Содержание
Как ученым удалось получить кислород на Марсе
Аппарат MOXIE
(Фото: NASA / JPL-Caltech)
Марсоход Perseverance, находящийся на Марсе с июля 2020 года, смог впервые добыть кислород из атмосферы планеты. Разбираемся, что это событие значит для будущих космических путешествий
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.
Внутреннее устройство MOXIE
(Фото: NASA / JPL-Caltech)
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.
Пылевая буря на Марсе, 2001 год
(Фото: NASA / JPL-Caltech / MSSS)
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.
Фото: North Carolina State University
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.
Полярная шапка Марса
(Фото: NASA / JPL-Caltech / MSSS)
На Марсе не хватит углекислого газа для терраформирования
Углекислого газа в полярных шапках и других резервуарах Марса не хватит для терраформирования планеты, сообщается в журнале Nature Astronomy. Согласно расчетам астрономов, человечество сможет лишь утроить давление на Красной планете, чего недостаточно для создания комфортных условий на ее поверхности.
Терраформирование — гипотетический процесс изменения атмосферы и климата на планете, который должен сделать ее пригодной для земных животных и растений. Одним из наиболее многообещающих кандидатов для терраформирования считается Марс, вторая по близости к Земле планета.
Считается, что в прошлом он был более похож на Землю — на его поверхности могли существовать жидкие водоемы, а его климат был гораздо более мягким из-за более плотной атмосферы. Сегодня предлагается несколько вариантов терраформирования Красной планеты. Один из них — выпуск в атмосферу парниковых газов, благодаря которым температура и давление повысятся настолько, что жидкая вода сможет существовать на поверхности.
Однако астрономы Брюс Яковски и Кристофер Эдвардс заявляют, что высвобожденного парникового газа не хватит для создания пригодных для жизни условий на планете. В своей работе ученые сфокусировались на углекислом газе (CO2), так как, по их мнению, только он содержится на Марсе в достаточных количествах, чтобы повлиять на климат. Чтобы определить, насколько успешной будет попытка терраформирования, Яковски и Эдвардс рассмотрели доступные источники CO2 на планете, а также с какой скоростью ее атмосфера «убегает» в космос. По мнению астрономов, для того, чтобы условия на Марсе стали более пригодны для жизни, давление на планете необходимо повысить до одного бара (примерно равное земному), что эквивалентно 2,5 тысячам граммов углекислого газа на квадратный сантиметр поверхности.
Сегодня давление на Марсе достигает 6 миллибар.
Согласно расчетам, в полярных шапках Марса, может содержаться достаточно углекислого газа, чтобы удвоить атмосферное давление, доведя его до 12 миллибар. На данный момент, точную оценку его количества дать нельзя, однако, по мнению астрономов, верхний лимит для CO2 составляет 150 миллибар. Кроме того, углекислый газ может содержаться в реголите — около 0.01 грамма CO2 на грамм реголита. В общей сложности толщина реголитового слоя, как показывают работы ученых, может составлять до 100 метров, а значит, количество углекислого газа может доходить до 100 грамм на квадратный сантиметр. Это немного завышенная оценка, так как в действительности вряд ли удастся высвободить весь CO2 —но если это все-таки получится осуществить, то давление повысится до 40 миллибар. Последний источник CO2 на планете, углеродсодержащие минералы, позволит повысить давление максимум до 50 миллибар.
При этом скорость «убегания» кислорода из марсианской атмосферы в космос, которое происходит из-за взаимодействия с солнечным ветром, составляет порядка 1,5 килограмма в секунду.
Неизвестно, что именно служит источником кислорода (CO2 или H2O), однако наблюдения показывают, что с древних времен Марс также потерял около 50 процентов углерода.
Принимая во внимания все происходящие на планете процессы, а также современное развитие технологий, ученые пришли к выводу, что человечество сможет повысить атмосферное давление на Марсе лишь до 20 миллибар, если будет использовать все доступные источники. Основным резервуаром будут служить полярные шапки, однако содержащегося в них газа все равно будет недостаточно для терраформирования. При атмосферном давлении 20 миллибар средняя температура на Марсе возрастет на 10 кельвинов, в то время как для стабильного существования жидкой воды необходимо потепление на 60 кельвинов.
