Как дышать на Марсе? Технология NASA, которая создает кислород из атмосферы планеты

Марс — самая близкая к Земле планета, которая привлекает внимание ученых и исследователей уже долгое время. Одна из главных проблем, с которой сталкиваются потенциальные колонизаторы Марса, — это отсутствие кислорода в его атмосфере. Без кислорода невозможно дышать, а также производить топливо для ракет, которые могут вернуть астронавтов на Землю. Поэтому разработка технологии, которая может извлекать кислород из марсианского воздуха, является одним из приоритетных направлений для будущих миссий на Красную планету.

Именно такую технологию успешно продемонстрировал эксперимент MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), который был установлен на борту марсохода Perseverance от NASA. MOXIE — это прибор размером с микроволновую печь, который работает по принципу электролиза, разделяя атомы кислорода от молекул углекислого газа, которые составляют 95% марсианской атмосферы. После того, как газы проходят через систему, они анализируются на чистоту и количество полученного кислорода.

С февраля 2021 года по август 2023 года MOXIE сгенерировал 122 грамма кислорода — примерно столько, сколько дышит маленькая собака за 10 часов. В наиболее эффективном режиме MOXIE мог производить 12 граммов кислорода в час — вдвое больше, чем первоначальные цели NASA для прибора — с чистотой 98% или выше. За 16 запусков MOXIE успешно выполнил все свои технические требования и был испытан при различных условиях в течение полного марсианского года, позволяя разработчикам инструмента узнать многое о технологии.

«Впечатляющая работа MOXIE показывает, что возможно извлекать кислород из марсианской атмосферы — кислород, который может помочь обеспечить дыхательный воздух или ракетное топливо будущим астронавтам», — заявила заместитель администратора NASA Пэм Мелрой. «Разработка технологий, которые позволяют нам использовать ресурсы на Луне и Марсе, имеет решающее значение для создания долгосрочного лунного присутствия, создания робастной лунной экономики и позволяет нам поддержать начальную кампанию по исследованию Марса человеком».

MOXIE — это один из нескольких экспериментов, которые проводятся на борту Perseverance с целью проверить новые технологии для будущих миссий на Марс. К ним также относятся беспилотный вертолет Ingenuity, который совершил исторический полет в марсианском небе, и система MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer), которая измеряет температуру, давление, влажность, скорость и направление ветра, а также количество пыли в атмосфере.

Эти достижения открывают новые горизонты для исследования Марса и подготовки к отправке первых людей на эту планету. По планам NASA, первая пилотируемая миссия на Марс может состояться в 2030-х годах. Для этого потребуется масштабировать технологию MOXIE до размеров, которые могут производить кислород с такой же скоростью, как несколько сотен деревьев. Кроме того, необходимо решить другие проблемы, связанные с безопасностью, надежностью, энергоснабжением и логистикой.

Несмотря на эти сложности, эксперимент MOXIE доказал, что генерация кислорода на Марсе — это не фантастика, а реальность. Это — большой шаг вперед к осуществлению мечты о колонизации Красной планеты и расширении границ человеческого знания и возможностей.

Как работает MOXIE?

Принцип работы MOXIE таков: он собирает, сжимает и нагревает марсианский воздух с помощью фильтра, компрессора и нагревателей. Затем он разделяет молекулы углекислого газа (CO2), которые составляют 95% марсианской атмосферы, на атомы кислорода (O) и угарного газа (CO) с помощью электролиза. Атомы кислорода соединяются в газообразный кислород (O2), который затем анализируется на чистоту и выбрасывается обратно в марсианскую атмосферу вместе с CO и другими продуктами выхлопа. Работает MOXIE при очень высокой температуре — 800 градусов Цельсия — и требует сложной системы теплоизоляции.

Почему MOXIE работает при такой высокой температуре?

Высокая температура работу обусловлена тем что это увеличивает эффективность процесса электролиза, то есть разделения молекул углекислого газа на атомы кислорода и угарного газа. При более низкой температуре этот процесс требует больше энергии и времени, а также может приводить к образованию нежелательных продуктов, таких как вода или оксид углерода.

Как MOXIE измеряет чистоту и количество полученного кислорода?

