ناسا چطور پایگاهی با هوای قابل تنفس در مریخ می‌سازد؟

با اینکه ارسال انسان‌ها برای نخستین بار به سیاره‌ای دیگر بسیار ترسناک به نظر می‌رسد، رسیدن به آن سیاره تنها نیمی از چالش است. مشکل بزرگ اکنون اینست که انسان‌ها چطور می‌توانند در سیاره‌ای با اتمسفر غیر قابل تنفس، تشعشعات کیهانی و دمای بسیار سرد، آن هم میلیون‌ها کیلومتر دورتر از کره خاکی به حیات ادامه دهند.

هدف از نوشتن این مقاله آگاهی از این است که اکنون چطور می‌توانیم برای رقم زدن حیات انسان روی سیاره‌ای بیگانه آماده شویم و برای این کار، خبرگزاری Digital Trends به صحبت با دو متخصص پرداخته است. مایکل هکت، پروفسور انستیتوی تکنولوژی ماساچوست و اسد ابوبکر، مهندس ناسا از این می‌گویند که چطور می‌توان فضانوردان را روی سیاره‌ای که می‌خواهد هرطور شده جان آن‌ها را بگیرد زنده نگه داشت.

بازه فرصت

برای ارسال انسان‌ها به سیاره سرخ، باید نوعی بازه زمانی ضروری را پشت سر بگذاریم. به خاطر ساختار مدارهای زمین و مریخ، راحت‌ترین راه برای رسیدن از یک سیاره به سیاره دیگر، استفاده از مدار ترابرد هوهمان است که در آن، فضاپیما درون مداری بیضی شکل به حرکت می‌افتد و به شکلی آهسته و پیوسته به بیرون سوق می‌یابد.

هکت توضیح می‌دهد: «این به خاطر شیوه گردش سیاره‌ها است. زمین درون مدار مریخ است و سریع‌تر از مریخ می‌گردد، بنابراین هر از چندگاهی روی هم می‌افتند. یک سال مریخ حدودا با دو سال کره زمین برابری می‌کند.»

در هر سال مریخی یا هر ۲۶ ماه روی زمین، یک بازه فرصت به دست می‌آید که در آن، مریخ نزدیک‌ترین فاصله را به زمین دارد

بنابراین باید با زمان‌بندی دقیق به سراغ پرتاب فضانوردان به سمت مریخ رفت. در هر سال مریخی یا هر ۲۶ ماه روی زمین، یک بازه فرصت به دست می‌آید که در آن، مریخ نزدیک‌ترین فاصله را به زمین دارد. «پس شما در هر ۲۶ ماه فرصتی بهینه برای ارسال یک فضاپیما به مریخ از طریق این مدار دارید... پس برنامه‌ها برای سفر مریخ این هستند که در ابتدا زیرساخت‌ها را ارسال کنیم، بعد با گذشت ۲۶ ماه، خدمه ماموریت را هم خواهیم فرستاد.»

ارسال زیرساخت‌ها صرفا به معنای حصول اطمینان از این نیست که فضانوردان به هوایی برای تنفس و غذایی برای خوردن دسترسی دارند. به معنای ارسال و ساخت تاسیسات تامین برق، یک زیستگاه، مریخ‌نوردان و وسایل نقلیه‌ای که به فضانوردان اجازه خروج از مریخ بعد از پایان ماموریت را می‌دهند نیز هست.

چرا اکسیژن اینقدر مهم است؟

نخستین مشکل بزرگی که هنگام ساخت یک مقر مریخی باید به آن رسیدگی کرد، تولید اکسیژن است. وقتی راجع به تولید اکسیژن روی مریخ می‌شنوید، احتمالا به ساده‌ترین نیاز انسانی فکر می‌کنید: داشتن هوایی برای تنفس. و قطعا نیازی هم نیست که راهی برای تولید اتمسفر قابل تنفس درون یک زیستگاه بسته و محدود در مریخ بیابیم. اما زیستگاه حداقل در قیاس با دیگر اجزای پروژه، به مقادیر بسیار اندکی از اکسیژن نیاز خواهد داشت. منظورمان از دیگر اجزا، چیزهایی مانند سوخت رانشگرهای موشکی است که فضانوردان را از روی سطح سیاره بلند می‌کنند.

«اگر مجبور باشیم آن ۳۰ تن اکسیژن را با خودمان به مریخ ببریم، تمام ماموریت برای حدود یک دهه عقب می‌افتد»

هکت توضیح می‌دهد: «ما در حال تلاش برای تولید پیش‌نیاز رانشگر هستیم. ما سعی نمی‌کنیم که سوخت بسازیم، سعی می‌کنیم بخشی از واکنش‌های شیمیایی ضروری که هیچوقت به آن‌ها روی زمین فکر نمی‌کنیم را به دست آوریم.» روی زمین، هنگامی که شما گازوییل موجود در موتور اتومبیل‌تان را می‌سوزانید، از اکسیژنی با وزن چندین برابر بیشتر از سوخت‌تان برای ایجاد آن واکنش استفاده می‌کنید. همین موضوع راجع به تکه چوب‌های در حال سوختن در شومینه هم مصداق دارد.

