Чуть больше месяца назад марсоход NASA Perseverance (настойчивость) совершил посадку на поверхность Марса, за которой наблюдал весь мир. Но только сейчас у него начинается настоящая работа. Не многие знают, но глубоко внутри марсохода спрятан прибор, предназначенный для "вдыхания" атмосферы Марса, богатой углекислым газом, и "выдыхания" кислорода. По сути, это механическое дерево, способное в обозримом будущем изменить Красную планету.
Плотность атмосферы Марса составляет примерно 1% плотности Земной атмосферы. И если человечество мечтает жить и работать на Красной планете, нам будет необходимо производить и хранить кислород на месте, не доставляя его с земли.
«Что будет больше всего "дышать" в предстоящей миссии колонистов на Марсе? Нет, не люди», — говорит Майкл Хечт (Michael Hecht), заместитель директора по управлению исследованиями обсерватории Хейстэк Массачусетского технологического института и главный исследователь проекта NASA MOXIE. «Больше всего будет "дышать" ракета, которая должна доставить людей домой, на землю».
По оценкам NASA, экипажу из четырех человек для создания тяги, необходимой для того, чтобы покинуть марсианскую поверхность потребуется примерно 6,8 тонн топлива и примерно 25 тонн кислорода. Везти такую прорву кислорода с Земли – серьезная проблема для современной космонавтики.
Проходящий в рамках настоящей миссии на марс эксперимент по использованию кислородных ресурсов марса Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, или сокращенно MOXIE и призван решить данную проблему.
Размером примерно с автомобильный аккумулятор, MOXIE является одним из многих экспериментов NASA направленных на исследование возможности использования местных ресурсов (ISRU) и первым из них, кто отправился в космос. По сути, ISRU — это программа, в которой ученые исследуют способы производить различные материалы и предметы из доступных на других планетах ресурсов.
«Если мы действительно хотим покорить планету и заняться чем-то помимо научной миссии, нам придется задуматься о том, чтобы жить за счет локальных ресурсов», — уверяет Джерри Сандерс (Jerry Sanders), возглавляющий группу лидеров ISRU в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне.
NASA вкладывает огромное количество времени и денег — около 50 миллионов долларов в случае с MOXIE — в разработку стратегий создания самоподдерживающихся поселений на Луне и Марсе. После многолетних исследований ученые наконец-то получили возможность выяснить, действительно ли MOXIE и другие подобные эксперименты работают на практике.
Как это работает
В основе функционирования MOXIE лежит метод, называемый электролизом твердых оксидов. Сначала трубка фильтрует и закачивает марсианский углекислый газ в спиральный компрессор, который затем сжимает его до давления, аналогичного тому, которое мы могли бы испытать на Земле, на уровне моря. После этого, полученный таким путём сжатый диоксид углерода отправляется в 10-элементную батарею для осуществления процесса электролиза – отсюда, собственно, и происходит название самого метода.
«Система электролиза, по сути, представляет собой сердце MOXIE», — рассказывает Асад Абубейкер (Asad Aboobaker), сотрудник MOXIE и инженер-системотехник в Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене. Пакет состоит из слоев металла и специальных керамических ячеек, которые используют ионы кислорода для проведения электричества при нагревании до высоких температур. «Если у вас есть приложенное напряжение, вы можете выборочно пропустить ионы кислорода через керамическую мембрану и отделить их от всего остального», — пояснил Абубейкер. В конечном результате получается кислород!
MOXIE является отлаженной системой. Углекислый газ попадает внутрь, а наружу выходят кислород и окись углерод. По словам Хечта, если в систему будет поступать слишком много электроэнергии, в качестве побочного продукта начнут образовываться углерод или сажа. С другой стороны, если приложить слишком низкое напряжение, то слишком большое количество углекислого газа может затопить всю систему и начнет окислять прибор. «Мы обязаны оставаться в наилучшем положении между этими крайностями», — поясняет он.
Будущие возможности
Сейчас MOXIE — это просто проверка и отладка технологии. По оценкам Хечта, в следующие несколько лет MOXIE проработает на марсе в общей сложности около 10 часов. Каждый из пяти двухчасовых экспериментов с прибором сгенерирует от 4 до 7 литров кислорода. Если учесть, что в привычном нам, земном воздухе содержание кислорода колеблется на отметке 20-21%, то полученного объема хватит для дыхания небольшого животного, например средних размеров собаки.
Если в текущей миссии MOXIE сможет успешно продемонстрировать способность генерировать кислород, следующим шагом станут куда более серьезные испытания. По словам Хечта, ученые планируют значительно увеличить сам компрессор, а размер электролизных батарей хотят увеличить аж в 100 раз. Оказывается, система работает таким образом, что увеличение размера и количества блоков также увеличивает и производство кислорода.
Усовершенствованный MOXIE, предназначенный для производства кислорода, достаточного для поддержки миссии с экипажем из четырех человек, должен будет проработать примерно 10 000 часов. Планируется, что его производительность составит 1400 — 2100 литров кислорода в час.
