Как получить кислород на Марсе?

MOXIE — первое «марсианское дерево». Чуть больше месяца назад марсоход Perseverance совершил посадку на поверхность Марса. Но теперь начинается настоящая работа — глубоко внутри Percy спрятан прибор, предназначенный для производства кислорода из богатой углекислым газом атмосферы Марса. Плотность атмосферы Марса составляет в среднем 1/125-ю часть от плотности атмосферы Земли, и если мы мечтаем жить и работать на Красной планете, нам просто необходимо производство кислорода.

«Что больше всего потребляет кислород во время полёта на Марс? Не люди», — говорит Майкл Хехт, заместитель директора по управлению исследованиями в Haystack Observatory Массачусетского технологического института и главный исследователь проекта MOXIE (Марсианский исследовательский эксперимент с кислородом in situ, Mars Oxygen ISRU Experiment).

— «Это ракета, которая доставит вас на Марс, и которая вернёт вас домой».

По оценкам NASA, экипажу из четырёх человек потребуется много топлива, в том числе и кислорода в количестве 25 тонн, для того, чтобы покинуть поверхность Марса и вернуться домой. Тащить весь этот кислород с Земли-сплошная морока. Вот тут-то и появляется идея использовать эксперимент по использованию марсианских ресурсов.

Примерно размером с автомобильный аккумулятор, MOXIE является одним из многих экспериментов NASA по использованию ресурсов на месте (ISRU) и первым из них, кто отправился в космос.

По своей сути, ISRU — это попытка использовать доступные ресурсы на месте, в том числе сбор и хранение.«Если мы действительно хотим покинуть планету, организовать что-то помимо научной миссии, нам действительно пора задуматься о жизни вне Земли,» — говорит Джерри Сандерс, который возглавляет команду ISRU Capability Leadership в Космическом центре NASA им. Джонсона в Хьюстоне .После многих лет разработок настало время выяснить, действительно ли MOXIE — и другие подобные эксперименты — смогут работать.

Как это работает. Экспериментальный прибор использует метод, называемый электролизом твердых оксидов. Во-первых, по трубке углекислый газ поступает в спиральный компрессор (предварительно пройдя через фильтр), который затем сжимает его до давления, аналогичного тому, что мы могли бы испытать на уровне моря здесь, на Земле, и направляется в блок электролиза.Этот блок состоит из керамических ячеек, в которые и попадает предварительно подогретый (800°C) газ.Нагретый до высокой температуры газ, который на 98% состоит из углекислого газа, попадает в ячейки SOXE. Каждая ячейка представляет собой «бутерброд» из пористых металлических электродов с каждой стороны пластин из ScSZ, действующих как твердый электролит.

Через ячейку подается ток, в результате чего под действием катализатора выполняется реакция восстановления. Затем ионы кислорода реагируют друг с другом в непосредственной близости от пористого анода. Датчики модуля оценивают качество и ход реакции. Производительность модуля составляет около 12 г/час при максимальной силе тока в 4А. По завершении реакции все ее производные возвращаются в атмосферу. Само устройство — proof of concept, его главная задача — доказать возможность производства кислорода на Марсе. Хранить же кислород сейчас нет смысла.Углекислый газ поступает внутрь. Кислород и угарный газ — в данном случае безвредный побочный продукт — выходят наружу. Если прибор начинает потреблять большее количество энергии, как заявляет главный исследователь, система способна генерировать обычный углерод в качестве побочного продукта вместо окиси углерода. Низкое же напряжение может оказать губительное воздействие на отдельные блоки, вследствие накопления в системе углекислого газа.

Масштабирование. Да пока что MOXIE — это просто демонстрация технологий. По оценкам Хехта, в течение ближайших нескольких лет прибор будет работать в общей сложности около 10 часов, и как надеются создатели, по ходу каждого эксперимента прибора будет способен генерировать от шести до десяти граммов кислорода, что достаточно для поддержания жизни маленькой собаки.Если MOXIE сможет успешно продемонстрировать способность генерировать кислород, то следующим шагом станет увеличение производительности модуля. По словам Хехта, это означает строительство более мощного компрессора и увеличение мощности электролизных установок в сто раз.

Система разработана таким образом, что увеличение размера и количества блоков увеличивает выработку кислорода.Как надеются исследователи, «увеличенный» MOXIE , предназначенный для производства достаточного количества кислорода для поддержки миссии с экипажем из четырёх человек, будет способен работать в течение 10 000 часов, и генерировать кислород со скоростью примерно 2-3 килограмма в час. Увеличение нынешней конструкции прибора для поддержания небольшой колонии — это первый шаг на пути к устойчивому будущему на Марсе. Но остаётся множество нерешённых проблем, которые вызывают вопросы, например, марсианская погода: cуточные температурные колебания на Марсе довольно значительны, а колоссальные пылевые бури могут охватить всю планету в течение нескольких месяцев, способны затмить Солнце.

