rode planeet: hoe we een basis bouwen op Mars

Elon Musk heeft het er vaak over om binnen tien jaar een SpaceX-ruimteschip klaar te maken voor een bemande missie naar Mars , met een eerste lancering van het ruimteschip al volgend jaar . Maar hoe intimiderend het ook mag zijn om mensen voor het eerst naar een andere planeet te sturen, het is maar de helft van de uitdaging om daar te komen. Het grote probleem is hoe mensen kunnen bestaan op het oppervlak van een planeet met een niet in te ademen, dunne atmosfeer, beuken door kosmische straling, met temperaturen onder het vriespunt, miljoenen kilometers van huis.

We wilden weten hoe je een buitenaardse planeet zou voorbereiden op menselijke bewoning, dus spraken we met twee experts, professor Michael Hecht van het Massachusetts Institute of Technology en NASA-ingenieur Asad Aboobaker, om erachter te komen hoe je astronauten in leven kunt houden op een planeet die dat wil. om ze te doden.

Een kans

Er is een essentieel tijdsverschil bij het sturen van mensen naar de rode planeet. Vanwege de banen van de aarde en Mars, is de gemakkelijkste manier om van de ene planeet naar de andere te komen, een traject genaamd een Hohmann-transferbaan , waarin een vaartuig beweegt in een baan die geleidelijk naar buiten spiraalt.

"Dit komt door de manier waarop de planeten draaien", legde Hecht uit. “De aarde bevindt zich in de baan van Mars en roteert sneller dan Mars, dus draait het een paar keer rond. Een Marsjaar is bijna twee aardse jaren. "

'Dus je moet de lancering timen. En er is elk Marsjaar een venster – elke 26 maanden, in een tijd die een Mars-oppositie wordt genoemd wanneer Mars dicht bij de aarde is. Dus elke 26 maanden heb je de mogelijkheid om een ruimtevaartuig naar Mars te lanceren in deze optimale baan. … Dus de plannen voor Mars zijn om eerst de infrastructuur te sturen, en 26 maanden later sturen we de bemanning. "

"Elke 26 maanden heb je de mogelijkheid om een ruimtevaartuig naar Mars te lanceren in deze optimale baan"

Het verzenden van infrastructuur betekent echter niet alleen dat er lucht is voor de astronauten om te ademen en voedsel dat ze kunnen eten. Het betekent ook het sturen en bouwen van een energiecentrale, een leefgebied, rovers en een opstijgvoertuig zodat de astronauten kunnen vertrekken zodra hun missie voorbij is.

Chris DeGraw / Digitale trends

Waarom zuurstof zo belangrijk is

Het eerste grote probleem dat moet worden aangepakt bij het opzetten van een Mars-basis, is de productie van zuurstof. Als je hoort over het produceren van zuurstof op Mars, denk je waarschijnlijk aan de meest basale menselijke behoefte: lucht hebben om te ademen. En we moeten zeker een manier vinden om een ademende atmosfeer te creëren in een ingesloten Mars-habitat. Maar dit vereist slechts een relatief kleine hoeveelheid zuurstof in vergelijking met de grote vraag – die van drijfgas voor de raket die astronauten van het oppervlak zal lanceren.

'We proberen raketstuwstof te maken,' zei Hecht. "We proberen geen brandstof te maken, we proberen het deel van de chemische reactie te maken waar we op aarde nooit aan denken." Hier op aarde, als je benzine verbrandt in je automotor, gebruik je verschillende keren het gewicht van de brandstof in zuurstof om die reactie te creëren. Hetzelfde met het branden van een blok hout in een open haard.

Getty Images / Hand-out

Maar: "Als je ergens heen gaat waar geen vrije zuurstof is, moet je die meenemen", zei Hecht.

Moderne raketten hebben vloeibare zuurstoftanks die dit drijfgas leveren, en ze vormen een aanzienlijk deel van het gewicht bij de lancering.