Но модификация конструкции нынешнего MOXIE, с целью производства достаточного, для поддержания небольшой колонии, количества кислорода, — это всего лишь один маленький шаг на пути к устойчивому будущему человечества на Марсе. Есть несколько других ключевых вопросов, мешающих реализации давней мечты человечества о колонизации Марса, которые необходимо решить — например, марсианская погода.
Капризы погоды
Обычно, в течение сола (марсианские сутки), поверхность Марса испытывает колебания температуры более чем на 60-70 градусов Цельсия. Колоссальные пылевые бури могут поглотить всю планету на долгие месяцы, заслоняя солнце и вызывая скачок давления воздуха на целых 12% — это очень существенно для потенциальных колонистов.
«На работу MOXIE погода также оказывает существенное влияние», — рассказал Хечт. Понимание того, как сильные штормы и, в частности, резкие колебания давления воздуха влияют на оборудование прибора, может помочь при проектировании полномасштабной системы в дальнейшем. Например, если будущая полномасштабная система MOXIE столкнется с гребнем высокого давления, ей, возможно, придется замедлить работу компрессора, чтобы уменьшить потребление углекислого газа.
Среднее атмосферное давление на поверхности Марса колеблется в районе 4,5 миллиметров ртутного столба. На вершине крупнейшего вулкана Красной планеты, Олимпа, атмосферное давление падает примерно до 0,2 мм рт. ст., а в глубине ударного кратера Эллада Планития она подскакивает до 8,7 мм рт. ст. Для сравнения: на поверхности Земли атмосферное давление достигает 760 миллиметров рт. ст.
«Мы разработали систему, которая должна быть достаточно надежной и достаточно гибкой, чтобы работать в различных атмосферных условиях», — поясняет Абубейкер. MOXIE может полноценно функционировать в диапазоне атмосферного давления от 2 до 12 мм рт. ст. Пробные запуски будут происходить как днем, так и ночью, когда воздух остывает и становится более плотным. А поскольку между летними и зимними месяцами давление воздуха на марсе может варьироваться до 30%, то испытания будут проводиться в течение всего года. Бортовые датчики Perseverance будут проверять прогресс MOXIE в ходе каждого эксперимента и сообщать, если что-то пойдет не так.
Данные, полученные от этих экспериментов, в конечном итоге будут использоваться при проектировании и разработке будущих укрупненных систем MOXIE, каждая из которых должна будет вырабатывать кислород круглосуточно, независимо от погодных условий.
Экспорт атомной энергетики на Марс
По расчетам NASA, первой команде, которая отправится на Марс, для общего жизнеобеспечения миссии ежедневно будет требоваться примерно 30 киловатт электроэнергии. Полномасштабный MOXIE будет потреблять примерно такое же количество. Хотя солнечные панели и могут показаться очевидным выбором для питания марсианского поселения, но у них также немало недостатков.
Во-первых, потребуется много солнечных панелей для выработки такого количества энергии. А благодаря дневному и ночному циклу Марса и его суровым пылевым бурям, потребуется надежная система для хранения уже накопленной энергии.
Абубейкер утверждает, что наиболее надежным решением в данном случае, вероятно, будет небольшая атомная электростанция. С этим согласен и инженер-ядерщик Дэвид Постон (David Poston) из Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL). Подобное решение станет эффективной и безопасной альтернативой солнечной энергии: один ядерный реактор может заменить солнечную батарею размером с футбольное поле. По его словам «от реактора можно получить больше энергии на килограмм веса установки, чем от солнечной энергосистемы».
Эта технология не нова. В период с ноября 2017 года по март 2018 NASA, лаборатория Национального управления ядерной безопасности (NNSA) Министерства энергетики США и Национальная лаборатория Лос-Аламоса испытали ядерный реактор деления под названием Kilopower Reactor Using Stirling Technology, или KRUSTY.
Спрятанный в пустыне Невада и прошедший "полевые" испытания, ядерный реактор данного типа успешно вырабатывал пять кВт. В прошлом году Национальная лаборатория Лос-Аламоса согласилась передать лицензию на планы строительства реактора Постону и его коллеге по ядерной инженерии из LANL Патрику МакКлюру (Patrick Mcclure) из компании Space Nuclear Power Corporation из Нью-Мексико, также известной как SpaceNukes. По словам МакКлюра, лучший способ проверить данную технологию на месте — это отправить на поверхность Марса спускаемый аппарат, оборудованный четырьмя 10-киловаттными реакторами. Этого должно хватить, чтобы поддерживать жизнь и работу экипажа из шести человек на время их миссии.
Будущие системы Kilopower, расширенные для поддержки более крупных сообществ, смогут генерировать до нескольких мегаватт энергии. По словам Постона, вместо того, чтобы реакторы оставались прикрепленными к посадочному модулю, их нужно либо разместить под поверхностью Марса, либо установить примерно в полумиле от марсианской колонии, которую они питают. Таким образом исключается риск того, что они могут быть повреждены при запуске подъемного аппарата.
Постон считает, что Kilopower будет готов к полетам на другие планеты в течение следующего десятилетия. «Проблема не в нас — мы могли бы построить реактор в течение ближайших лет», — говорит МакКлюр. «Проблема в отсутствии подходящей ракеты-носителя и подходящего оборудования для ее безопасного приземления».
