Мы десятилетиями мечтали отправить людей на другую планету, и с недавним всплеском интереса к исследованию Марса, похоже, что однажды это может стать реальностью.
Но предстоит еще много работы, прежде чем мы будем готовы к тому, чтобы человек ступил на красную планету.
Из всех ресурсов, которые понадобятся посетителям Марса, одним из самых значительных является вода – не только для питья, но и для производства ракетного топлива и других веществ, таких как кислород. И если мы надеемся организовать там сельское хозяйство, нам понадобится много воды, чтобы поддерживать рост культур.
Но поверхность Марса выглядит как сухая, негостеприимная пустыня. Сегодня на Марсе нет ни озер, ни рек, ни осадков.
Так откуда же мы возьмем воду? Мы поговорили с тремя экспертами, чтобы выяснить это.
Эта статья является частью Жизни на Марсе – серии из 10 частей, в которой исследуются передовые научные и технологические достижения, которые позволят людям заселить Марс
Поиск воды на Марсе
Несмотря на то, что нам еще много лет до создания полностью действующей базы на Марсе, космические агентства, такие как НАСА, уже задумываются о проблеме воды. Доставка воды с Земли непрактична – она слишком тяжелая, чтобы везти всю воду, необходимую для миссии, в ракете. Таким образом, план состоит в том, чтобы собирать воду из окружающей среды Марса, и для этого нам нужно знать, где находится вода.
Хорошей новостью является то, что на поверхности Марса много воды в виде льда, в том числе льда, покрывающего полюса и огромные кратеры. Плохая новость заключается в том, что миссия в эти холодные регионы сопряжена с собственными проблемами, такими как количество энергии, необходимое для поддержания тепла как у людей, так и у машин при температурах до -151°С (-240°F). Вот почему в центре внимания большинства миссий на Марс находятся регионы средних широт, где температура более мягкая.
В этих регионах на поверхности нет льда, хотя под землей есть лед. Но если вы не хотите послать астронавта с лопатой, чтобы взять образцы каждого клочка грязи на планете, вам нужен способ быстро и эффективно нанести на карту этот подземный лед.
X отмечает это место
Это то, над чем работают Гарет Морган и Тан Путциг из Института планетарных наук в рамках проекта по картированию подземных водных льдов (SWIM). Они и их коллеги объединили 20-летние данные пяти различных орбитальных приборов на Марсе, чтобы определить, где лед, скорее всего, находится под поверхностью. Сами по себе каждый набор данных, такой как показания радара или показания водорода, может рассказать вам не так много о том, находится ли лед в определенном месте, но в сочетании они могут указать, каковы будут основные места для поиска льда.
Два вида северного полушария Марса (орфографическая проекция с центром на северном полюсе), оба с серым фоном затененного рельефа. Слева светло - серая штриховка показывает зону стабильности северного льда, которая перекрывается с фиолетовой штриховкой исследуемой области ПЛАВАНИЯ. Справа сине-серо-красные оттенки показывают, где в ходе исследования ПЛАВАНИЯ были найдены доказательства наличия (синего) или отсутствия (красного) погребенного льда. Интенсивность цветов отражает степень согласия (или согласованности), демонстрируемую всеми наборами данных, используемыми проектом.
Цель их работы состоит в том, чтобы помочь НАСА выбрать будущие места посадки для миссий с экипажем, чтобы астронавты могли получить доступ к подземному льду, предоставляя при этом как можно больше свободы для выбора научно интересного района исследований.
“Технология и инженерия определят, как поместить людей на Марс”, - сказал Морган, - “и у них будут свои собственные ограничения на то, где это может произойти. Они также хотят, чтобы научное сообщество нашло наиболее научно жизнеспособные, интересные и увлекательные места для посадки. Поэтому наша задача-соединить оба этих мира, предоставив обеим командам широкое понимание того, где находятся ресурсы”.
Эта карта может показать, где можно найти лед, но только в том случае, если этот лед находится менее чем на пять метров под землей. Также трудно точно определить, насколько глубоко залегает лед в той или иной области, поскольку используемые методы зондирования могут дать лишь приблизительные оценки содержания льда там.
И есть большая практическая разница в том, насколько трудно добраться до льда, находящегося на несколько дюймов ниже поверхности, по сравнению со льдом, находящимся под метрами плотной породы.
Новый инструмент для обнаружения льда
Чтобы выяснить, насколько глубок лед на Марсе, нам понадобятся новые усилия, такие как миссия по картографированию марсианских льдов: космический аппарат, над которым совместно работают НАСА и другие международные космические агентства, который будет вращаться по орбите Марса и использовать два типа радиолокационных методов для обнаружения того, насколько глубоко лед находится под поверхностью.
“Основная идея состоит в том, чтобы иметь радар с более высокой частотой и более высоким разрешением”,-объяснил Путциг. Миссия Ice Mapper все еще находится на стадии разработки, и они с Морганом не принимают в ней непосредственного участия. Но они слышали о концепциях миссии от других ученых, и они поделились некоторыми подробностями о том, как это будет работать.
Первый радиолокационный метод, который будет использовать картограф, называется радиолокационным отображением с синтезированной апертурой. Это включает в себя радар, направленный под углом к поверхности, что “дает вам представление о широком распространении мелкого льда”, - сказал Путциг. “С помощью этого метода вы можете относительно быстро отобразить это в большом регионе”.