"We zouden bijna 30 ton zuurstof nodig hebben om die raket van stroom te voorzien om die astronauten van de planeet in een baan om de aarde te brengen", zei Hecht. 'En als we die 30 ton zuurstof met ons naar Mars moeten meenemen, gaat de hele missie een decennium achteruit. Het is veel gemakkelijker om een lege tank te sturen en daar met zuurstof te vullen. "

Gebruik maken van wat er beschikbaar is

Om zuurstof op Mars te creëren, werken Hecht en zijn collega's aan een concept genaamd in-situ resource utilization (ISRU). Dat betekent in wezen gebruik maken van wat er al op Mars is om te creëren wat we nodig hebben.

Ze hebben een experiment gebouwd met de naam MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), dat deze zomer naar Mars zal reizen met de NASA Perseverance-rover. Deze miniversie van een potentieel veel groter apparaat neemt koolstofdioxide op, dat overvloedig aanwezig is in de atmosfeer van Mars, en produceert zuurstof.

Dat klinkt misschien ingewikkeld, maar in feite lijkt het apparaat op iets bekends hier op aarde. "MOXIE lijkt veel op een brandstofcel", zei Hecht. 'Het is bijna identiek. Als je een brandstofcel zou nemen en de twee binnenkomende draden zou omkeren, zou je een elektrolysesysteem hebben. Dat betekent dat als dit een brandstofcel was, je een brandstof en een oxidatiemiddel zou hebben die een stabiel molecuul blijken te zijn. Als het koolmonoxide als brandstof en zuurstof was, zou het kooldioxide maken. Je haalt ook elektriciteit uit.

Dit neemt koolstofdioxide op, dat overvloedig aanwezig is in de atmosfeer van Mars, en produceert zuurstof

“Als je het in omgekeerde richting laat draaien, moet je kooldioxide toevoegen en elektriciteit. Maar je krijgt koolmonoxide en zuurstof eruit. Dit is hoe we weten hoe we dit moeten doen. "

Dit ogenschijnlijk simpele idee is radicaal omdat het een probleem aanpakt dat bijna niemand buiten de ruimtegemeenschap als een probleem beschouwt: zuurstof produceren. "Niemand wil op aarde zuurstof maken – daar hebben we geen reden toe", zei Hecht. “We hebben er overal genoeg van. Maar we hebben veel kennis dankzij brandstofcellen. ”

Hoe een zuurstofmachine te bouwen

Het begrijpen van de chemische principes van het maken van een zuurstofmachine is één ding, maar het ontwerpen en bouwen van een versie die in een rover past, is iets anders. Asad Aboobaker, een thermische ingenieur voor MOXIE bij NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) die tijdens de ontwikkeling betrokken was bij het MOXIE-project, legde uit hoe het experiment werd gebouwd en enkele van de uitdagingen die het JPL-team moest aanpakken:

"De belangrijkste beperking van de hulpbronnen die we hadden, naast massa en de kleine ruimte om mee te werken, was energie", zei hij. “De rover heeft een radio-isotoop thermo-elektrische generator, die een nucleaire krachtbron is. Dus mensen denken dat de rover nucleair aangedreven is, maar dat is het niet. Hij werkt op batterijen en heeft een nucleaire druppellader. "

NASA

Dat betekent dat de onderzoekers uiterst voorzichtig moeten zijn met hoeveel stroom ze gebruiken om de batterij niet leeg te laten lopen. De hele Perseverance rover draait op slechts 110 watt, wat net iets meer is dan een felle gloeilamp.

Een experiment als MOXIE kan op zijn beurt maar een kleine hoeveelheid stroom gebruiken. "Dus dat stelde een limiet aan hoeveel verwarmingsvermogen we konden gebruiken om het op te warmen, hoeveel vermogen de compressor die het gas in het systeem blaast, kan aanzuigen en hoe lang we kunnen draaien", zei Aboobaker.