Марсианские заправки
Еще одна проблема, с которой столкнуться будущие колонисты – это проблема хранения ценных материалов и веществ. «В том, как организовать хранилище, нет никакой загадки, но, как и любая инженерная работа на другой планете, это будет совсем непросто», — уверен Хечт. «Знать, как это делать, и осуществить задуманное на практике — две совершенно разные вещи».
Хранить жидкий кислород, необходимый для ракетного топлива, будет особенно трудно. Для этого его необходимо охладить до -2182 градусов по Цельсию — процесс такого охлаждения, по словам Сандерса, невероятно энергоемкий и требует примерно в десять раз больше энергии, чем "простое" хранение. Постоянное охлаждение резервуаров, чтобы кислород не нагревался и не улетучивался в атмосферу планеты, имеет ключевое значение. Создание изолированного криогенного резервуара для поверхности Марса — совершенно другое дело, нежели проектирование аналогично резервуара для использования в космическом вакууме. «В космосе из-за вакуума все слои изоляции работают очень хорошо», — пояснил Сандерс. «Однако на Марсе есть атмосфера, поэтому все технологии, которые мы разработали до сих пор для использования в открытом космосе, вряд ли будут эффективны».
Одним из решений видится отправка стального резервуара с вакуумной "рубашкой", который обычно используется для охлаждения и хранения криогенных жидкостей на Земле. «У вас буквально есть резервуар внутри резервуара, а между этими двумя объектами вы создаете вакуум», — говорит Сандерс. «Этот вакуум снижает количество тепла, которое попадает во внутренний резервуар, содержащий криожидкость». Тем не менее, такие емкости довольно тяжелые, и их отправка на Марс весьма проблематична и будет стоить очень много денег и топлива.
Сандерс говорит, что агентство также изучает возможность использования надувных баллонов, которые во время путешествия на Марс можно плотно упаковать, а по прибытии надуть, как дорожный надувной матрас, который используют многие любители отдыха на природе. Он объясняет, что хотя эти баки и экономят топливо, пространство и деньги, но все же они менее эффективны в отношении теплопотерь. «Пока мы лишь прорабатываем возможность такого варианта», — пояснил ученый.
А еще на Марсе есть пыль. Очень много пыли. «Когда поверхность емкости покрывается пылью, это меняет ее тепловые свойства», — отметил Сандерс. Точно так же, как слой грязи на вершине ледника поглощает тепло и способствует его более быстрому таянию, слой марсианской пыли на вершине криогенного охлаждающего резервуара может начать его нагревать.
Но эту проблему возможно удастся преодолеть в самом ближайшем будущем. Одна группа из Космического центра Кеннеди разрабатывает многообещающую технологию электростатического отталкивания материалов, предназначенную для отталкивания лунной или марсианской пыли от различных поверхностей. Так же, в качестве альтернативы данному методу рассматривается периодическая продувка поверхности резервуара сжатым газом, которая тоже может помочь решить проблему пыли. Правда у учёных есть и еще одно решение, фантастически простое и дешевое – просто ставить емкости под наклоном. По словам Сандерса, строительство наклонного резервуара для хранения приведет к тому, что пыль просто будет сваливаться с него под собственным весом вместо того, чтобы накапливаться на крыше.
Сначала размер этих емкостей будет зависеть только от размеров космических кораблей. Но в будущем агентство планирует строительство более крупных складов — своего рода марсианской "заправки", — благодаря которой колонисты смогут запускать свои восходящие ракеты.
Ближайшие перспективы
Пока MOXIE занимается производством кислорода на Красной планете, команды земных инженеров будут масштабировать систему под человека. Хечт и его команда совместно с компанией Air Squared из Колорадо разрабатывают компрессор большего размера. Другая компания, OxEon Energy из Солт-Лейк-Сити, получила грант от NASA на разработку более крупной установки для электролиза твердых оксидов, способной производить примерно один килограмм кислорода в час. Хечт полагает, что полномасштабная система MOXIE может быть создана и опробована в ближайшие два десятилетия. «Если вы спросите меня "Когда нам ждать результатов?", я отвечу, что это вопрос больше политический, нежели научный. Лично я верю в то, что мы сможем это сделать в 2030-х годах, но только если будем честолюбивы и не перестанем серьезно относиться к нашей работе», — признался ученый.
Ключ к успеху будущего поселения будет заключаться в том, чтобы настроить всё, по крайней мере, за один цикл — примерно за 26 месяцев — до прибытия людей на Красную планету. «Это время, которое мы отводим для наполнения нашего кислородного хранилища, — объясняет Хечт. – Работа начнется сразу, как прибор доберется до Марса, чтобы дать зеленый свет будущим миссиям».
Что ж, возможно именно этот крошечный прибор откроет для человечества новую долгожданную эпоху – эпоху активной колонизации планет Солнечной системы. А вы как считаете? Оставляйте свои мысли по этому поводу в комментариях.
Спасибо за внимание!
Подписывайтесь на канал и ставьте палец вверх если статья вам понравилась. А если не понравилась, то тоже подписывайтесь - дальше будет только интересней!