هکت اضافه می‌کند که «اما اگر جایی بروید که در آن خبری از اکسیژن رایگان نباشد، اکسیژن را باید با خودتان ببرید».

موشک‌های مدرن چندین مخزن اکسیژن مایع دارند که سوخت نهایی را تامین می‌کنند و ضمنا وزن بسیار زیادی هم به تمام محموله اضافه خواهند کرد.

«ما به حدود ۳۰ تن اکسیژن نیاز خواهیم داشت تا آن فضانوردان را از سطح سیاره بلند کرده و درون مدار ببریم. و اگر مجبور باشیم آن ۳۰ تن اکسیژن را با خودمان به مریخ ببریم، تمام ماموریت برای حدود یک دهه عقب می‌افتد. راه حل بسیار آسان‌تر اینست که یک مخزنی خالی را به آن‌جا بفرستیم و در همان‌جا با اکسیژن پرش کنیم.»

استفاده از آنچه در دسترس است

برای تولید اکسیژن روی مریخ، هکت و همکارانش روی مفهومی به نام «بهره‌گیری از منابع در موقعیت - In-situ Resource Utilization» (یا به اختصار ISRU) کار می‌کنند. اساسا این مفهوم به معنای استفاده از هر آن‌چیزی که از پیش در مریخ یافت می‌شود برای ساخت آن‌ چیزی است که نیازش داریم.

آن‌ها باید دست به آزمون و خطا با دستگاهی به نام MOXIE بزنند که همراه با مریخ‌نورد استقامت ناسا، در ماه فوریه ۲۰۲۱ با موفقیت در مریخ فرود آمد. MOXIE اساسا یک ورژن مینیاتوری از دستگاهی به مراتب بزرگ‌تر است که دی‌اکسید کربن -که به وفور در اتمسفر مریخ یافت می‌شود- را برداشته و به تولید اکسیژن می‌پردازد.

MOXIE یک ورژن مینیاتوری از دستگاهی به مراتب بزرگ‌تر است که دی‌اکسید کربن که به وفور در اتمسفر مریخ یافت می‌شود را برداشته و به تولید اکسیژن می‌پردازد

این دستگاه در نگاه نخست شاید پیچیده به نظر برسد، اما در حقیقت مشابه تکنولوژی بسیار شناخته شده‌ای روی کره زمین است. هکت می‌گوید: «MOXIE بسیار شبیه یک سلول سوختی است. اساسا هیچ تفاوتی میان این دو نیست. اگر شما یک سلول سوختی را بردارید و دو سیمی که به درونش انتقال یافته‌اند را برعکس کنید، یک سیستم برقکافت خواهید داشت. این یعنی اگر دستگاه یک سلول سوختی بود، شما یک سوخت و یک اکسنده خواهید داشت که مولکول باثبات تحویل می‌دهند. اگر مونوکسید کربن به عنوان سوخت و اکسیژن داشته باشید، کربن دی‌اکسید تولید می‌شود. ضمنا الکتریسیته هم به دست می‌آورید.»

«حالا اگر همین رویه را معکوس کنید، باید کربن دی‌اکسید و الکتریسیته را به دستگاه راه دهید. و آنچه به دست می‌آید، مونوکسید کربن و اکسیژن است. ما این‌طور مشکل را حل خواهیم کرد».

این ایده به ظاهر ساده، از آن جهت رادیکالی به حساب می‌آید که به حل مشکلی می‌پردازد که هیچکسی در بیرون از جامعه هوافضا به آن به چشم یک چالش نگاه نمی‌کند: تولید اکسیژن. هکت می‌گوید: «هیچکس نمی‌خواهد روی زمین اکسیژن تولید کند. هیچکس دلیلی برای انجام این کار ندارد. اکسیژن در همه‌جا یافت می‌شود.»

چطور یک ماشین اکسیژن بسازیم؟

درک قواعد شیمیایی ساخت ماشین اکسیژن یک چیز است، و طراحی و پیاده‌سازی ورژنی از آن که درون یک مریخ‌نورد جای می‌گیرد چیزی دیگر. ابوبکر، مهندسی حرارتی MOXIE در آزمایشگاه Jet Propulsion ناسا و کسی که از ابتدا در روند توسعه پروژه MOXIE دخیل بوده، به توضیح این می‌پردازد که این دستگاه آزمایشی چطور ساخته شد و تیم آزمایشگاه ناسا باید بر چه موانعی فائق می‌آمده است.

