Вдох-выдох: как ученым удалось получить кислород на Марсе
Атмосфера Марса существенно отличается от земной — она куда менее плотная и почти на 96% состоит из углекислого газа, следовательно, дышать марсианским воздухом люди не смогут. Тем не менее, последние новости доказывают, что кислород на Марсе добыть все-таки возможно. Рассказываем, как удалось получить кислород и приближает ли нас это к путешествию на Красную планету.
Как удалось получить кислород?
Перед отправкой на Марс, робот Perseverance снабдили семью научными разработками, направленными на изучение планеты, но сейчас все внимание направлено на девайс под названием MOXIE.
MOXIE — это целая экспериментальная система, направленная на утилизацию и переработку местных ресурсов, в данном случае — в кислород. Другими словами, MOXIE создает кислород по принципу деревьев — вдыхает углекислый газ, а выдыхает кислород. Но процесс переработки включает в себя много деталей, а атмосфера Марса более «тонкая», чем у Земли и на 96% состоит из углекислого газа. Сначала MOXIE втягивает в себя марсианский «воздух» специальным насосом, затем с помощью электрохимического процесса отделяет один атом кислорода от каждой молекулы углекислого газа. Для такой конверсии требуются высокие температуры — около 800 °C, поэтому система оборудована термостойкими материалами, а поверхность и вовсе покрыта тонким слоем золота, который отлично отражает инфракрасные лучи и не позволяет высоким температурам повредить другие части Perseverance. Пока газы проходят через систему, MOXIE анализирует, сколько кислорода произведено, насколько он чистый и как эффективно работает сам аппарат. После каждого теста все газы вентилируются обратно в атмосферу Марса.
Теперь мы можем дышать кислородом, созданным на Марсе?
Не совсем. Дело в том, что сам MOXIE является экспериментальным прототипом размером с тостер, встроенным в Perseverance, а не полноценной отдельной системой. Конкретно этот аппарат не сможет выработать достаточно кислорода для длительной миссии: за год работы на поверхности Марса четырем астронавтам понадобится примерно 1 т кислорода, а в свой первый заход MOXIE произвел, даже по мнению NASA, довольно скромную массу — около 5 г, чего хватит на 10 минут дыхания одного человека. Но нынешний прототип и не рассчитан на большие объемы, главная цель ученых — посмотреть, справится ли он с основным техзаданием, а именно — минимум десять раз произвести около 6 г кислорода 98%-чистоты за час.
Первый запуск прошел вполне успешно, но дальше MOXIE ждут более сложные задачи. Поскольку в будущем полноценной системе придется работать при любых погодных условиях Марса, следующие девять тестовых циклов MOXIE пройдут в разное время суток, различных температурных режимах и, если удастся, даже во время пылевых бурь, которые могут быть очень опасны не только для будущих астронавтов, но и для роботов: в 2019 году из-за гигантской бури марсоход Opportunity перестал выходить на связь, и NASA была вынуждена завершить миссию.
Что это даст космическим экспедициям?
По сути, речь идет о реальной возможности не только отправить, но и вернуть астронавтов домой с Марса. Конечно, кислород нужен самому экипажу, но научный руководитель проекта MOXIE Майкл Хэтч считает это лишь приятным бонусом, а главной целью — обеспечение достаточным количеством кислорода ракеты, чтобы произвести запуск с поверхности планеты. Чтобы сжечь топливо во время запуска, космическому кораблю понадобится около 25 т кислорода. Везти такой объем с Земли на Марс очень дорого и небезопасно.
Поэтому успех маленького MOXIE показал ученым самое главное — технология работает, а значит пилотируемая экспедиция NASA на Марс к 2030 году становится все более реальной. Разработки нового прототипа уже ведутся, и в ближайшем будущем обновленный MOXIE будет почти как сам Perseverance — весом около 1 т, размером чуть больше бытовой печки, а вырабатывать аппарат станет уже тонны кислорода.
Еще одно важное последствие успеха MOXIE — шаг в сторону усовершенствования систем утилизации и переработки местных ресурсов. В будущем такие устройства смогут производить из внеземных продуктов не только кислород, но и, например, питьевую воду, строительные материалы, топливо для ракет, гигиенические продукты и даже создавать условия для выращивания растений. Это значит, что люди, находящиеся на других планетах, не будут зависеть от земных ресурсов, а смогут получать все необходимое самостоятельно на других планетах, что критически важно для длительных космических миссий. NASA рассчитывает продемонстрировать и протестировать перед экспедицией на Марс такие технологии во время миссии на Луну «Артемис» в 2024 году — в рамках программы Lunar Surface Innovation Initiative планируется создавать продукты, используя лунные материалы — например, конвертировать лед на Луне в питьевую воду.