Второй метод-радиолокационное зондирование, при котором радар направлен прямо вниз, чтобы отскакивать от верхней части слоя льда. Это говорит вам, насколько глубок слой льда. Когда вы объединяете их, “вы получаете вид карты и вид в поперечном сечении”,-сказал он.
И тогда ты знаешь, где копать.
Доступ к воде, как только мы ее найдем
Обнаружение льда-это только первый шаг в сборе воды. Чтобы добраться от глыб твердого льда под землей до чистой, безопасной воды для питья и других целей, нам нужно будет найти способ извлечения и обработки льда.
Если вы знаете, на какой глубине находится лед, и считаете, что там есть значительный объем льда, к которому можно получить доступ, вы можете пробурить скважину, чтобы добраться до него. Проблема, как и Сидней, объяснил руководитель проекта картирования воды на Марсе в Лаборатории реактивного движения НАСА, заключается в том, что вам нужно знать, через какую породу вы будете бурить, чтобы вы могли принести правильный инструмент для работы.
Эта радужная карта показывает подземный водяной лед на Марсе. Холодные цвета ближе к поверхности, чем теплые цвета; черные зоны указывают области, где космический корабль погрузился бы в мелкую пыль; очерченный прямоугольник представляет собой идеальную область для отправки астронавтов, чтобы они выкопали водяной лед.
В настоящее время наше понимание состава поверхности и недр Марса ограничено, что вызвало проблемы в миссиях на Марс, таких как InSight, когда тепловой зонд посадочного модуля не мог проникнуть под поверхность, потому что уровень трения в почве немного отличался от ожидаемого. Поэтому нам понадобится больше информации о составе горных пород в определенной области, прежде чем мы сможем спроектировать буровую скважину для прохода в нее.
Как только вы пробурили скважину во льду, вы можете использовать систему, называемую скважиной Родригеса, которая в настоящее время используется на Земле в таких местах, как Антарктида, для доступа к воде. По сути, вы погружаете нагретый стержень в пробуренную скважину, которая плавит лед и создает колодец с жидкой водой, которую затем можно выкачивать на поверхность. Для этого требуется подача энергии в виде тепла, но это эффективный способ доступа к потенциально большим объемам воды.
Обожженные камни
Существует также другой вариант сбора воды: мы могли бы добывать ее из гидратированных минералов, которых в изобилии во многих районах Марса. Там есть такие камни, как гипс, которые содержат воду, и если вы раздавите, а затем испечете эти камни, вы сможете сконденсировать воду и собрать ее.
Но обнаружить эти минералы непросто. Чтобы идентифицировать эти гидратированные минералы с орбиты, исследователи используют метод, называемый спектроскопией отражения. Приборы на космических аппаратах вокруг Марса могут обнаруживать солнечный свет, когда он отражается от поверхности, создавая так называемые спектры. Некоторые длины волн отраженного света поглощаются определенными химическими веществами, что позволяет ученым сделать вывод о том, из чего состоят камни внизу. Но этот сигнал является средним только для наблюдаемой области, и может существовать несколько химических веществ, которые поглощают одни и те же длины волн. Поэтому расшифровка различных сигналов может оказаться непростой задачей.
“Мне нравится объяснять это так: у вас есть торт, который вы получили, - сказал До. - Вы должны попытаться выяснить, из каких ингредиентов он был сделан и сколько каждого ингредиента способствовало приготовлению этого торта. По сути, именно это мы и делаем с этими отражающими сигналами – мы пытаемся разложить их на составные части, чтобы выяснить, что там внутри”.
Обеспечение безопасности воды
В любом случае, как только вы соберете воду, растопив лед или обжигая камни, вам нужно будет ее обработать. Вода может быть полна вредных примесей, таких как тяжелые металлы или соли, такие как перхлораты, поэтому ее необходимо очистить и опреснить, прежде чем ее можно будет использовать. Теоретически мы знаем, как это сделать, используя аналогичную обработку воды на Земле, но проблема на Марсе заключается в том, что в настоящее время мы не знаем, каких загрязнений ожидать.
Как и во многих аспектах управления водными ресурсами на Марсе, проблема не в концепции, а в исполнении. Технология управления водными ресурсами на Земле хорошо изучена, но еще многое предстоит сделать, прежде чем мы сможем создать систему, которая работала бы на другой планете.
“Мы знаем фундаментальные принципы для этого”, - сказал До. “Но мы не до конца понимаем условия окружающей среды, в которых нам пришлось бы эксплуатировать это оборудование”. Все, начиная от разреженной атмосферы Марса и заканчивая его низкой гравитацией и обилием пыли, может изменить способ работы машин. Не говоря уже о том, что для запуска ракеты система водоснабжения должна быть не только небольшой и достаточно легкой, но и чрезвычайно надежной — на Марсе нет ремонтных мастерских.
Именно здесь появится следующий рубеж технологических инноваций. Прямо сейчас у нас есть знания о том, как построить систему для добычи и обработки воды, сказал До, “но превращение этих принципов в технологию, которая надежно работает в среде, которую мы ожидаем, – это все еще остается открытым”.
