Elon Musk spricht oft davon, ein SpaceX-Raumschiff innerhalb eines Jahrzehnts für eine bemannte Mission zum Mars vorzubereiten, und das Flugzeug wird bereits im nächsten Jahr zum ersten Mal gestartet. Aber so einschüchternd es auch sein mag, Menschen zum ersten Mal auf einen anderen Planeten zu schicken, es ist nur die halbe Herausforderung, dorthin zu gelangen. Das große Problem ist, wie Menschen auf der Oberfläche eines Planeten mit einer nicht atmungsaktiven, dünnen Atmosphäre existieren können, die von kosmischer Strahlung getroffen wird, mit eiskalten Oberflächentemperaturen, Millionen von Meilen von zu Hause entfernt.
Wir wollten wissen, wie Sie einen fremden Planeten für die menschliche Besiedlung vorbereiten können, und sprachen mit zwei Experten, Professor Michael Hecht vom Massachusetts Institute of Technology und NASA-Ingenieur Asad Aboobaker, um herauszufinden, wie Astronauten auf einem Planeten am Leben bleiben können, der dies wünscht um sie zu töten.
Ein Fenster der Gelegenheit
Es gibt eine wesentliche Zeitverzögerung, Menschen auf den roten Planeten zu schicken. Aufgrund der Umlaufbahnen von Erde und Mars ist der einfachste Weg, von einem Planeten zum anderen zu gelangen, die Verwendung einer Flugbahn, die als Hohmann-Transferbahn bezeichnet wird und in der sich ein Fahrzeug in einer Bahn bewegt, die sich allmählich nach außen windet.
"Das liegt an der Art und Weise, wie sich die Planeten drehen", erklärte Hecht. „Die Erde befindet sich in der Umlaufbahn des Mars und dreht sich schneller als der Mars. Sie überlappt sie also ein paar Mal. Ein Marsjahr ist fast zwei Erdjahre. “
„Also musst du den Start zeitlich festlegen. Und jedes Marsjahr gibt es ein Fenster - alle 26 Monate, zu einer Zeit, die als Mars-Opposition bezeichnet wird, wenn sich der Mars in der Nähe der Erde befindet. Sie haben also alle 26 Monate die Möglichkeit, ein Raumschiff in dieser optimalen Umlaufbahn zum Mars zu starten. … Die Pläne für Mars sind also, zuerst die Infrastruktur und dann 26 Monate später die Besatzung zu schicken. “
"Alle 26 Monate haben Sie die Möglichkeit, ein Raumschiff in dieser optimalen Umlaufbahn zum Mars zu starten."
Das Senden von Infrastruktur bedeutet jedoch nicht nur, dass die Astronauten Luft zum Atmen und Nahrung zum Essen haben. Es bedeutet auch, ein Kraftwerk, einen Lebensraum, Rover und ein Aufstiegsfahrzeug zu senden und zu bauen, damit die Astronauten nach Beendigung ihrer Mission abreisen können.
Chris DeGraw / Digitale Trends Warum Sauerstoff so wichtig ist
Das erste große Problem beim Aufbau einer Marsbasis ist die Produktion von Sauerstoff. Wenn Sie von der Sauerstoffproduktion auf dem Mars hören, denken Sie wahrscheinlich an das grundlegendste menschliche Bedürfnis: Luft zum Atmen zu haben. Und natürlich müssen wir einen Weg finden, um eine atmungsaktive Atmosphäre in einem geschlossenen Mars-Lebensraum zu erzeugen. Dies erfordert jedoch nur eine relativ geringe Menge an Sauerstoff im Vergleich zu dem großen Bedarf - dem Treibmittel für die Rakete, mit der Astronauten von der Oberfläche abgefeuert werden.
"Wir versuchen, Raketentreibstoff herzustellen", sagte Hecht. "Wir versuchen nicht, Kraftstoff herzustellen, wir versuchen, den Teil der chemischen Reaktion zu erzeugen, an den wir auf der Erde nie denken." Wenn Sie hier auf der Erde Benzin in Ihrem Automotor verbrennen, verbrauchen Sie mehrmals das Gewicht des Kraftstoffs in Sauerstoff, um diese Reaktion zu erzeugen. Das gleiche gilt für das Verbrennen eines Baumstamms in einem Kamin.