Сегодня было предложено немало идей по терраформированию Марса. Например, Илон Маск считает, что наиболее быстро достичь постоянного повышения температуры в атмосфере Марса можно путем ядерной бомбардировки полюсов планет.
Джим Грин, директор подразделения NASA по изучению планет, предложил окружить Марс искусственным магнитным «щитом», который поможет планете частично восстановить атмосферу.
Кристина Уласович
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Терраформирование Марса может оказаться невозможным из-за недостатка углекислого газа
Лия Крейн
Красная и приятная земля?
MARK GARLICK/SPL/Getty
Научная фантастика давно мечтает превратить Марс во вторую Землю, место, где люди могли бы жить без необходимости надевать скафандр. Самый простой способ сделать это — использовать уже имеющийся на Марсе углекислый газ для создания новой атмосферы, но теперь исследователи говорят, что это невозможно.
Терраформирование Марса, чтобы сделать его поверхность пригодной для жизни на Земле, потребует повышения его температуры и давления за счет добавления атмосферы, состоящей из улавливающих тепло парниковых газов. Единственные вещества, присутствующие на Марсе в значительных количествах, — это углекислый газ и водяной пар, оба из которых в настоящее время заморожены.
Каково было бы жить на Марсе? Узнайте на New Scientist Live в Лондоне
«Если будет достаточно углекислого газа, мы сможем нагреть Марс через 100 лет, как только начнем», — говорит Крис Маккей из Исследовательского центра Эймса НАСА в Калифорнии. «Мы знаем, как согреть планету — мы делаем это на Земле. Главный вопрос в том, достаточно ли вещей?»
Объявление
Нет, оказывается. Брюс Джакоски из Колорадского университета в Боулдере и Кристофер Эдвардс из Университета Северной Аризоны использовали результаты нескольких космических аппаратов для составления инвентарного списка всего углекислого газа на Марсе, чтобы выяснить, переместим ли мы весь его с земли в атмосферу? , мы могли бы создать достаточно высокие температуры и давления для жизни.
Под давлением
Сейчас на Марсе атмосферное давление около шести миллибар – ничтожно мало по сравнению с одним баром на уровне моря на Земле. «Нам понадобится что-то вроде миллиона кубиков льда из углекислого газа диаметром в километр, чтобы добраться до одного бара», — говорит Якоски.
При одном баре температура будет чуть выше 0°C, что позволит жидкой воде и, следовательно, жизни на поверхности. Атмосфера была бы непригодна для дыхания, но люди могли бы обходиться дыхательными масками, а не полными скафандрами, и растения могли бы свободно расти, медленно накапливая кислород в течение следующих нескольких столетий.
Но Якоски и Эдвардс обнаружили, что углекислого газа в марсианских полярных ледяных шапках, пыли и горных породах, вероятно, достаточно только для того, чтобы поднять давление максимум до 20 миллибар. Так что мы не можем терраформировать Марс существующими технологиями, потому что там просто не хватает углекислого газа. «Дело не в том, что терраформирование само по себе невозможно, просто это не так просто, как сейчас говорят некоторые», — говорит Якоски. «Мы не можем просто взорвать несколько ядерных зарядов над ледяными шапками».
Это непросто
Глубоко под поверхностью могут быть скрытые резервуары углерода, которые могут облегчить работу, говорит Робин Вордсворт из Гарвардского университета.
«Если бы вы могли разработать технологию для их поиска и извлечения, это могло бы приблизить вас к планке», — говорит он. «Но это будет что-то вроде рыболовной экспедиции — нет никакой гарантии, что эти вещи существуют».
Без достаточного количества углерода нам пришлось бы согревать Марс каким-то другим способом, возможно, производя хлорфторуглероды (ХФУ) или бомбардируя планету кометами или астероидами. Это будет сложно, и этого все равно будет недостаточно, чтобы действительно сделать Марс домом. Для этого нам нужен азот, и мы до сих пор не уверены, сколько его на Марсе.
