Как добыть кислород на Марсе? Разбор
Посмотрите на две соседние планеты — Марс и Землю: они очень похожи. Но вы спросите чем это безжизненный Марс может быть похож на нашу Землю?
А вот чем — обе планеты обладают твёрдой поверхностью. Кроме того марсианские сутки длятся 24 часа и 39 минут, почти как у нас — называются они Солы. Марсианский год = 668 сол = 686 земных суток. Также близок наклон оси вращения Марса — 25,19°, тогда как у Земли — 23,4° так что на Марсе, как и на Земле, имеется смена времён года.
Но есть и важные отличия кроме того, что Марс — это пустыня, там нет воды, еще и радиация, ну и собственно там почти нет кислорода! Но при этом Марс по-прежнему самая привлекательная планета для колонизации! Вон Илон Маск вовсю пытается сделать человека межпланетным видом. Да и вообще говорит, что именно путешествие на Марс — это одна из основных задач человечества!
Он даже предлагал сбросить на полюса Марса термоядерные бомбы, чтоб согреть атмосферу планеты и создать парниковый эффект, чтобы было лучше к прибытию колонистов!
Но конечно отсутствие кислорода — это один из главных вопросов. Чем вообще дышать будущим колонизаторам?
Но даже так остается миллион вопросов. Например, чем питаться? Как возвращаться обратно? Как производить энергию? Что делать с солнечной радиацией?
Но если с едой и водой еще можно можно хоть что-то придумать — Starship вроде бы вместительный будет. Но вот чем там дышать? Даже так — кислорода надо будет очень много и нужен он практически для всего! И об этом чуть позже…
Но что вы скажете, на то, что один землянин на Марсе уже создал там кислород? И нет — я не шучу. Сегодня мы с вами разберемся в технологиях, которые стоят за решением одной из самых фундаментальных проблем при полете на Марс. Как вам такое — синтез кислорода с помощью плазмы в микроволновке на Марсе? Заинтриговал?
Проблема
Давайте для начала не будем так далеко загадывать о той же колонии человечества на Марс. Просто прикинем, что нам нужно для единичного путешествия человека на Марс. Туда-обратно!
И да именно отсутствие кислорода там на красной планет — это одна из главных проблем. При чем, как вы догадались, кислород нужен не только для дыхания человека. Современные ракетные двигатели, и в частности двигатели Raptor на корабле Starship от SpaceX, используют в качестве топлива метан, а вот в качестве его окислителя — жидкий кислород! Без кислорода просто не будет реакции горения в двигателе. А без нее далеко не улетишь.
При чем этого кислорода для двигателей нужно просто огромное количество! К примеру для запуска с Земли одной ракеты Falcon 9 нужно около трехсот тонн жидкого кислорода! Так что без него обратно на Землю мы точно не вернемся. Ну а человеку хоть кислорода надо и меньше, но без него он легко сможет повторить знаменитую сцену из фильма “Вспомнить Все”.
Вообще нельзя конечно говорить, что там совсем нет кислорода. Давайте посмотрим на состав атмосферы марса!
В основном там Углекислый газ, его почти 95%. Остальное — это аргон и азот. И еще немного угарного газа. А вот около 0,15% от всей атмосферы — это кислород!
Но с учетом того, что атмосфера Марса в целом в 100 раз более разряженная нежели атмосфера Земли, можно сказать, что кислорода там практически нет. Но зато есть углекислый газ! И его там вообще сколько угодно.
Если вы забыли, что такое углекислый газ, то это один атом Углерода и два связанных с ним атома Кислорода, которые и образуют молекулу CO2. Осталось только эту молекулу как-то развалить на составляющие, собрать этот кислород и будет нам счастье! Вот только развалить молекулу углекислого газа — это сложная задача! А еще сложнее сделать это на другой планете с ограниченными ресурсами.
Электролиз
Справедливости ради стоит сказать, что человечество давно научилось добывать кислород из углекислого газа — это реакция электролиза. Более того, на Земле этот процесс очень распространен. Его используют для нанесения золотых и медных покрытий, для получения водорода и, например, перекиси водорода.
В целом, процесс электролиза — это электрохимическая реакция разложения веществ на составляющие, при этом эти составляющие вещества выделяются на электродах.
Классическим примером является электролиз обычной воды. В воду помещаются два электрода и на них подается напряжение. В результате на положительном электроде выделяется кислород, а на отрицательном — водород.
Так вот примерно таким же образом можно разложить и углекислый газ на составляющие. Точнее его можно разложить на Угарный газ, то есть CO и на ионы кислорода. А эти ионы потом можно как бы слепить вместе и получить O2, то есть уже нормальный кислород!
MOXIE
И в начале мы сказали, что один «землянин» уже сделал кислород на Марсе. И самый внимательный зритель возможно догадался, что речь о марсоходе. А конкретно о марсоходе Perseverance.
Вы наверное помните, что в 2020 году NASA отправила его на Марс? Так вот одним из его инструментов была маленькая золотая коробочка под названием MOXIE.
MOXIE — Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment
«Мокси» работает именно на принципе электролиза. Внутри он состоит из нескольких важных деталей. Все начинается с фильтра — мы ведь не хотим чтобы в систему попала куча марсианской пыли!
Марсианский воздух проходя через фильтр попадает дальше в компрессор, где давление воздуха поднимают до земного! То есть до одной атмосферы. Дальше необходимо нагреть воздух до 800 градусов и подать напряжение на электроды, чтобы запустить процесс электролиза.
Это сложный процесс, который требует много энергии! А по меркам ровера Perseverance даже больше, чем он вообще вырабатывает!