«اصلی‌ترین محدودیت ما، گذشته از حجم و فضای اندکی که در اختیارمان است، انرژی بود»

او می‌گوید: «اصلی‌ترین محدودیت ما، گذشته از حجم و فضای اندکی که در اختیارمان است، انرژی بود. مریخ‌نورد یک ژنراتور گرمابرقی رادیو ایزوتوپ دارد که منبعی هسته‌ای برای برق به حساب می‌آید. بنابراین مردم فکر می‌کنند مریخ‌نورد متکی بر انرژی هسته‌ای است، اما این‌طور نیست. مریخ‌نورد از باتری قوت می‌گیرد و در کنار آن یک شارژر اتمی دارد».

این یعنی محققان باید شدیدا مراقب میزان انرژی مصرفی باشند تا باتری تخلیه نشود. تمام مریخ‌نورد استقامت با انرژی تنها ۱۱۰ وات به کار می‌افتد که تنها اندکی از انرژی لازم برای روشن کردن یک حباب لامپ پرنور بیشتر است.

در نتیجه، دستگاهی مانند MOXIE باید با مقادیر بسیار اندکی از انرژی به کار بیفتد.

دانش صرف

اما طراحی تجهیزات تنها یک وجه از آزمون و خطا است - وجه دیگر، بررسی اینست که آیا ایده اصلا در مریخ جواب می‌دهد یا خیر. حتی با وجود مفاهیمی که به خوبی روی زمین کار می‌کنند، محیط زیستی بیگانه می‌تواند پیامد‌هایی پیش‌بینی نشده را با خود به همراه آورد، از تاثیر اتمسفر باریک سیاره بر چگونگی انتقال حرارت گرفته تا استهلاک تجهیزات به طرق غیر منتظره به خاطر گرانش ضعیف‌تر و گرد و خاک‌های ناشناخته. به همین خاطر است که مهندسین ناسا بزودی به جمع‌آوری داده‌های MOXIE می‌پردازند تا عملکرد آن در محیط زیست حقیقی مریخ را بسنجند.

«کاری که ما می‌کنیم کار علمی نیست، تکنولوژی است: عمدتا می‌خواهیم بدانیم که آیا سیستم کار می‌کند یا خیر»

ابوبکر می‌گوید: «به طرق فراوان، MOXIE واقعا داده‌های علمی جمع‌آوری نمی‌کند». در قیاس با تجهیزات علمی مانند تلکسوپ‌ها و طیف‌سنج‌هایی که برای تحلیل نمونه‌های سنگی به کار گرفته می‌شوند، اطلاعات جمع‌آوری شده از سوی MOXIE نسبتا ساده‌اند. «آنچه ما به دست می‌آوریم تقریبا مثل داده دورسنجی در مهندسی است. ما ولتاژها و جریان‌ها و دماها را اندازه‌گیری می‌کنیم، چیزهایی از این دست. داده ما اینست و حجم داده هم بسیار کوچک است. تمام آن‌ها را می‌توانید تقریبا در یک دیسک فلاپی جای دهید».

این یعنی تیم می‌تواند بازخوردی بسیار سریع از این دریافت کند که سیستم به درستی کار می‌کند یا خیر - در عرض تنها چند روز. برخلاف دیگر تجهیزات موجود در مریخ‌نورد استقامت، که نیازمند هفته‌ها، ماه‌ها یا حتی سال‌ها زمان برای آنالیز داده‌ها هستند، MOXIE بیش از اینکه آزمون و خطا باشد، نمایشی از کارکرد عملی است.

ابوبکر می‌گوید «کاری که ما می‌کنیم کار علمی نیست، تکنولوژی است. عمدتا می‌خواهیم بدانیم که آیا سیستم کار می‌کند یا خیر. و اگر خواستیم ابعاد کار را در آینده افزایش دهیم، برای عملی شدن هدف‌مان باید دست به چه کارهایی بزنیم».

پایگاهی تحقیقاتی برای مریخ

اگر MOXIE موفقیت‌آمیز باشد، نشان می‌دهد که قاعده ISRU چقدر در مریخ عملی است. سپس گسترش ابعاد پروژه و ساخت یک ورژن از دستگاه در ابعاد واقعی که به تولید اکسیژن با نرخ به مراتب بالاتر می‌پردازد کاری نسبتا ساده خواهد بود. و خبر خوب اینکه ورژن بزرگ‌تر بهینه‌تر ظاهر می‌شود و بدون نیاز به انرژی چندان، مقادیری قابل توجه از اکسیژن تولید خواهد کرد.