Getty Images / Handout "Wenn Sie irgendwohin gehen, wo es keinen freien Sauerstoff gibt, müssen Sie ihn mitnehmen", sagte Hecht.
Moderne Raketen haben Flüssigsauerstofftanks, die dieses Treibmittel liefern, und sie machen beim Start einen beträchtlichen Teil des Gewichts aus.
"Wir würden fast 30 Tonnen Sauerstoff benötigen, um diese Rakete anzutreiben und diese Astronauten vom Planeten in die Umlaufbahn zu bringen", sagte Hecht. „Und wenn wir diese 30 Tonnen Sauerstoff zum Mars mitnehmen müssen, wird dies die gesamte Mission ein Jahrzehnt zurückschieben. Es ist viel einfacher, einen leeren Tank zu schicken und ihn dort mit Sauerstoff zu füllen. “
Nutzen Sie das, was verfügbar ist
Um Sauerstoff auf dem Mars zu erzeugen, arbeiten Hecht und seine Kollegen an einem Konzept namens In-situ-Ressourcennutzung (ISRU). Im Wesentlichen bedeutet dies, das zu nutzen, was sich bereits auf dem Mars befindet, um das zu schaffen, was wir brauchen.
Sie haben ein Experiment namens MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment) gebaut, das mit dem NASA Perseverance Rover zum Mars fahren wird, wenn es diesen Sommer startet. Diese Mini-Version eines möglicherweise viel größeren Geräts nimmt Kohlendioxid auf, das in der Marsatmosphäre reichlich vorhanden ist, und produziert Sauerstoff.
Das mag kompliziert klingen, aber tatsächlich ähnelt das Gerät etwas, das hier auf der Erde bekannt ist. "MOXIE ist einer Brennstoffzelle sehr ähnlich", sagte Hecht. „Es ist fast identisch. Wenn Sie eine Brennstoffzelle nehmen und die beiden eingehenden Drähte umkehren würden, hätten Sie ein Elektrolysesystem. Das heißt, wenn dies eine Brennstoffzelle wäre, hätten Sie einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel, die ein stabiles Molekül ergeben. Wenn es Kohlenmonoxid als Brennstoff und Sauerstoff wäre, würde es Kohlendioxid erzeugen. Sie bekommen auch Strom raus.
Dies nimmt Kohlendioxid auf, das in der Marsatmosphäre reichlich vorhanden ist, und produziert Sauerstoff
„Wenn Sie es rückwärts laufen lassen, müssen Sie Kohlendioxid und Elektrizität einfüllen. Aber Sie bekommen Kohlenmonoxid und Sauerstoff raus. So wissen wir, wie das geht. “
Diese scheinbar einfache Idee ist radikal, weil sie ein Problem angeht, das kaum jemand außerhalb der Weltraumgemeinschaft als Problem ansieht: die Erzeugung von Sauerstoff. "Niemand will Sauerstoff auf der Erde produzieren - wir haben keinen Grund dazu", sagte Hecht. „Wir haben überall genug davon. Aber wir haben aufgrund von Brennstoffzellen viel Wissen. “
Wie man eine Sauerstoffmaschine baut
Das Verständnis der chemischen Prinzipien bei der Herstellung einer Sauerstoffmaschine ist eine Sache, aber das Entwerfen und Erstellen einer Version, die in einen Rover passt, ist eine andere. Asad Aboobaker, ein Thermotechniker für MOXIE am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, der während seiner gesamten Entwicklung am MOXIE-Projekt beteiligt war, erklärte, wie das Experiment aufgebaut war und welche Herausforderungen das JPL-Team bewältigen musste:
"Die größte Ressourcenbeschränkung, die wir neben der Masse und dem kleinen Raum zum Arbeiten hatten, war Energie", sagte er. „Der Rover verfügt über einen thermoelektrischen Radioisotopgenerator, der eine Kernkraftquelle darstellt. Die Leute denken also, dass der Rover mit Atomkraft betrieben wird, aber das ist es nicht. Es ist batteriebetrieben und verfügt über ein nukleares Erhaltungsladegerät. “
NASA Das bedeutet, dass die Forscher äußerst vorsichtig sein müssen, wie viel Strom sie verbrauchen, um die Batterie nicht zu entladen. Der gesamte Perseverance Rover läuft mit nur 110 Watt, was nur ein bisschen mehr ist als eine helle Glühbirne.