На один процесс требуется до 300 Ватт энергии, а ровер вырабатывает всего около 110 Вт. Так что необходимы аккумуляторы, которые запаслись энергией и они на ровере есть.
После процесса газ попадает в специальную камеру анализатор, где подтверждается, что кислород действительно был выработан!
И вот в апреле 2021 года MOXIE провел свой первый эксперимент! И он был признан абсолютно удачным. Система показала, что она способна производить около 6 грамм кислорода в час, что, в теории, достаточно для примерно 10 минут дыхания человека.
Скажите — что-то не густо! Но на самом деле это уже обалденный результат! Хоть и звучит мелковато, но подумайте — человечество научилось вырабатывать кислород на другой планете! Ведь как обычно в таких экспериментах это была именно проверка концепта! Для того, чтобы обеспечить колонию понятное дело, что нужно устройство сильно больше!
Если говорить о реальном образце, то по оценкам NASA старший брат MOXIE должен быть примерно в 100 раз больше и производить около 3 килограмм кислорода в час!
Установка весом около одной тонны будет производить около одной тонны кислорода для дыхания команды из 4 человек в течение года. И еще дополнительно около 25 тонн кислорода для ракетных двигателей! Такие дела!
А в идеале эту огромную штуку нужно закинуть на Марс заранее, за пару лет до полета туда человека и оставить ее вырабатывать кислород. Чтобы, когда туда прилетел бы человек, все было уже готово!
В общем, без Starship тут явно не обойтись! Для доставки такого массивного груза явно понадобится самая тяжелая ракета в истории человечества!
Следующий этап
Конечно, тот факт, что мы умеем вырабатывать кислород на Марсе уже поражает! Но с ним есть несколько сложностей, главная из которых — это большая энергозатрата, на компрессию и нагрев марсианского воздуха. А это необходимые условия для самого процесса разложения углекислого газа.
Вот если бы можно было как-то разложить молекулы иначе, не прибегая к энергозатратным нагреву и сжатию воздуха!
И вот мы подходим к самому интересному. Буквально только что в научном журнале Journal of Applied Physics вышла статья на этот счет. И она немного взрывает мозг и показывает как человек умеет находить новые крутые решения используя, казалось бы, отрицательные свойства, себе в плюс!
То есть ученые придумали, как использовать тот факт, что атмосфера марса очень разрежена в плюс! Если вы помните наш крутой ролик про травление и осаждение, то там мы немного рассказывали о плазме!
Плазма — это четвертое агрегатное состояние вещества. Она состоит не только из молекул газа, но из ионов и электронов. Сразу вспоминается Quake 3 Arena и ПлазмаГан!
При этом эти ионы и электроны, как бешеные, носятся по всей плазме и врезаются в молекулы газа. Эти столкновения и приводят к тому, что молекулы могут разваливаться на составляющие атомы. Ну а еще именно из-за этого плазма светится! То есть плазма просто за счет своей высокой энергии позволяет получать ионы тех атомов, из которых она состоит. Это именно то что нам и нужно. Получать ионы кислорода!
Второе условие для того, чтобы зажечь плазму, нужно пониженное давление. И на Земле для этого приходится использовать дорогие насосы. А вот на Марсе давление и так уже низкое, и мало того — оно почти такое какое нужно! То есть нет необходимости ставить дорогие компрессоры и насосы! Нужно просто зажечь плазму из марсианского воздуха. А сделать это можно с помощью обычного генератора микроволнового излучения! Грубо говоря, с помощью микроволновки!
То есть, если совсем на пальцах, поджигаем плазму в микроволновке и вот вам кислород на Марсе, ничего сложного! Дальше, как и с электролизом, с помощью специальных мембран собирать ионы кислорода. И такая система уже была протестирована на Земле. Для этого они создали камеру, где воссоздали атмосферу Марса!
В результате вся система потребляла около тех же 300 ватт мощности, как и MOXIE, и способна была выдавать около 14 грамм кислорода в час! Эффективность преобразования же составила 35%, при подаче в систему пятидесяти кубических сантиметров газа в минуту. То есть уже более чем в два раза эффективнее. При этом сама система может быть меньше по размерам и проще в устройстве, чем уже протестированная MOXIE.
И тут эффект увеличивается, потому что по отношению количества выработанного кислорода к массе самого устройства оно в шесть раз эффективнее, чем МOXIE.
Конечно, в данной ситуации это еще только ранний прототип, о чем говорят сами ученые, но они уже подтвердили саму концептуальную возможность такого процесса.
Дальше нужны инвестиции от NASA и ESA и уже можно заниматься разработкой реального прототипа, который можно будет запульнуть и протестировать на красной планете!
Выводы
Человечество большим шагами идет в сторону осуществления своей мечты, о которой грезили фантасты — стать межпланетным видом! И каждый такой шаг — это результаты десятилетий работ ученых и инженеров по всему миру! И Perseverance, вместе с MOXIE на борту — это важная часть на нашем пути к покорению Марса!
Откровенно говоря, до самого полета еще конечно далековато. Маск со своими невероятно амбициозными планами говорит о 2029 году, но тут надо делать скидку на оптимистичность Илона. ESA и NASA же вообще не называют точных дат, говоря лишь о 21 веке в целом. Зато Арабские Эмираты запланировали построить поселение на Марсе всего-то к 2117 году.
Но в любом случае ближайшие несколько лет будут очень интересные в плане покорения космоса, Луны в 2025 году и Марса. Space Launch System и Лунная база, поиск следов жизни на Марсе от Perseverance, космический телескоп «Джеймс Уэбб», Starship и другие невероятные проекты. За всем этим мы будем следить внимательно!
Post Views: 197