Марсоход Perseverance доставил на Марс Прист, который может изменить историю, превратив пустынную планету в удобное для жизни и путешествий место. Прибор NASA MOXIE должен начать генерировать кислород, без достаточных количеств которого невозможно свободно жить на этой планете. Также кислород является ключевым компонентом ракетного топлива.
Атмосфера Марса непригодна для людей не только потому, что ее плотность сверхнизкая — она составляет около 1% от земного. Главным препятствием является состав марсианской атмосферы, содержит мизерное количество кислорода и богатая двуокисью углерода.
Підписуйтесь на наш Telegram.
«Что дышит всего во время миссии на Марс?, — спрашивает помощник директора обсерватории Haystack Майкл Хекхт. — Это ракета, отвезет вас домой с Марса «.
По данным NASA, чтобы вывезти команду из четырех человек с Марса нужно примерно 6,8 тонн горючего и 24,95 тонн кистью. Доставлять такие объемы горючего и окиснювальника с Земли является большой проблемой.
Радикально изменить перевозки по маршруту Марс-Земля имеет устройство Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE). Этот гаджет имеет размер с аккумулятор обычного автомобиля, имеет генерировать нужные ресурсы непосредственно на Красной планете. Стоимость этой установки составляет примерно $50 млн.
«Если мы действительно хотим взлететь с планеты и выполнять то кроме научной миссии, нужно начать думать как ее покидать», — говорит один из разработчиков проекта Джерри Сандерс.
MOXIE для своей работы использует метод под названием электролиз твердыми оксидами. Сначала специальная камера наполняется отфильтрованной марсианской атмосферой. Затем ее сжимает компрессор к давлению, что примерно равен земному на уровне моря. Сжата двуокись углерода направляется до 10 ячеек электролиза.
Каждая электролизная ячейка состоит из слоев металла и специализированного керамического материала. Они при нагревании начинают поглощать кислород.
«Если приложить к ним электрический ток, можно выборочно перемещать ионы кислорода через керамическую мембрану, отделяя их от всего остального», — говорит один из разработчиков MOXIE Асад Абубакер.
Марсианский двуокись углерода разделяется в MOXIE кислородом на монооксид углерода. Последний является побочным продуктом и его возвращают в атмосферу. Если процесс выйдет из-под контроля и система будет получать много електроенерии, в ней может образовываться углерод. При недостаточной напряжении СО2 может переполнить систему и начать окислять сам инструмент.
Сейчас MOXIE является лишь демонстрацией технологии, поэтому за следующие несколько лет прибор будет работать около 10:00 всего. Каждый этап продлится примерно по 2:00 и за это время удастся сгенерировать 6-10 граммов кислорода. Этого достаточно для непродолжительного дыхания небольшой собаки.
Однако если MOXIE покажет, что можно успешно генерировать кислород на Марсе, в NASA готовы к следующему шагу — строительства большой установки. Планируется сделать устройство в сотни раз больше текущий. Это означает больший компрессор, большую камеру электролиза, большее количество электролизных ячеек.
Большая установка должна будет иметь ресурс в 10 000 часов, генерируя примерно 2-3 килограмма кислорода в час.
Погода в доме
Однако обеспечение кислородом является лишь первым шагом к тому, чтобы превратить Марс в гостеприимными планету. Нужно поработать также над погодой на ней.
В произвольно выбранный день на Марсе наблюдается большое колебание температур — на уровне 65 градусов Цельсия в сутки.
На планете образуются колоссальные пылевые штормы, которые могут накрыть сразу весь Марс на несколько месяцев. От этого блокируется солнечный свет, а атмосферное давление повышается на 12%. Например, на вершине горы Олимп — крупнейшего вулкана планеты высотой около 20 км — давление снижается до 0,2 Торичелли. На поверхности Марса он составляет 4,5 Торичелли. В глубинах кратера Hellas Planitia давление повышается до 8,7 Торичелли. Земной давление, например, составляет 760 Торичелли.
Погода влияет на работу MOXIE и при строительстве крупномасштабной установки нужно учитывать погодные перепады. Например, при увеличении атмосферного давления компрессор будущей установки должен уменьшать интенсивность своей работы, поддерживая выходное давление постоянным.