Измерение чистоты и количества полученного кислорода происходит с помощью специальных датчиков, которые находятся внутри прибора. Один из датчиков — это масс-спектрометр, который определяет состав газов по их массе и заряду. Другой датчик — это термопара, которая измеряет разницу в температуре между двумя проводниками, подключенными к электрическому цепи. Эта разница зависит от количества кислорода, который проходит через цепь.

Как MOXIE сжимает и нагревает марсианский воздух?

MOXIE сжимает и нагревает марсианский воздух с помощью двух насосов и трех нагревателей, которые находятся внутри прибора. Первый насос — это скролл-компрессор, который собирает воздух из атмосферы и сжимает его до давления около 1 атмосферы. Второй насос — это турбомолекулярный насос, который дополнительно сжимает воздух до давления около 10 атмосфер. Первый нагреватель — это предварительный нагреватель, который подогревает воздух до температуры около 300 градусов Цельсия. Второй нагреватель — это основной нагреватель, который подогревает воздух до температуры около 800 градусов Цельсия. Третий нагреватель — это постнагреватель, который поддерживает температуру воздуха на выходе из прибора.

Какие еще ресурсы можно получить на Марсе?

На Марсе можно получить различные ресурсы, которые могут быть полезны для научных исследований, а также для поддержания жизни и деятельности будущих поселенцев. Кроме кислорода, который может быть произведен из марсианской атмосферы с помощью эксперимента MOXIE, на Марсе также можно добывать воду, металлы, минералы и другие химические элементы.

Вода — один из самых важных ресурсов на Марсе, так как она необходима для питья, выращивания растений, производства топлива и других целей. Вода на Марсе существует в виде льда под поверхностью, в полярных шапках и в атмосфере. С помощью специальных приборов, таких как буры, нагреватели и конденсаторы, можно извлекать воду из этих источников и очищать ее от примесей. Например, миссия Phoenix от NASA обнаружила лед под поверхностью Марса в 2008 году, а миссия Curiosity от NASA обнаружила следы древних рек и озер на Марсе в 2012 году.

Металлы — это другой ценный ресурс на Марсе, так как они могут быть использованы для строительства, производства инструментов и электроники, а также для создания сплавов с уникальными свойствами. На Марсе есть множество видов металлов, таких как железо, никель, медь, цинк, свинец, серебро и золото. Они могут быть найдены в виде руд или минералов в различных местах на планете. Например, железо и никель составляют большую часть метеоритов, которые падают на Марс, а цинк и свинец были обнаружены в породах Гейла кратера марсоходом Curiosity. Для добычи металлов на Марсе можно использовать различные методы, такие как горное дело, обогащение руды, плавка и литье.

Минералы — это еще один ресурс на Марсе, который может иметь научную и практическую ценность. Минералы — это твердые вещества природного происхождения, которые имеют определенный химический состав и кристаллическую структуру. На Марсе есть множество видов минералов, которые могут свидетельствовать о прошлом и настоящем состоянии планеты. Например, глины и сульфаты указывают на то, что на Марсе когда-то была вода, а перхлораты указывают на то, что на Марсе есть окисляющая среда. Кроме того, некоторые минералы могут иметь промышленное применение. Например, гематит может быть использован для получения железа, а кварц может быть использован для получения кремния. Для добычи минералов на Марсе можно использовать различные методы, такие как бурение, дробление, измельчение и химическая обработка.

Другие химические элементы — это еще один ресурс на Марсе, который может быть полезен для различных целей. На Марсе есть множество элементов, которые могут быть извлечены из атмосферы, почвы или пород. Например, углерод, водород, азот и кислород могут быть использованы для синтеза различных органических соединений, таких как пластик, резина, лекарства и пища. Кроме того, некоторые элементы могут иметь специальные свойства, которые делают их востребованными в науке и технологии. Например, литий может быть использован для создания батарей, а неодим может быть использован для создания магнитов. Для добычи элементов на Марсе можно использовать различные методы, такие как электролиз, химическая реакция или физическая сепарация.

В заключение, можно сказать, что на Марсе есть много ресурсов, которые могут быть получены с помощью различных технологий и методов. Эти ресурсы могут помочь ученым изучать историю и природу Марса, а также поддерживать жизнь и деятельность будущих поселенцев на Красной планете.