Существуют другие способы получить кислород на Марсе?
Альтернативные подходы есть — например, ученые из Государственного исследовательского университета Северной Каролины предполагают, что кислород можно будет получать из растений, выращенных непосредственно на Марсе. Уже ведутся работы по созданию таких растений, которые смогут выжить в условиях Красной планеты. В основе лежит идея совместить особенности микроорганизмов экстремофилов, которые могут жить в самых неблагоприятных условиях на Земле, с растениями. Для этого используется техника генетического разделения — необходимые гены отделяются от экстремофилов и внедряются в растения. Но даже такие гибриды невозможно посадить в саму почву Марса, но предположительно, удастся вырастить в теплице на марсианской базе, хотя и там условия все равно будут далеки от земных. Если эксперимент пройдет успешно, и гибриды приживутся на Марсе, они смогут обеспечить астронавтов кислородом, едой и даже лекарствами.
Другой возможный способ получения кислорода на Марсе придумали ученые из Университета Вашингтона в Сент-Луисе: профессор Виджей Рамани и его команда предлагают использовать для этого соленые озера под поверхностью Марса. В 2020 году сеть соленых озер была обнаружена под ледниками на Южном полюсе планеты — из-за высокой концентрации соли снижается точка замерзания, и вода может находиться в жидкой форме. Методика, над которой работает Рамани, предполагает забор воды из таких озер и ее электролиз — разделение на водород и кислород. Ученые рассчитывают, что через 10-15 лет их разработки могут дополнить MOXIE и другие системы переработки ресурсов.
Кислород на Марсе: как сотворить атмосферу из «ничего»?
Приближается эра колонизации Марса. NASA запланировало первую экспедицию на Красную Планету летом 2020 года и на нее было выделено около двух миллиардов долларов США. На фоне этого появилась потребность добывать кислород, который в прямом смысле жизненно необходим для пребывания астронавтов на космической станции. Расчеты показали, что транспортировка основного для жизнедеятельности человека газа с Земли обходится слишком дорого. Это послужило стартом размышлений ученых на тему: есть ли кислород на марсе и, если его недостаточно, то как его «изобрести».
Сколько кислорода в атмосфере Марса?
Опережая события, сразу обозначим: кислород на Марсе есть, однако в чистом виде его количество составляет только 0,13%. Вдохнув один раз марсианского воздуха, человек погибнет мгновенно. Большая часть кислорода в атмосфере Красной Планеты существует в виде углекислого газа, который на 95% составляет атмосферу Марса. Оставшаяся часть это:
Также кислород может существовать в виде оксида железа, который придает планете красный цвет.
Однако ученые предполагают, что очень давно, газы, окружающие Марс обладали гораздо большим объемом кислорода, и что единственная причина, по которой Земля не превратилась в Красную Планету – растения, который постоянно вбирают в себя углерод из углекислого газа. Именно экосистема вырабатывает тот воздух, которым мы дышим. Если бы Марс был ближе к Солнцу (достаточно теплый для жидкой воды) и достаточно большой, чтобы удерживать более плотную атмосферу, там могли бы расти растения, подобные тем, что растут на Земле. Но в нынешних условиях растениям понадобились бы специальные купола, отопление, вода и искусственный свет.
Как можно получить кислород на Марсе
Учитывая то, что кислород на Марсе нетипичное явление, ученые решают проблему с его воспроизводством. Было предложено 3 основных способа, позволяющих вырабатывать воздух на Красной Планете:
Воздух на Марсе необходим для бесперебойной работы научно – исследовательской станции. Его воспроизводство позволит астронавтам не только дышать, но и заправлять ракеты для возвращения на Землю. Учитывая то, что состав марсианского воздуха и атмосферы значительно отличается от земного, а транспортировка обойдется очень дорого, перечисленные способы получения O2 станут по – настоящему главным событием в освоении новых планет.
Бактерии для создания кислорода
А теперь подробно разберем способы добычи воздуха на Марсе.Одной очень интересной разработкой для получения O2 на Красной Планете занимается корпорация аэрокосмического развития Techshot. Ими было предположено, что кислород можно получать посредством бактерий, которые из углекислого газа способны поглощать нужный человеку газ. Была создана комната с имитацией атмосферы, дневного цикла и излучения на поверхности Марса, в которой с успехом была подтверждена упомянутая теория.