Ein Experiment wie MOXIE kann wiederum nur wenig Strom verbrauchen. "Damit ist eine Grenze festgelegt, wie viel Heizleistung wir zum Aufheizen verwenden können, wie viel Leistung der Kompressor, der das Gas in das System bläst, aufnehmen kann und wie lange wir laufen können", sagte Aboobaker.
Aus diesem Grund ist die Version von MOXIE, die mit Ausdauer unterwegs ist, so klein, obwohl das System in größerem Maßstab genauso gut oder sogar besser funktionieren würde.
Wir wollen nur wissen, ob es funktioniert
Das Design der Ausrüstung ist jedoch nur eine Seite des Experiments - die andere Seite prüft, ob es tatsächlich auf dem Mars funktioniert. Selbst mit einem Konzept, das hier auf der Erde solide funktioniert, kann es unerwartete Folgen fremder Umgebungen geben, von der dünnen Atmosphäre, die die Wärmeübertragung beeinflusst, bis hin zu Lagern, die aufgrund geringerer Schwerkraft und ungewohntem Staub auf unerwartete Weise abgenutzt sind. Aus diesem Grund werden die JPL-Ingenieure Daten von MOXIE sammeln, um zu sehen, wie sie in einer echten Marsumgebung abschneiden.
"In vielerlei Hinsicht nimmt MOXIE nicht wirklich wissenschaftliche Daten", sagte Aboobaker. Im Vergleich zu wissenschaftlichen Instrumenten wie Teleskopen oder Spektrometern, die zur Analyse von Gesteinsproben verwendet werden, sind die von MOXIE gesammelten Daten relativ einfach. „Was wir haben, ist fast wie das Entwickeln von Telemetriedaten. Wir messen Spannungen, Ströme und Temperaturen, solche Dinge. Das sind unsere Daten, und das Datenvolumen ist eigentlich recht klein. Sie könnten es fast auf eine Diskette passen. “
„Das Datenvolumen ist eigentlich recht klein. Man könnte es fast auf eine Diskette passen. “
Das bedeutet, dass das Team innerhalb weniger Tage sehr schnell eine Rückmeldung darüber erhalten kann, ob das System wie vorgesehen funktioniert. Im Gegensatz zu anderen Perseverance-Instrumenten, für die die Datenanalyse Wochen, Monate oder sogar Jahre dauert, ist MOXIE eine praktische Demonstration ebenso wie ein Experiment.
"In vielerlei Hinsicht tun wir nicht Wissenschaft, sondern Technologie", sagte Aboobaker. „Meistens wollen wir nur wissen, ob es funktioniert. Und wenn wir es in Zukunft vergrößern wollten, was müssten wir dafür tun? “
Eine McMurdo Station für den Mars
Wenn MOXIE erfolgreich ist, kann es zeigen, wie das Prinzip von ISRU auf dem Mars funktionieren kann. Dann ist es relativ einfach, das Projekt zu vergrößern und eine Vollversion zu erstellen, die viel schneller Sauerstoff produzieren kann. Und die gute Nachricht ist, dass eine größere Version effizienter wäre und eine beträchtliche Menge Sauerstoff produzieren könnte, ohne zu viel Strom zu benötigen.
Mit sortiertem Sauerstoff könnten wir uns den anderen Ressourcen zuwenden, die wir für Menschen auf dem Mars benötigen würden. Eine weitere der wichtigsten Ressourcen, die wir benötigen würden, um eine Basis auf dem Planeten zu errichten, ist Wasser. Nicht nur für den Menschen zum Trinken, sondern auch, weil Wasser (oder Wasserstoff) und Kohlendioxid zu einer Vielzahl nützlicher Chemikalien kombiniert werden können.
"Die Idee ist kurzfristig, dass wir eine gewisse Menge an autonomem ISRU durchführen wollen, um unsere Missionen durchführbar zu machen", sagte Hecht. „Sobald wir eine Basis auf dem Planeten haben, wie die McMurdo-Station in der Antarktis oder die Internationale Raumstation, können Sie über viel aggressivere Arten von ISRU nachdenken, wie den Abbau von Eis.
NASA / JPL-Caltech „Viele Menschen sind der Meinung, wir sollten autonom nach Eis graben. Aber ich sage nein, die Mühe lohnt sich nicht. Eis ist ein Mineral, das heißt, man muss es suchen, man muss es ausgraben, man muss es reinigen. Es wird einfacher sein, es einfach mitzubringen.