با حل شدن چالش اکسیژن، می‌توانیم به سراغ دیگر منابعی برویم که انسان‌ها برای ادامه حیات در مریخ به آن‌ها نیاز دارند. یکی دیگر از منابع ضروری که باید مقری برای تولید آن در سیاره سرخ ایجاد کنیم، آب است. آب صرفا برای نوشیده شدن از سوی انسان‌ها ضروری نیست، بلکه به خاطر ترکیبات هیدروژن و دی‌اکسید کربن که می‌توانند انبوهی از ترکیبات شیمیایی کارآمد را با خود به ارمغان آورند نیز اهمیت دارد.

آب صرفا برای نوشیده شدن از سوی انسان‌ها ضروری نیست، بلکه به خاطر ترکیبات هیدروژن و دی‌اکسید کربن‌اش نیز اهمیت دارد

هکت می‌گوید: «ایده در کوتاه‌مدت اینست که مقادیر مشخصی از ISRU را به صورت خودکار انجام دهیم تا ماموریت‌مان امکان‌پذیر شود. وقتی پایگاه‌مان را روی مریخ ساختیم -پایگاهی مانند McMurdo Station در آنتارکتیکا یا ایستگاه فضایی بین‌المللی، می‌توانیم به سراغ روش‌های پیچیده‌تر ISRU مانند استخراج یخ برویم».

«بسیاری از مردم احساس می‌کنند ما باید به صورت خودکار به استخراج یخ بپردازیم. اما من می‌گویم نه، ارزش تلاش‌هایش را ندارد. یخ یک ماده معدنی است، یعنی باید به دنبال آن زیر زمین بگردید، از داخل زمین بیرونش بکشید و تصفیه‌اش کنید. بردن یخ با خودمان به مریخ آسان‌تر خواهد بود. چیزی مانند MOXIE اما یک درخت مکانیکی است. این دستگاه کربن‌ دی‌اکسید تنفس می‌کند و اکسیژن بیرون می‌دهد.»

هکت این بحث را پیش می‌کشد که در قیاس با یافتن منابع از طریق معدن‌کاری، MOXIE بسیار ساده‌تر است. «این دستگاه لازم نیست جایی برود، لازم نیست به دنبال چیزی بگردد. این‌ها متد‌هایی در ISRU هستند که در کوتاه‌مدت واقعا عملی ظاهر می‌شوند. شما کارها را در ساده‌ترین حالت ممکن پیش می‌برید تا بالاخره یک روز به انسان‌های کافی در سطح [سیاره مریخ] دسترسی داشته باشید تا به کارهای پیچیده‌تر بپردازند.»

موهبت غیر منتظره مریخ

مریخ انبوهی از یخ آب دارد، اما این ماده در قطب‌های سیاره یافت می‌شود و اکثر ماموریت‌های فضایی مریخ با تمرکز بر فرود در خط استوا انجام می‌شوند که بیشتر شبیه یک بیابان است. یکی از مفاهیم کنونی برای حل مشکل، ایده نقشه‌برداری از موقعیت یخ‌های آب در مریخ است که لوکیشن مقادیر اندک‌تر یخ را نیز مشخص می‌کند تا در آینده بتوان از آن‌ها بهره‌برداری کرد.

مریخ انبوهی از یخ آب دارد، اما این ماده در قطب‌های سیاره یافت می‌شود و اکثر ماموریت‌های فضایی مریخ با تمرکز بر فرود در خط استوا انجام می‌شوند

یک راه دیگر، استخراج آب از داخل مواد معدنی موجود در خاک مریخ است. «موادی مانند گچ و نمک‌های اپسوم وجود دارند که سولفاته هستند و انبوهی آب را به خود جذب می‌کنند. بنابراین می‌توانید آن‌ها را از زمین بیرون بکشید و آب موجود در آن‌ها را استخراج کنید. می‌توانید در خاک به دنبال آب بگردید که مقادیر آن بسیار هم زیاد است».

اما مریخ صرفا مواد مشابهی نسبت به آن‌چه در زمین می‌یابیم ندارد. پرکلرات نیز در مقادیر بسیار عظیم در مریخ یافت می‌شود که برای سلامت انسان خطرناک است و مقادیر اندکی از آن در سیاره خودمان وجود دارد. علی‌رغم سمی بودن، این ماده به خاطر خواص شیمیایی‌اش بسیار کارآمد ظاهر می‌شود و از آن در چیزهایی مانند شتاب‌دهنده‌های موشک، وسایل آتش‌بازی و ایربگ‌ها استفاده می‌شود.

«در مریخ، اکثر کلر موجود در خاک در اصل پرکلرات است.» این را هکت می‌گوید: «این ماده ۱ درصد از تمام خاک را تشکیل داده است و مقادیری باورنکردنی از انرژی دارد. وقتی اتم‌های اکسیژن را از پرکلرات جدا می‌کنید تا کلر به دست آورید، انبوهی انرژی استخراج می‌شود. من همیشه عقیده داشته‌ام که این منبعی معرکه برای بهره‌برداری است».