«Если углекислого газа недостаточно, терраформирование займет тысячи лет или больше, но это все еще возможно», — говорит Маккей. «Если не хватает азота, вам нужен «Звездный путь». Вам нужны варп-двигатели и тяговые лучи, вам нужно вытягивать азот из атмосферы Юпитера. Это становится научной фантастикой».
Ссылка на журнал: Nature Astronomy , DOI: 10.1038/s41550-018-0529-6
Подробнее: Четыре экстремальных места, где люди пробуют жизнь на Марсе
В статью внесены изменения 13 августа 2018 г.
Мы скорректировали количество CO 2 необходимое для создания марсианской атмосферы
Еще по этим темам:
- Марс
- глобальное потепление
Лучший научно-фантастический вестерн 2021 года раскрывает проблему с колонизацией Марса
Девочка и ее отец смотрят в окно, глядя на звезды и называя созвездия. Это может быть обычная ночь на Земле.
Но когда отец просит ее определить планету, наступает момент недоумения — пока она не понимает, что это Земля. Вопреки ожиданиям, они живут за пределами нашей планеты.
Это открытие Settlers , интроспективного научно-фантастического вестерна, выпущенного в июне 2021 года. Settlers рассказывает о семье, которая мигрировала с умирающей Земли на Марс. Когда дочь спрашивает отца, почему они уехали, он оптимистично отвечает: «Мы уехали, потому что хотели чего-то большего», и обещает, что однажды все будет «прямо как на Земле».
Ее мать менее уверена, и вскоре становится ясно, что их присутствие нежелательно для других жителей Марса, покинувших Землю поколениями ранее.
Ожесточенное столкновение с этими жителями показывает, что люди выжили на Марсе, переделав его атмосферу, чтобы можно было дышать без скафандра. Но изображение в фильме жизни на Марсе — и нашей способности преобразовывать планету в соответствии с нашими потребностями — не совсем точно, говорят эксперты Inverse.
«Я думаю, что люди могут жить на Марсе, но это больше похоже на то, как мы исследовали Луну, чем на терраформирование планеты», — говорит Кристофер С. Эдвардс, адъюнкт-профессор планетологии в Университете Северной Аризоны.
Марс пригоден для жизни?
«На Марсе много ресурсов». IFC Midnight
Жизнь на Марсе — это не просто фантастика. Это сценарий, который ученые и предприниматели пытаются воплотить в реальность.
В 2020 году генеральный директор SpaceX Илон Маск объявил о планах построить город под стеклянными куполами на Марсе, хотя Маск признает, что, возможно, он не увидит, что этот город будет построен при его жизни. Его краткосрочные цели включают превращение Марса в заправочную станцию и запуск первых миссий с экипажем к 2026 году9.0003
Почему Марс вообще считается возможным вариантом для космических колонистов?
В основном «потому что температуры в чем-то похожи, а гравитация не слишком отличается» от земных, рассказывает Адитья Кхуллер Инверсия . Хуллер — аспирант планетологии в Университете штата Аризона, который проводил исследования марсианской воды.
«На Марсе много ресурсов, — говорит Эдвардс. «Мы знаем, что даже в более низких широтах на Марсе много скрытого водяного льда, который можно легко использовать для различных целей».
Но воды недостаточно. Чтобы сделать Марс пригодным для жизни людей, нам пришлось бы преобразовать его в более земную среду обитания , также известную как «терраформирование».
Это связано с изменением атмосферы, экологии и температуры Красной планеты.
» Марс имеет много ресурсов .»
«Атмосфера и радиационная среда не подходят для людей, поэтому потребуется много инфраструктуры, чтобы люди могли жить на Марсе», — говорит Хуллер.
Для успешного терраформирования Марса, говорит Эдвардс, «нужна какая-то среда обитания, сдерживающая давление, чтобы увеличить [атмосферное] давление с одного процента земного до более похожего на земное».
Как пишет Европейское космическое агентство: «Атмосфера Марса настолько тонкая, что она более чем в сто раз легче земной».
В «Поселенцах » человек осуществили эту мечту и успешно манипулируют марсианской атмосферой, но ученые говорят, что метод, использованный в фильме, не совсем реалистичен.
