Марсохід Perseverance доставив на Марс пристій, який може змінити історію, перетворивши пустельну планету на зручне для життя та мандрівок місце. Прилад NASA MOXIE має почати генерувати кисень, без достатніх кількостей якого неможливо вільно жити на цій планеті. Також кисень є ключовим компонентом ракетного пального.
Атмосфера Марсу непридатна для людей не тільки тому, що її щільність наднизька – вона складає близько 1% від Земної. Головною перешкодою є склад марсіанської атмосфери, яка містить мізерну кількість кисню та багата двоокисом вуглецю.
Підписуйтесь на наш Telegram.
«Що дихає найбільше під час місії на Марс?, – запитує помічник директора обсерваторії Haystack Майкл Хекхт. – Це ракета, що відвезе вас додому з Марсу».
За даними NASA, щоб вивезти команду із чотирьох осіб з Марсу потрібно приблизно 6,8 тонн пального та 24,95 тонн кистю. Доставляти такі обсяги пального та окиснювальника із Землі є великою проблемою.
Радикально змінити перевезення по маршруту Марс-Земля має пристрій Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE). Цей гаджет, що має розмір з акумулятор звичайного автомобіля, має генерувати потрібні ресурси безпосередньо на Червоній планеті. Вартість цієї установки складає приблизно $50 млн.
«Якщо ми дійсно хочемо злетіти з планети та виконувати щось окрім наукової місії, потрібно почати думати як її покидати», – каже один з розробників проекту Джеррі Сандерс.
MOXIE для своєї роботи використовує метод під назвою електроліз твердими оксидами. Спершу спеціальна камера наповнюється відфільтрованою марсіанською атмосферою. Потім її стискає компресор до тиску, що приблизно дорівнює земному на рівні моря. Стуснутий двоокис вуглецю направляється до 10 комірок електролізу.
Кожна електролізна комірка складається з шарів металу та спеціалізованого керамічного матеріалу. Вони при нагріванні починають поглинати кисень.
«Якщо прикласти до них електричний струм, можна вибірково переміщувати іони кисню через керамічну мембрану, відділяючи їх від усього іншого», – каже один з розробників MOXIE Асад Абубакер.
Марсіанський двоокис вуглецю розділяється у MOXIE на кисень на монооксид вуглецю. Останній є побічним продуктом і його повертають в атмосферу. Якщо процес вийде з-під контролю і система отримуватиме забагато електроенерії, в ній може утворюватися вуглець. При недостатній напрузі СО2 може переповнити систему та почати окислювати сам інструмент.
Наразі MOXIE є лише демонстрацією технології, тому за наступні кілька років прилад працюватиме близько 10 годин всього. Кожен етап триватиме приблизно по дві години і за цей час вдасться згенерувати 6-10 грамів кисню. Цього достатньо для нетривалого дихання невеликої собаки.
Однак якщо MOXIE покаже, що можна успішно генерувати кисень на Марсі, у NASA готові до наступного кроку – будівництва великої установки. Планується зробити пристрій в сотні разів більший за поточний. Це означає більший компресор, більшу камеру електролізу, більшу кількість електролізних комірок.
Велика установка повинна буде мати ресурс у 10 000 годин, генеруючи приблизно 2-3 кілограми кисню на годину.
Погода в домі
Однак забезпечення киснем є лише першим кроком до того, щоб перетворити Марс на гостиннішу планету. Потрібно попрацювати також над погодою на ній.
У довільно обраний день на Марсі спостерігається велике коливання температур – на рівні 65 градусів Цельсію за добу.
На планеті утворюються колосальні пилові шторми, які можуть накрити одночасно увесь Марс на кілька місяців. Від цього блокується сонячне світло, а атмосферний тиск підвищується на 12%. Наприклад, на вершині гори Олімп – найбільшого вулкану планети висотою близько 20 км – тиск знижується до 0,2 Торічеллі. На поверхні Марсу він становить 4,5 Торічеллі. У глибинах кратера Hellas Planitia тиск підвищується до 8,7 Торічеллі. Земний тиск, наприклад, складає 760 Торічеллі.
Погода впливає на роботу MOXIE і при будівництві великомасштабної установки потрібно враховувати погодні перепади. Наприклад, при збільшенні атмосферного тиску компресор майбутньої установки повинен зменшувати інтенсивність своєї роботи, підтримуючи вихідний тиск сталим.
