Hur man bygger en bas på Mars

Elon Musk talar ofta om att göra ett SpaceX Starship redo för ett bemannat uppdrag till Mars inom ett decennium, med en första lansering av båten redan nästa år. Men lika skrämmande som att skicka människor till en annan planet för första gången, det är bara hälften av utmaningen att komma dit. Det stora problemet är hur människor kan existera på ytan av en planet med en oandbar, tunn atmosfär, dunkad av kosmisk strålning, med frysande yttemperaturer, miljontals mil hemifrån.

Vi ville veta hur du skulle gå för att förbereda en främmande planet för mänsklig bostad, så vi talade med två experter, Massachusetts Institute of Technology professor Michael Hecht och NASA-ingenjör Asad Aboobaker, för att ta reda på hur man håller astronauterna vid liv på en planet som vill att döda dem.

Ett fönster med möjligheter

Det finns en väsentlig tidsfördröjning när det gäller att skicka människor till den röda planeten. På grund av jordens och Mars banor är det enklaste sättet att komma från en planet till en annan att använda en bana som kallas en Hohmann-överföringsbana, där ett hantverk rör sig i en bana som gradvis spiral utåt.

"Detta beror på hur planeterna roterar," förklarade Hecht. “Jorden är inne i Mars bana och den roterar snabbare än Mars, så den slår den ett par gånger. Ett marsår är nästan två jordår. ”

”Så du måste ta tid på lanseringen. Och det finns ett fönster varje Mars-år - var 26: e månad, vid en tidpunkt som kallas Mars-opposition när Mars är nära jorden. Så var 26: e månad har du möjlighet att lansera ett rymdfarkost till Mars i denna optimala bana. ... Så planerna för Mars är att skicka infrastrukturen först, och sedan 26 månader senare skickar vi besättningen. ”

"Var 26: e månad har du möjlighet att skjuta upp en rymdfarkost till Mars i denna optimala bana"

Att skicka infrastruktur betyder inte bara att det finns luft för astronauterna att andas och mat för dem att äta. Det innebär också att skicka och bygga ett kraftverk, en livsmiljö, rovers och ett stigningsfordon för att låta astronauterna lämna när deras uppdrag är över.

Chris DeGraw / Digitala trender

Varför syre är så viktigt

Den första stora frågan för att ta itu med att inrätta en Mars-bas är produktionen av syre. När du hör om att producera syre på Mars tänker du förmodligen på det mest grundläggande mänskliga behovet: att ha luft att andas. Och verkligen måste vi hitta ett sätt att producera en andningsbar atmosfär i en innesluten Mars-livsmiljö. Men detta kräver endast en relativt liten mängd syre jämfört med den stora efterfrågan - drivmedel för raketen som kommer att skjuta astronauter från ytan.

"Vi försöker göra raketdrivmedel," sa Hecht. "Vi försöker inte göra bränsle, vi försöker göra den del av den kemiska reaktionen som vi aldrig tänker på på jorden." Här på jorden, när du bränner bensin i din bilmotor, använder du flera gånger värdet av bränslet i syre för att skapa den reaktionen. Detsamma med att bränna en ved i en eldstad.

Getty Images / utdelning

Men "Om du går någonstans där det inte finns fritt syre, måste du ta det med dig", sade Hecht.

Moderna raketer har flytande syretankar som ger detta drivmedel, och de bildar en betydande del av vikten vid lanseringen.

"Vi skulle behöva nästan 30 ton syre för att driva den raketen för att ta astronauterna från planeten och i omloppsbana," sa Hecht. ”Och om vi måste ta de 30 ton syre med oss ​​till Mars, kommer det att driva hela uppdraget ett decennium tillbaka. Det är mycket lättare att skicka en tom tank och fylla den med syre där. ”

Använda det som finns tillgängligt

För att skapa syre på Mars arbetar Hecht och hans kollegor på ett koncept som kallas in-situ resource utilization (ISRU). I grund och botten betyder det att man använder det som redan finns på Mars för att skapa det vi behöver.

De har byggt ett experiment som heter MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), som kommer att resa till Mars på NASA Perseverance Rover när det startar i sommar. Denna mini-version av en potentiellt mycket större enhet tar in koldioxid, som finns rikligt i mars atmosfären och producerar syre.