Можно ли терраформировать Марс?
«вы можете пополнить лишь небольшую часть атмосферы».
IFC Midnight
В Settlers, коренной житель Марса объясняет, что марсианские рассветы становятся голубее из-за пыли в атмосфере.
«Атмосфера, которую мы создали и поддерживаем», — добавляет он.
Идея, стоящая за этой сценой — что люди могут изменить атмосферу Марса, чтобы сделать Красную планету пригодной для жизни людей — на самом деле предлагалась учеными на протяжении десятилетий.
В статье 1991 года, опубликованной в журнале Current Science , ученый Д. Баласубраманян объясняет «парниковое потепление», которое включает нагревание Марса за счет таяния полярных ледяных шапок планеты и выброса накопленного углекислого газа в атмосферу.
« Терраформирование невозможно с использованием современных технологий».
Баласубраманян писал: «Лучший способ добиться более теплого марсианского климата — это увеличить парциальное давление CO2 в его атмосфере с нынешних 6 миллибар (1 бар = примерно 1 атмосфера) до оптимального значения в 2 бара или около того.
”
Эдвардс и профессор Колорадского университета в Боулдере Брюс Якоски также исследуют терраформирование в статье 2018 года, опубликованной в Nature Astronomy . В конце концов они приходят к выводу, что «терраформирование невозможно с использованием современных технологий».
Исследователи приводят две причины, почему это не сработает.
- На Марсе недостаточно углекислого газа, чтобы обеспечить «значительное парниковое потепление»
- Большая часть углекислого газа на Марсе в любом случае для нас недоступна
«Мы изучили весь запас [углекислого газа], попавшего в ловушку на Марсе… и обнаружили, что в лучшем случае можно пополнить лишь небольшую часть атмосферы», — объясняет Эдвардс.
Кхуллер соглашается: «Хотя в полярных шапках и есть углекислый газ, его атмосферное давление только вдвое превышает атмосферное давление Марса. Этого, вероятно, будет недостаточно, чтобы сделать Марс намного теплее».
Хуллерр поднимает еще одно препятствие: предотвращение потери марсианской атмосферы в космосе.
Settlers намекает на эту проблему, когда Джерри говорит Ремми, что созданная людьми атмосфера работает не совсем так, как они изначально планировали.
В то время как создающий атмосферу сюжет Settlers коренится в научных догадках, пока это все — теория, которая не может быть реализована в реальности.
Можно ли сделать Марс пригодным для жизни?
«Это будет очень дорого и сложно». IFC Midnight
Новое изобретение атмосферы Марса, а-ля Settlers , наверное, ближе к фантастике, чем к реальности.
«Искусственно создать атмосферу возможно, но это будет очень дорого и сложно», — говорит Хуллер. «Терраформирование всей планеты, вероятно, займет очень много времени — столетия или даже больше».
Но ученые предложили другие, более реальные способы сделать Марс пригодным для жизни.
В одном исследовании 2019 года предлагается размещать «экраны из кварцевого аэрогеля над достаточно богатыми льдом областями марсианской поверхности».
Это нагрело бы область под этими щитами и гипотетически позволило бы фотосинтезирующей жизни под ними выжить.
Возможно, самый важный вопрос заключается не в том, можем ли мы терраформировать Марс, а в том, должны ли мы . Статья 2004 года, опубликованная в журнале Astrobiology , предполагает, что терраформирование и заселение Марса жизнью вызывает серьезные этические проблемы, включая возможность создания новой «местной марсианской жизни».
До сих пор нет планеты B для людей.
Другие, например режиссер Вернер Херцог, утверждают, что Марс не просто принадлежит нам. Вместо того, чтобы колонизировать другие планеты, мы должны «постараться сохранить нашу планету пригодной для жизни», — сказал Герцог.0075 Inverse в 2020 году.
В Settlers отец говорит дочери: «Знаешь, Земля уже не та, что была когда-то?» Это связь, которая актуальна в то время, когда климатический кризис делает жизнь на Земле все более непригодной для жизни.