«Мы создали систему достаточно устойчивой и гибкой, чтобы она работала в различных атмосферных условиях, — объясняет Абубакер. — MOXIE может работать при атмосферном давлении от 2 до 12 Торичелли «.
Нужна энергия
В NASA оценивают, что первая команда исследователей Марса потребует около 30 киловатт энергии ежедневно для поддержания своей жизнедеятельности. Полномасштабная установка MOXIE потреблять примерно столько же энергии. Это может составлять проблему, поскольку доступные источники электричества на Марсе ограничены.
Солнечные панели является одним из первых, что приходит на ум в качестве источника электричества на Марсе. Однако у них есть несколько существенных проблем. Во-первых, для выработки достаточного количества энергии потребуется очень большое количество панелей. Во-вторых, пыльные бури и ежедневная ночь заставляют разрабатывать очень емкостный накопитель энергии.
Абубакер считает, что наиболее подходящим решением на Марсе будет компактный атомный реактор. Это эффективная и безопасная альтернатива солнечной панели. Один реактор способен заменить целое футбольное поле солнечных панелей. В итоге на каждый килограмм веса атомный реактор выдавать больше энергии, чем солнечные панели. the solar power system, «he says.
Подобный атомный реактор уже разрабатывается и в последние годы проходит испытания. Он называется Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY) и успешно сгенерировал пять киловатт электрической мощности. Это примерно трех одновременно включены на полную мощность утюга.
В будущем ядерный реактор могут увеличить в масштабе, доведя его мощность до нескольких мегаватт электроэнергии. Такие установки нужно будет закопать под марсианскую поверхность или поднять на несколько сотен метров над поселением. В таком случае их не повредят взлеты ракет.
Разработчики Kilopower считают, что смогут подготовить финальный устройство к полету в течение следующего десятилетия. Проблемой, говорят они, является отсутствие ракеты и необходимого оборудования для запуска атомного реактора в космический полет и его успешного приземления на Марсе.
Проблема складов
Сгенерировать кислород на Марсе — это только половина дела. Его нужно еще как-то хранить, что на Красной планете делать особенно трудно. Кислород нужно охладить до температуры примерно -180 градусов Цельсия. Это очень енергоемнисний процесс — на охлаждение нужно в десять раз больше энергии, чем на хранение.
Чтобы кислород из жидкого состояния не превращался обратно в газ баки нужно постоянно охлаждать. Разработка криогенного бака для Марса в корне отличается от криогенного бака, работающий в космическом вакууме.
«В космосе благодаря вакууму слои теплоизоляции работают очень хорошо, — говорят в NASA. — Однако на Марсе есть атмосфера, поэтому все технологии, которые мы разработали для космического использования, не работают «.
Инженеры могут попытаться использовать подход, который зарекомендовал себя на Земле — это емкости Дьюара. Конструктивно они представляют собой одну емкость, вставлена ??в другую. Между их стенками находится вакуум.
«Этот вакуум уменьшает количество тепла, которое поступает во внутренний бак, в котором размещается криогенная вещество», — говорят в NASA Проблема в том, что такие технологии тяжелые и их доставка на Марс очень дорогой.
Сегодня инженеры пытаются использовать для сосудов Дьюара новый тип материалов — аэрогеле. То есть такой бак будет надувным и путешествовать к Марсу в спущенном состоянии, а на месте его накачают давлением. Однако с точки зрения теплоизоляции они не так эффективны.
Пыльные бури также мешают хранению сжиженного кислорода. Покрытый пылью бак будет интенсивнее поглощать тепло.
Для предотвращения накопления пыли на криогенных баках в NASA разрабатывают технологию электростатического отталкивания пыли. Также можно прибегнуть к более традиционному способу — регулярно сдувать пыль компрессором. Еще инженеры думают над такой формой бака, с которой пыль сам будет скотуватися под действием гравитации.
Пока первое поколение MOXIE уже готовится к экспериментам на Марсе, инженеры начинают заниматься разработкой полномасштабной установки. Ее могут привезти на Марс где в последующие два десятилетия. Проблема здесь не в технологиях, а в политике.
По материалам: Popular Mechanics