— «Конечно погода повлияет на работу MOXIE,» — говорит Хехт, – «но понимание того, как пылевые бури и, в частности, резкие перепады давления воздействуют на механизмы прибора, может послужить основой для проектирования полномасштабных систем в будущем.»Среднее атмосферное давление на поверхности Марса — 4,5 Torr (1 Torr=1мм рт. ст. ). На вершине крупнейшего вулкана Красной планеты — Олимпа атмосферное давление составляет примерно 0,2 Torr; а на глубине ударного кратера Hellas Planitia — 8,7 Torr. Для сравнения, на поверхности Земли атмосферное давление составляет около 760 Torr.

«Наша система достаточно надёжная и гибкая, и мы надеемся что она будет способна проработать даже в таких условиях — диапазоне атмосферного давления от двух до 12 Торр,» — говорит Абубакер. Работа прибора будет контролироваться в течение дня, а также ночью, когда воздух остынет и станет более плотным. А поскольку атмосферное давление меняется не только во время бурь, но и во время смен сезонов, испытания будут проводиться в течение всего года. Данные, полученные благодаря прибору, в конечном итоге будут использоваться при проектировании и разработке будущих систем, которые будут способны генерировать кислород вне зависимости от погодных условий. По оценкам NASA, первому экипажу, который отважится отправиться на Марс, потребуется примерно 30 киловатт в день для общего жизнеобеспечения. «Увеличенный» MOXIE будет использовать примерно такое же количество энергии.

Солнечные батареи могут показаться очевидным выбором для поддержания работ в будущих поселениях, но они имеют свои недостатки.Во-первых, для генерации такого количества энергии потребовалось бы прорва подобных батарей. И не забываем про пылевые бури и смену дня и ночи на Марсе — решение этих проблем потребует создание значительной системы накопления энергии.Наиболее надёжным решением, утверждает Абубакер, вероятно, будет небольшая атомная электростанция. Инженер Дэйв Постон из Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) согласен. Это эффективная и безопасная альтернатива солнечной энергии: один ядерный реактор может заменить солнечную батарею размером с футбольное поле.

Эта технология не нова. В период между ноябрём 2017 и мартом 2018 года NASA, лаборатория Национального управления по ядерной безопасности США (NNSA) и Национальная лаборатория Лос-Аламоса (Los Alamos National Laboratory) провели испытания реактора под названием Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY). Спрятанный в пустыне Невада ядерный реактор успешно вырабатывал пять киловатт электроэнергии—примерно половину энергии, необходимой для питания обычного дома. В прошлом году Los Alamos National Laboratory согласилась выдать лицензию на разработку реактора компании Space Nuclear Power Corporation, также известной как SpaceNukes.

По словам одного из инженеров компании Патрика Макклюра, лучший способ проверить эту технологию на деле — отправить на поверхность Марса спускаемый аппарат, оснащённый четырьмя 10-киловаттными реакторами.ХранениеТогда возникает вопрос о его хранении. Жидкий кислород, генерируемый в том числе и для ракет, будет трудно хранить на поверхности Марса.

Процесс охлаждения кислорода до -297 градусов по Фаренгейту (-182°C)—процесс, который невероятно энергоёмкий и потребует примерно в десять раз больше энергии, чем его хранение. Также есть вопросы по проектированию изолированных криогенных резервуаров для работы на поверхности Марса.

«Все технологии, которые до сих пор разрабатывались для применения в космосе, на Марсе не сработают — у Марса есть атмосфера» — говорит Джерри Сандерс. Одним из возможных путей будет отправка стального резервуара с вакуумной оболочкой.

«Это буквально ёмкость внутри ёмкости, и между ними — вакуум, — говорит Сандерс. — И этот вакуум поддерживает нужную нам температуру во внутреннем резервуаре с жидким кислородом».

Кроме того агентство изучает возможность использования надувных резервуаров, которые перед отправкой на Марс плотно упаковываются , а по прибытии надуваются. У этого варианта есть как и плюсы — занимают мало места, меньше затрат при производстве, так и минусы — он менее эффективен в вопросе поддержания нужной температуры.В то время как MOXIE будет занят производством кислорода на Красной планете, команда земных инженеров решают проблемы грандиозного масштаба.

Хехт и его команда работают с колорадской компанией Air Squared над созданием более крупного компрессора. Другая компания, базирующаяся в Солт-Лейк-Сити OxEon Energy, получила грант от NASA на разработку более крупной установки электролиза, способной производить примерно один килограмм кислорода в час. В Массачусетском технологическом институте исследователи разрабатывают меньшие по размеру и более лёгкие фильтры для защиты от пыли.Как считают создатели прибора, его «увеличенная» версия может быть создана на Марсе в ближайшие два десятилетия. И это в том случае, если переменчивые политические ветра не утянут их в другие регионы Солнечной системы.Ключ к успеху будущего поселения будет заключаться в создании всего необходимого за небольшой промежуток времени по крайней мере за 26 месяцев—до прибытия людей на Красную планету.

«Это то время, за которое по нашим расчётам количество кислорода уже будет достаточно», — объясняет Хехт. Вот такие надежды связывают учёные с небольшим, размером с автомобильный аккумулятор, прибором, способным дать толчок для будущих исследователей.

Источник: thealphacentauri.net , KRUSTY