Данный способ производства кислорода имеет глобальное значение. Во – первых транспортировка таких бактерий требует меньших затрат и места. Во – вторых из – за относительных орбит Земли и Марса поставки запасов будут производиться только раз в 500 дней, что делает генерацию воздуха почти необходимой для колонизации Красной Планеты. В свою очередь можно предложить производство кислорода изо льда или воды. Однако водные ресурсы слишком ценные, чтобы отправлять их на выделение необходимого для дыхания газа.
Эксперимент Moxie
Основной задачей экспедиции является изучение пригодности Марса для жизни. С этой целью на 4 планету Солнечной Системы отправляется атомный марсоход Curiosity, которому нужно не только продержаться на Красной планете для ее исследования, но также, чтобы у астронавтов хватило кислорода на обратный путь. Решение нашел Массачусетский технологический институт MOXIE. Итогом их разработки должен стать топливный элемент, который посредством электролиза способен разделить CO2 монооксид углерода и кислород, которые впоследствии направляются в хранилища. На фоне остальных научных разработок MOXIE выделяется тем, что нацелены на практические испытания. В их планы входит создание на Марсе автоматизированного производственного цеха, который заранее сгенерирует кислород для прибывающих астронавтов.
Плазменная технология для производства кислорода
Ученые из Португалии предполагают, что Марс наиболее благоприятное место для проведения реакции разложения посредством неравновесной плазмы. Интервалы термобарических показателей в атмосферном поле Красной Планеты способны вызвать более ощутимые колебания, приводящие к ассиметричному растяжению молекул, чем на Земле. Именно это делает Марс более привлекательной планетой для проведения опыта. Помимо кислорода, продуктом плазменного разделения молекул может стать угарный газ, который будет использоваться в качестве ракетного топлива. Руководитель проекта, Васко Герра полагает, что для производство 8-16 кг воздуха понадобятся лишь 150-200 Вт в течение 4 часов каждые двадцати пяти часовые марсианские сутки.
Каждый из предложенных способов на практике может доказать свою пригодность. Учитывая современные технологии и методы исследования, вполне возможно, что в ближайшее время удастся создать безопасную среду обитания для космических туристов. Тем более, после проведения ряда исследований поверхности Марса, NASA планирует переправить на Красную Планету 10 000 человек, проекты домов для которых уже разработали европейские и американские дизайнеры.
Почему на Марсе нельзя снимать скафандр?
Если когда-нибудь вы окажетесь в числе отважных космонавтов, отправившихся колонизировать Красную планету, то вам следует знать одно простое правило для выживания на Марсе: Ни при каких обстоятельствах не снимайте скафандр! Даже если очень захочется! Из-за того, что условия Марса кардинальным образом отличаются от земных, возможные последствия могут стать необратимыми и даже привести к вашей гибели.
Так, крайне разреженная атмосфера Марса практически не содержит жизненно важной для нас смеси из кислорода и азота, поэтому уже после нескольких попыток сделать хотя бы глоток воздуха, вы рискуете умереть от удушья. Кроме того, в суровых марсианских условиях существует крайне неприятное для человека явление: вся вода, попадающая на Марс, закипает уже при 0,5 градуса по Цельсию. Иными словами, без скафандра на Марсе вы рискуете не просто лишиться кислорода, но еще и попросту “вскипеть”.
Сначала столь губительный процесс затронет мягкие ткани вашего организма, которые вследствие отсутствия атмосферного давления могут увеличиться в несколько раз. Как следствие, подобное резкое расширение способно вызвать обширные разрывы сосудов и капилляров.
Атмосфера на марсе
Несмотря на холод, ваше тело будет способно поддерживать более-менее комфортную температуру еще некоторое время, так как из-за отсутствия атмосферы тепло довольно медленно будет уходить из организма. Иными словами, некоторое время вам можно быть спокойным хотя бы насчет того, что моментально на Марсе вы точно не успеете замерзнуть. Что ж, у вас появятся другие проблемы. Помасштабнее.
По теме: В США разработали шлем космического скафандра с проекционным дисплеем
Проблемы с атмосферой и, в частности, с озоновым слоем, грозят смельчаку, который отважится все-таки снять скафандр, сильнейшим облучением радиацией. Думаю, о возможных последствиях такого события наслышаны многие, и, к несчастью, ничего хорошего оно не несет.