Det kan låta komplicerat, men faktiskt liknar enheten något välkänt här på jorden. ”MOXIE är väldigt mycket som en bränslecell,” sa Hecht. ”Det är nästan identiskt. Om du tog en bränslecell och vänd de två ledningarna som kom in, skulle du ha ett elektrolyssystem. Det betyder att om det här var en bränslecell, skulle du ha ett bränsle och en oxidator som visar sig vara en stabil molekyl. Om det var kolmonoxid som bränsle och syre, skulle det göra koldioxid. Du får också ut el.

Detta tar in koldioxid, som är rikligt i mars atmosfären och producerar syre

”Om du kör den i omvänd riktning måste du sätta i koldioxid och du måste sätta i elektricitet. Men du tar ut kolmonoxid och syre. Så här vet vi hur man gör det. ”

Denna till synes enkla idé är radikal eftersom den tar itu med ett problem som knappt någon utanför rymdgemenskapen ser på som ett problem: att producera syre. "Ingen vill göra syre på jorden - det har vi ingen anledning till," sa Hecht. ”Vi har gott om det överallt. Men vi har mycket kunskap på grund av bränsleceller. ”

Hur man bygger en syrgasmaskin

Att förstå de kemiska principerna för att skapa en syrgasmaskin är en sak, men att designa och bygga en version som kan passa in i en rover är en annan sak. Asad Aboobaker, en värmeingenjör för MOXIE vid NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) som har varit involverad i MOXIE-projektet under hela utvecklingen, förklarade hur experimentet byggdes och några av de utmaningar som JPL-teamet var tvungen att ta itu med:

"Den viktigaste resursbegränsningen vi hade, förutom massa och det lilla utrymmet att arbeta med, var energi", sa han. ”Rovaren har en termoelektrisk generator för radioisotop, som är en kärnkraftkälla. Så folk tror att roveren är kärnkraftsdriven, men det är det inte. Den är batteridriven och har en kärnkraftsladdare. ”

NASA

Det betyder att forskarna måste vara extremt försiktiga med hur mycket ström de använder för att inte tömma batteriet. Hela Perseverance-roveren går på endast 110 watt, vilket är lite mer än en stark glödlampa.

I sin tur kan ett experiment som MOXIE bara använda en liten mängd kraft. "Så det satte en gräns för hur mycket värmekraft vi kunde använda för att värma upp det, hur mycket kraft kompressorn som blåser in gasen i systemet kan dra och hur länge vi kan springa," sa Aboobaker.

Därför är versionen av MOXIE som reser på uthållighet så liten, även om systemet skulle fungera lika bra eller ännu bättre i större skala.

Vi vill bara veta om det fungerar

Men att designa utrustningen är bara en sida av experimentet - den andra sidan kontrollerar om den faktiskt fungerar på Mars. Även med ett koncept som fungerar bra här på jorden kan det få oväntade konsekvenser av främmande miljöer, från den tunna atmosfären som påverkar hur värme överförs, till lager som bärs på oväntade sätt på grund av lägre tyngdkraft och okänt damm. Därför kommer JPL-ingenjörerna att samla in data från MOXIE för att se hur det går i en riktig marsmiljö.

"På många sätt tar MOXIE inte riktigt vetenskapliga data", sa Aboobaker. Jämfört med vetenskapliga instrument som teleskop eller spektrometrar, som används för att analysera bergprover, är data som samlats in från MOXIE relativt enkel. ”Vad vi har är nästan som tekniska telemetridata. Vi mäter spänningar och strömmar och temperaturer, sådana saker. Det är vår data, och datavolymen är faktiskt ganska liten. Du kan nästan montera den på en diskett. ”

”Datavolymen är faktiskt ganska liten. Du kan nästan montera den på en diskett ”

Det betyder att teamet kan få mycket snabb feedback om huruvida systemet fungerar som avsett - inom några dagar. Till skillnad från andra uthållighetsinstrument, för vilka dataanalys tar veckor, månader eller till och med år, är MOXIE en praktisk demonstration lika mycket som ett experiment.

"På många sätt är vad vi gör inte vetenskap, det är teknik," sa Aboobaker. ”För det mesta vill vi bara veta om det fungerar. Och om vi ville skala upp det i framtiden, vilka typer av saker skulle vi behöva göra för att göra det? ”

En McMurdo Station för Mars

Om MOXIE lyckas kan det visa hur ISRU-principen kan fungera på Mars. Då är det relativt enkelt att skala upp projektet och skapa en fullskalig version som kan producera syre i mycket högre takt. Och den goda nyheten är att en större version skulle vara effektivare och kan producera en avsevärd mängd syre utan att behöva för mycket kraft.