„Während so etwas wie MOXIE ein mechanischer Baum ist. Es atmet Kohlendioxid ein und Sauerstoff aus. “ Im Vergleich zur Jagd nach Ressourcen wie Bergbau ist MOXIE viel einfacher. „Es muss nirgendwo hingehen, es muss nichts suchen. Dies sind die Arten von IRSU-Methoden, die kurzfristig wirklich praktisch sind. Sie verschieben den Rest, bis Sie Leute an der Oberfläche haben, die kompliziertere Aufgaben erledigen können. “
Unerwartetes Kopfgeld des Mars
Der Mars hat zwar viel Wassereis, befindet sich aber an den Polen, während sich die meisten Mars-Missionen auf die Landung am Äquator konzentrieren möchten, der wie eine Wüste ist. Aktuelle Konzepte zur Lösung dieses Problems umfassen die Idee der globalen Eiskartierung, bei der Standorte kleinerer Eismengen für die zukünftige Verwendung kartiert werden könnten.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Mineralien im Marsboden Wasser zu entziehen. "Es gibt Mineralien wie Gips und Bittersalz, die Sulfate sind und viel Wasser anziehen", erklärte Hecht. „Also könntest du sie ausgraben und backen und das Wasser rausholen. Du könntest den Boden nach Wasser abbauen, das ziemlich reichlich ist. “
Aber der Mars hat nicht nur ähnliche Materialien wie die, die wir hier auf der Erde finden. Es enthält auch große Mengen einer Chemikalie namens Perchlorat (ClO4), die für die menschliche Gesundheit gefährlich ist und nur in geringen Mengen auf unserem Planeten vorkommt. Obwohl diese Substanz giftig ist, kann sie aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften äußerst nützlich sein, da sie beispielsweise für Feststoffraketen-Booster, Feuerwerkskörper und Airbags verwendet wird.
"Auf dem Mars stellt sich heraus, dass das meiste Chlor im Boden Perchlorat ist", sagte Hecht. „Es macht fast 1% des Bodens aus. Und es hat eine enorme Menge an Energie. Wenn Sie Sauerstoffatome aus dem ClO4 freisetzen, um Cl herzustellen, setzt es eine enorme Menge an Energie frei. Ich habe immer gedacht, dass dies eine großartige Ressource für die Ernte wäre. “
"Wenn Sie Sauerstoffatome aus dem ClO4 freisetzen, um Cl herzustellen, setzt es eine enorme Menge an Energie frei."
Das Problem dabei ist, dass diese Anwendungen alle explosiv sind und die Kontrolle der Reaktion von ClO4 eine Herausforderung darstellt. Es gibt jedoch ein System, das die Energie mithilfe eines biologischen Reaktors sanft freisetzen kann.
"Mikroben können dieses Zeug essen und Energie produzieren", erklärte Hecht. „Und die Leute haben tatsächlich solche biologischen Reaktoren gebaut, bei denen es sich um Bakterientanks handelt, die Substanzen verdauen und daraus Energie entziehen.
„Ich habe also die Vision eines biologischen Reaktors im Heck eines Rovers, und der Astronaut steigt ein und fährt herum. Und wenn die Leistungsanzeige niedrig wird, steigen sie aus und schaufeln Erde in einen Trichter im Rücken. Die Mikroben fressen den Boden und erzeugen Energie, und der Astronaut kann weiterfahren.
Es ist eine verrückte Idee, aber das ist mein Konzept zur Nutzung von Haustierressourcen. “
Ein nervöses Warten
Im Moment haben die MOXIE-Ingenieure alle möglichen Verbesserungen und Anpassungen vorgenommen, wobei das Instrument bereits geliefert und in den Perseverance-Rover integriert wurde. Sie müssen warten, bis der Rover im Juli startet und im Februar 2021 auf dem Planeten landet, um zu sehen, ob sich ihre harte Arbeit gelohnt hat und ob sie tatsächlich Sauerstoff auf dem Mars erzeugen können.
Wenn dies ein Erfolg ist, eröffnet es eine völlig neue Welt von Ressourcen, mit denen wir den Mars erkunden und erfinderisch das nutzen können, was wir finden, um das zu schaffen, was wir brauchen.