Daarom is de versie van MOXIE die op Doorzettingsvermogen reist zo klein, ook al zou het systeem op grotere schaal net zo goed of zelfs beter werken.

We willen gewoon weten of het werkt

Maar het ontwerpen van de apparatuur is slechts één kant van het experiment – de andere kant is controleren of het ook echt werkt op Mars. Zelfs met een concept dat hier op aarde solide werkt, kunnen er onverwachte gevolgen zijn van buitenaardse omgevingen, van de dunne atmosfeer die invloed heeft op de manier waarop warmte wordt overgedragen, tot lagers die op onverwachte manieren slijten als gevolg van lagere zwaartekracht en onbekend stof. Daarom zullen de JPL-ingenieurs gegevens van MOXIE verzamelen om te zien hoe het gaat in een echte Mars-omgeving.

"In veel opzichten gebruikt MOXIE niet echt wetenschappelijke gegevens," zei Aboobaker. In vergelijking met wetenschappelijke instrumenten zoals telescopen of spectrometers, die worden gebruikt om gesteentemonsters te analyseren, zijn de gegevens die met MOXIE worden verzameld relatief eenvoudig. “Wat we hebben is bijna als technische telemetriegegevens. We meten spanningen en stromen en temperaturen, dat soort dingen. Dat zijn onze data, en het datavolume is eigenlijk vrij klein. Je zou het bijna op een floppydisk kunnen passen. "

“Het datavolume is eigenlijk vrij klein. Je zou het bijna op een floppydisk kunnen passen "

Dat betekent dat het team zeer snel feedback kan krijgen over of het systeem werkt zoals bedoeld – binnen een paar dagen. In tegenstelling tot andere doorzettingsinstrumenten, waarvoor data-analyse weken, maanden of zelfs jaren duurt, is MOXIE zowel een praktische demonstratie als een experiment.

"In veel opzichten is wat we doen geen wetenschap, maar technologie", zei Aboobaker. “Meestal willen we gewoon weten of het werkt. En als we het in de toekomst zouden willen opschalen, wat voor soort dingen zouden we dan moeten doen om dat te doen? "

Een McMurdo-station voor Mars

Als MOXIE slaagt, kan het aantonen hoe het principe van ISRU op Mars kan werken. Dan is het relatief eenvoudig om het project op te schalen en een volledige versie te maken die veel sneller zuurstof kan produceren. En het goede nieuws is dat een grotere versie efficiënter zou zijn en een aanzienlijke hoeveelheid zuurstof zou kunnen produceren zonder al te veel stroom te verbruiken.

Als de zuurstof is gesorteerd, kunnen we overstappen op de andere soorten bronnen die we nodig hebben voor mensen die op Mars leven. Een andere van de meest essentiële hulpbronnen die we nodig zouden hebben om een basis op de planeet te vestigen, is water. Niet alleen voor mensen om te drinken, maar ook omdat water (of waterstof) en kooldioxide kunnen worden gecombineerd tot een grote verscheidenheid aan nuttige chemicaliën.

"Het idee op korte termijn is dat we een zekere mate van autonome ISRU willen doen om onze missies haalbaar te maken", zei Hecht. “Als we eenmaal een basis op de planeet hebben, zoals het McMurdo Station op Antarctica of zoals het International Space Station, dan kun je nadenken over veel agressievere soorten ISRU, zoals mijnbouwijs.

NASA / JPL-Caltech

“Veel mensen vinden dat we autonoom ijs moeten delven. Maar ik zeg nee, het is de moeite niet waard. IJs is een mineraal, wat betekent dat je ernaar moet zoeken, je moet het opgraven, je moet het zuiveren. Het zal gemakkelijker zijn om het gewoon mee te nemen.