Med syrgas sorterat kan vi gå vidare till andra typer av resurser vi behöver för människor som bor på Mars. En annan av de viktigaste resurserna vi behöver för att etablera en bas på planeten är vatten. Inte bara för människor att dricka, utan också för att vatten (eller väte) och koldioxid kan kombineras till ett stort antal användbara kemikalier.

"Tanken på kort sikt är att vi vill göra en viss mängd autonom ISRU för att göra våra uppdrag genomförbara", säger Hecht. ”När vi väl har en bas på planeten, som McMurdo Station i Antarktis eller som den internationella rymdstationen, kan du tänka på mer aggressiva typer av ISRU, som att bryta is.

NASA / JPL-Caltech

”Många människor känner att vi bör bryta efter is autonomt. Men jag säger nej, det är inte värt ansträngningen. Is är ett mineral, vilket innebär att du måste leta efter det, du måste gräva upp det, du måste rena det. Det blir lättare att bara ta med det.

”Medan något liknande MOXIE är ett mekaniskt träd. Det andas in koldioxid och andas ut syre. ” Jämfört med att jaga resurser som gruvdrift är MOXIE mycket enklare. ”Det behöver inte gå någonstans, det behöver inte leta efter någonting. Det är sådana IRSU-metoder som är riktigt praktiska på kort sikt. Du skjuter upp resten tills du har människor på ytan som kan göra mer komplicerade uppgifter. ”

Oväntad marsbounty

Mars har gott om vattenis, men den ligger vid polerna, medan de flesta Mars-uppdrag vill fokusera på att landa vid ekvatorn, som är som en öken. Nuvarande koncept för att ta itu med denna fråga inkluderar idén om global iskartläggning, där platser med mindre mängder is kan kartläggas för framtida användning.

Ett annat alternativ är att extrahera vatten från mineralerna i Marsjorden. "Det finns mineraler som gips- och Epsom-salter som är sulfater och lockar mycket vatten", förklarade Hecht. ”Så du kan gräva upp dem och baka dem och få ut vattnet. Du kan bryta jorden efter vatten som är ganska rikligt. ”

Men Mars har inte bara liknande material som de vi hittar här på jorden. Den har också stora mängder av en kemikalie som kallas perklorat (ClO4) som är farlig för människors hälsa och endast finns i små mängder på vår planet. Trots att det är giftigt kan detta ämne vara extremt användbart på grund av dess kemiska egenskaper, eftersom det används i saker som fasta raketförstärkare, fyrverkerier och krockkuddar.

"På Mars visar sig det mesta av klor i jorden vara perklorat", sa Hecht. ”Det utgör nästan 1% av jorden. Och den har en enorm mängd energi. När du släpper ut syreatomer från ClO4 för att framställa Cl, frigör det en enorm mängd energi. Jag har alltid trott att det skulle vara en bra resurs att skörda. ”

"När du släpper ut syreatomer från ClO4 för att göra Cl, frigör det en enorm mängd energi"

Problemet med detta är att alla dessa applikationer är explosiva, och att kontrollera reaktionen av ClO4 är utmanande. Det finns dock ett system som har potential att frigöra energin försiktigt med hjälp av en biologisk reaktor.

"Mikrober kan äta det här och producera energi", förklarade Hecht. ”Och människor har faktiskt byggt dessa typer av biologiska reaktorer som är tankar av bakterier som smälter något ämne och extraherar energi ur det.

”Så jag har den här visionen om en biologisk reaktor på baksidan av en rover, och astronauten kommer in och kör runt. Och när effektmätaren blir låg, går de ut och börjar skjuta jord i en tratt i ryggen, och mikroberna äter jorden och gör energi och astronauten kan fortsätta köra.

Det är en galen idé men det är mitt husdjursresursanvändningskoncept. ”

En nervös väntan

För tillfället har MOXIE-ingenjörerna gjort alla justeringar och justeringar de kan, med instrumentet redan levererat och integrerat i Perseverance-roveren. De måste vänta tills roveren startar i juli och landar på planeten i februari 2021 för att se om deras hårda arbete har gett resultat och om de faktiskt kan skapa syre på Mars.

Om det är en framgång öppnar det en helt ny värld av resurser som vi kan utforska Mars med hjälp av uppfinningsrik vad vi finner för att skapa det vi behöver.