В любом случае, у вас будет примерно полторы минуты на то, чтобы каким-то образом оказаться в кислородной атмосфере. При таком позитивном раскладе вы можете отделаться относительно незначительными повреждениями (например, временной слепотой, вызванной гипоксией). Если же сделать это не получится, то по прошествии 90 секунд давление в кровеносной системе может упасть настолько, что дальнейший возврат вас к жизни будет попросту невозможен.
А сколько бы вы продержались без скафандра на Марсе? Дайте обсудим это в Telegram-чате.
Что будет с человеком на марсе без скафандра
1. Крайне разреженная атмосфера, с давлением в 640 Па [примерно 1/150 земного]. Вода в таких условиях кипит при температуре около +0.5 по Цельсию, что много ниже температуры человеческого тела. То есть, без герметичного жёсткого скафандра, подобного лунному, у человека на Марсе мгновенно вскипит кровь [полного кипения и ужасов как в «Вспомнить всё» действительно не будет, ибо кипение, даже начавшись, будет тут же остановлено избыточным давлением растягиваемых газом тканей (плюс, его может предотвратить артериальное/венозное давление в кровеносной системе человека). Но выделение каких-то газов из крови будет происходить почти гарантированно, вызывая нарушение кровообращения, эмболию и симптомы, близкие к кессонной болезни. Это невероятно болезненно и опасно для здоровья, и во всех практических смыслах атмосферное давление ниже примерно 6.3 кПа губительно для человека]. Одного этого достаточно, чтобы оставить мысль о Марсе как о «втором доме», но я дополню картину ещё несколькими штрихами:
2. Практически полное отсутствие кислорода в атмосфере. Его там 0.13%.
3. Невозможность существования воды в жидком виде на Марсе как следствие #1. За крайне редкими исключениями, вода там бывает либо паром, либо льдом, и переход между ними осуществляется напрямую, минуя жидкую фазу. Это серьёзно подсекает возможность заселить Марс какими-нибудь, скажем, лишайниками.
5. Солнечная радиация. Атмосфера планеты тонка и пропускает до самой поверхности солнечное излучение с длинами волн от
195 нм. Ультрафиолет такой жёсткости губителен для всякой земной жизни. Врачи не зря используют УФ-лампы для дезинфекции помещений.
6. Как следствие #5, поверхность Марса, вероятно, насыщена пероксидами, которые убьют всё живое, если вдруг там и появятся вода и жизнь.
Резюме: нынешний Марс действительно отменно стерилизован и к заселению совершенно непригоден. Технически, сегодня нам куда проще сохранить обитаемой Землю, нежели сделать таковым Марс. Для того же, чтобы люди могли разгуливать по нему в обычной кислородной маске и правильно подобранной одежде, нужно, как минимум, справиться с проблемой #1, то есть увеличить давление атмосферы.
Как будет выглядеть жизнь на Марсе
Основатель космической компании SpaceX Илон Маск считает, что первый человек сможет приземлиться на Марс уже через четыре года. А к 2050 году предприниматель планирует перевести на планету 1 млн человек и организовать колонию. С прогнозами Маска соглашаются и некоторые футурологи, но что ждет людей после того, как они приземлятся на Марс? Как будут выглядеть внеземные дома и чем будут питаться космонавты? Разбираемся по порядку.
Где мы будем жить на Марсе?
Разработчики из NASA одобрили проект архитектурной компании AI SpaceFactory. Архитекторы предлагают строить дома из марсианской земли. Такой подход поможет снизить время и стоимость строительства, поскольку не придется завозить материалы с Земли. Дома при этом будут напоминать огромные вазы или пчелиный улей. Такая форма нужна для смягчения атмосферного давления Марса.
Инженеры собираются строить здания при помощи 3D-печати. Кроме материалов с Марса они планируют использовать базальт и возобновляемый биопластик. [1] Дома будут состоять из внешней оболочки, которая способна защитить здание от сильных ветров, и внутренней отделки, создающей интерьер.
Предполагается, что каждый дом подходит для комфортного проживания четырех человек, но в то же время в них достаточно пространства для марсианских вечеринок. Дом состоит из четырех этажей: первый для влажной обработки скафандра, второй этаж с кухней и два верхних со спальнями и зоной отдыха. Сами спальни напоминают капсулы полузакрытой формы без дверей.