“Terwijl zoiets als MOXIE een mechanische boom is. Het ademt kooldioxide in en zuurstof uit. " In vergelijking met het zoeken naar hulpbronnen zoals mijnbouw, is MOXIE veel eenvoudiger. “Het hoeft nergens heen, het hoeft nergens naar te zoeken. Dat zijn de soorten IRSU-methoden die op korte termijn echt praktisch zijn. Je stelt de rest uit totdat je mensen aan de oppervlakte hebt die ingewikkelder taken kunnen uitvoeren. "

Onverwachte premie van Mars

Mars heeft wel veel waterijs, maar het bevindt zich aan de polen, terwijl de meeste Mars-missies zich willen concentreren op de landing op de evenaar, die als een woestijn is. Huidige concepten om dit probleem aan te pakken, zijn onder meer het idee van wereldwijde ijskartering, waarbij locaties met kleinere hoeveelheden ijs in kaart kunnen worden gebracht voor toekomstig gebruik.

Een andere mogelijkheid is om water te halen uit de mineralen in de Marsbodem. "Er zijn mineralen zoals gips en Epsom-zouten die sulfaten zijn en veel water aantrekken", legt Hecht uit. 'Zodat je ze kunt opgraven en bakken en het water eruit kunt halen. Je zou de grond kunnen ontginnen voor water dat vrij overvloedig is. "

Maar Mars heeft niet alleen materialen die vergelijkbaar zijn met de materialen die we hier op aarde vinden. Het bevat ook grote hoeveelheden van de chemische stof perchloraat (ClO4) die gevaarlijk is voor de menselijke gezondheid en die alleen in kleine hoeveelheden op onze planeet wordt aangetroffen. Ondanks dat het giftig is, kan deze stof buitengewoon nuttig zijn vanwege zijn chemische eigenschappen, omdat het wordt gebruikt in zaken als solide raketaanjagers, vuurwerk en airbags.

"Op Mars blijkt het meeste chloor in de bodem perchloraat te zijn," zei Hecht. “Het maakt bijna 1% van de grond uit. En het heeft een enorme hoeveelheid energie. Wanneer je zuurstofatomen uit de ClO4 vrijgeeft om Cl te maken, komt er een enorme hoeveelheid energie vrij. Ik heb altijd gedacht dat dit een geweldige bron zou zijn om te oogsten. "

"Wanneer je zuurstofatomen uit de ClO4 vrijgeeft om Cl te maken, komt er een enorme hoeveelheid energie vrij"

Het probleem hiermee is dat deze toepassingen allemaal explosief zijn en dat het beheersen van de reactie van ClO4 een uitdaging is. Er is echter een systeem dat het potentieel heeft om de energie voorzichtig af te geven, met behulp van een biologische reactor .

"Microben kunnen dit spul eten en energie produceren", legt Hecht uit. “En mensen hebben in feite dit soort biologische reactoren gebouwd. Dit zijn tanks met bacteriën die een bepaalde stof verteren en er energie uit halen.

'Dus ik heb dit visioen van een biologische reactor achter in een rover, en de astronaut stapt in en rijdt rond. En wanneer de krachtmeter laag wordt, stappen ze uit en beginnen ze aarde in een trechter achterin te scheppen, en de microben eten de grond en maken energie en de astronaut kan blijven rijden.

Het is een gek idee, maar dat is mijn concept voor het gebruik van hulpbronnen voor huisdieren. "

Een zenuwachtig wachten

Voorlopig hebben de MOXIE-ingenieurs alle mogelijke aanpassingen en aanpassingen gemaakt, met het instrument al geleverd en geïntegreerd in de Perseverance rover. Ze zullen moeten wachten tot de rover in juli wordt gelanceerd en in februari 2021 op de planeet landt om te zien of hun harde werk zijn vruchten heeft afgeworpen en of ze daadwerkelijk zuurstof op Mars kunnen creëren.

Als dat lukt, opent het een hele nieuwe wereld van middelen waarmee we Mars kunnen verkennen, door inventief gebruik te maken van wat we vinden om te creëren wat we nodig hebben.

Aanbevelingen van de redactie

Via: DigitalTrends