«Ми створили систему досить стійкою та гнучкою, щоб вона працювала в різних атмосферних умовах, – пояснює Абубакер. – MOXIE може працювати при атмосферному тиску від 2 до 12 Торічеллі».
Потрібна енергія
У NASA оцінюють, що перша команда дослідників Марсу потребуватиме близько 30 кіловат енергії щодня для підтримки своєї життєдіяльності. Повномасштабна установка MOXIE споживатиме приблизно стільки ж енергії. Це може складати проблему, оскільки доступні джерела електрики на Марсі обмежені.
Сонячні панелі є одним з перших, що спадає на думку в якості джерела електрики на Марсі. Однак у них є кілька суттєвих проблем. По-перше, для вироблення достатньої кількості енергії потрібна буде дуже велика кількість панелей. По-друге, пилові бурі та щоденна ніч змушують розробляти дуже ємнісний накопичувач енергії.
Абубакер вважає, що найбільш підходящим рішенням на Марсі буде компактний атомний реактор. Це ефективна та безпечна альтернатива сонячній панелі. Один реактор здатний замінити ціле футбольне поле сонячних панелей. У підсумку на кожен кілограм ваги атомний реактор видаватиме більше енергії, ніж сонячні панелі. the solar power system,” he says.
Подібний атомний реактор вже розробляється і останніми роками проходить випробування. Він називається Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY) та успішно згенерував п’ять кіловат електричної потужності. Це приблизно як три одночасно увімкнені на повну потужність праски.
В майбутньому ядерний реактор можуть збільшити в масштабі, довівши його потужність до кількох мегаватів електричної енергії. Такі установки потрібно буде закопати під марсіанську поверхню або підняти на кілька сотень метрів над поселенням. В такому разі їх не пошкодять зльоти ракет.
Розробники Kilopower вважають, що зможуть підготувати фінальний пристрій до польоту протягом наступного десятиліття. Проблемою, кажуть вони, є відсутність ракети та необхідного обладнання для запуску атомного реактора в космічний політ та його успішного приземлення на Марсі.
Проблема складів
Згенерувати кисень на Марсі – це лише половина справи. Його потрібно ще якось зберігати, що на Червоній планеті робити особливо важко. Кисень потрібно охолодити до температури приблизно -180 градусів Цельсію. Це дуже енергоємнісний процес – на охолодження потрібно вдесятеро більше енергії, ніж на зберігання.
Щоб кисень із рідкого стану не перетворювався знову на газ баки потрібно постійно охолоджувати. Розробка кріогенного баку для Марсу докорінно відрізняється від кріогенного баку, що працює у космічному вакуумі.
«У космосі завдяки вакууму шари теплоізоляції працюють дуже добре, – кажуть у NASA. – Однак на Марсі є атмосфера, тому всі технології, які ми розробили для космічного використання, не працюють».
Інженери можуть спробувати використати підхід, який зарекомендував себе на Землі – це ємності Дьюара. Конструктивно вони представляють собою одну ємність, що вставлена в іншу. Між їхніми стінками знаходиться вакуум.
«Цей вакуум зменшує кількість тепла, яке надходить у внутрішній бак, в якому розміщується кріогенна речовина», – кажуть у NASAю Проблема в тому, що такі технології важкі і їхня доставка на Марс є дуже дорогою.
Сьогодні інженери пробують використати для посудин Дьюара новий тип матеріалів – аерогелі. Тобто такий бак буде надувним і подорожуватиме до Марсу у спущеному стані, а на місці його накачають тиском. Проте з точки зору теплоізоляції вони не такі ефективні.
Пилові бурі також заважають зберіганню зрідженого кисню. Покритий пилом бак буде інтенсивніше поглинати тепло.
Для запобігання накопичення пилу на кріогенних баках у NASA розробляють технологію електростатичного відштовхування пилу. Також можна вдатися до більш традиційного способу – регулярно здувати пил компресором. Ще інженери міркують над такою формою бака, з якої пил сам буде скотуватися під дією гравітації.
Поки перше покоління MOXIE вже готується до експериментів на Марсі, інженери починають займатися розробкою повномасштабної установки. Її можуть привезти на Марс десь у наступні два десятиліття. Проблема тут не в технологіях, а в політиці.
За матеріалами: Popular Mechanics