Еще один проект домов разработан архитектурной компанией Zopherus из Арканзаса. Она также предлагает использовать 3D-печать и материалы с Марса. Инженеры собираются выпускать на поверхность робота, похожего на паука. Вначале он автономно перемещается по поверхности и ищет подходящее место для строительство дома, а затем плотно прилегает к земле и начинает строить дом из окружающих материалов.
Проект, правда, разработан не для постоянного проживания, а для космонавтов, прилетевших на Марс с первой миссией. Предполагается, что они проведут в таком здании около года. Дизайн здания получил первое место на конкурсе NASA по проектированию жилья на Марсе. Теоретически такие здания возможно возвести еще до прибытия человека, и они будут ждать своих жильцов столько, сколько потребуется.
Как мы будем дышать на Марсе?
Привлекательность Марса осложняется тем, что воздух там на 96% состоит из углекислого газа. Если не решить вопрос с выработкой пригодного для жизни кислорода, любые идеи о колонизации зайдут в тупик. Один из возможных выходов — цианобактерии. Они поглощают углекислый газ и превращают его в кислород. Цианобактерии действуют по принципу фотосинтеза, но в отличие от растений им не нужен солнечный свет. Ученые обнаружили, что бактерии справляются со своей задачей даже в самых глубоких впадинах океана. [2]
Если перевести цианобактерии на Марс, есть вероятность, что они смогут там прижиться и космонавтам будет чем дышать. Космические агентства и частные компании уже думают о возможной реализации такого проекта.
Если отойти от этой идеи, можно использовать уже испробованный технический способ добычи кислорода. На МКС давно используют электролиз воды. При таком подходе вода расщепляется на кислород и водород. Кислород оставляют для создания пригодной для жизни атмосферы, а водород выбрасывают в космос. Но при колонизации Марса возникнет проблема с водой: ее будет недостаточно для постоянного обеспечения планеты воздухом.
Ученые нашли возможный выход из ситуации. Они обнаружили, что при столкновении углекислого газа с золотой фольгой на высокой скорости атомы кислорода отделяются от углекислого газа. NASA планирует отправить на планету марсоход MOXIE 2020, который проверит, работает ли там подобная система на и возможен ли подобный подход для успешной колонизации этой планеты. [3]
Во что мы будем одеваться?
Для прогулок по Марсу NASA разработала два скафандра нового поколения, способных работать в автономном режиме до восьми часов. [4] Они помогут защитить космонавтов от непригодных для жизни температур и радиации. Дизайнеры проекта обещают, что новые скафандры не будут сковывать движения: в них будет удобно ходить и даже прыгать. Изначально костюмы создавались для высадки человека на Луну, при добавлении небольшого количества модификаций они подойдут и для будущих жителей Марса.
Что мы будем пить на Марсе?
Воду на Марсе можно добывать из почвы. Марсоходы еще до прибытия человека будут изучать почву и выбирать места, благоприятные для поселения. Специальная аппаратура будет нагревать землю до высоких температур. Вода начнет испаряться, ее отделят от почвы и поместят в специальное хранилище.
Уже добытая вода будет уходить в переработку, которая занимает гораздо меньше времени, чем добыча воды по новой. Только вода, непригодная для фильтрации, будет возобновляться через испарения из почвы. Если верить прогнозам, каждый житель Марса сможет использовать до 50 л воды в день, что вполне достаточно для комфортной жизни.
Чем мы будем питаться?
Поверхность Марса не подходит для выращивания растений, поэтому будущим колонизаторам придется прибегнуть к инновационным способам добычи продуктов. Планируется, что первые люди привезут с Земли запас продовольствия на несколько лет вперед. [5] Среди возможных продуктов — водоросли и насекомые, поскольку они быстро размножаются и для их возобновления не нужна почва.
В дальнейшем производство продуктов питание переместится в специально оборудованные помещения с искусственным светом. Питательные вещества для растений будут получать из отходов, либо приводить с Земли. Людей, прилетающих на Марс, обучат работе с тепличным оборудованием Марса, и каждый желающий сможет построить свой персональный огород.
Среди других возможных вариантов — 3D-печать пищевых продуктов. На Марс будет сложно завести животных, и колонизаторы рискуют остаться без мясных продуктов. Потенциальное создание искусственного мяса поможет решить эту проблему и одновременно обеспечить более гуманный способ производства продукта.
