Как сделать кислород на марсе

Обновлено: 03.07.2024

Кислород настолько распространен на Земле, что мы вспоминаем о нем, только будучи запертыми в шкафу. Однако вопрос о том, как запасти достаточное количество этого важного газа, все время стоит перед космическими инженерами. Чтобы у будущих исследователей красной планеты было достаточно кислорода для поддержания жизни и питания корабля, NASA решило использовать свой эксперимент MOXIE (Mars OXygen In situ resource utilization Experiment) в миссии Марс 2020, чтобы выяснить, как получить кислород из марсианской атмосферы.

Отправка на Марс человека влечет не только технические трудности, с которыми никто и никогда ранее не сталкивался, но также и проблемы поставок. Необходимо транспортировать тонны запчастей, продуктов, воды, топлива и кислорода, только чтобы астронавты выжили, не говоря уже об обратной дороге.

Ранее это не было проблемой. Когда астронавты Аполлона прилетели на Луну, все что было необходимо для полета, они привезли с собой. При полете на Марс это невозможно, разве что корабль будет размером с авианосец. Вместо этого ученые и инженеры стараются сделать так, чтобы корабль обеспечивал сам себя.

Проект Массачусетского технологического института MOXIE может стать решением этой задачи. Он разработан совместно с NASA, и основан на том, что марсианская атмосфера, хоть и является разреженной, на 96% состоит из углекислого газа, что означает, что она может стать потенциальным источником кислорода для будущих исследований. В сущности, MOXIE это топливный элемент наоборот. Вместо того чтобы генерировать электричество с помощью кислорода и сжигать топливо, его принцип действия основан на реакции твердооксидного электролиза, при которой электричество используется для разделения углекислого газа на кислород и углерод.

Марсианский воздух закачивается в устройство, проходя через фильтр, и нагнетается, прежде чем подаваться в топливный отсек. При высокой температуре оксидная керамика играет роль проводника ионов кислорода. В топливном отсеке тонкий, непористый диск из керамики разделяет два пористых электрода: катод и анод. Диоксид углерода проходит через катод, и вступает в контакт с керамикой, взаимодействие электричества и керамики заставляет его разделиться на моноокиси кислорода и углерода. Затем они разделяются и отправляются в хранилище.

MOXIE это один из семи основных экспериментов, итоги которых будут использоваться при полете на Марс, запланированном на июль 2020 года, на который правительство США выделит 1,9 миллиардов долларов. Основой станет атомный марсоход Curiosity, который в настоящее время исследует кратер Гейл. Остальные разработки направлены на изучение красной планеты, однако MOXIE выделяется тем, что он требует практических испытаний.

По словам представителей института, если MOXIE станет успешным, его расширенная версия может стать подспорьем будущим исследованиям, производя кислород для дыхания и топлива. Один из возможных вариантов – это предварительная постройка роботизированного атомного завода, который произведет запас кислорода для прибывающих астронавтов.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

ЛОНДОН, 24 октября. /ТАСС/. Исследователи из португальского Лиссабонского университета, Университета Порту, а также французской Политехнической школы в Париже придумали, как наладить стабильное производство кислорода для будущих колонистов на Марсе. Об этом пишет газета Daily Mirror.

По словам ученых, условия на Марсе практически идеальны для того, чтобы получать кислород прямо из атмосферы планеты, которая почти на 96% состоит их углекислого газа. Разложить углекислый газ на кислород и монооксид углерода можно с помощью низкотемпературной плазмы - ионизированного газа, заряженные частицы которого могут как вырывать отдельные ионы из молекулы углекислого газа, так и косвенно способствовать их отделению, сообщая дополнительную энергию отдельным атомам в молекуле и увеличивая амплитуду молекулярных колебаний.

Из-за того, что температура за Земле обычно сравнительно высока, в земных лабораториях монооксид углерода достаточно быстро окисляется обратно до углекислого газа. Поэтому такой метод получения кислорода на Земле не слишком эффективен. На Марсе же, где средняя температура составляет около минус 60 градусов Цельсия, а давление в 160 раз меньше земного, реакция повторного окисления будет происходить очень медленно, что даст время разделить кислород и монооксид углерода и успеть поместить их в разные емкости.

"Отправка пилотируемой миссии на Марс - один из следующих важнейших шагов в исследовании космоса. Однако создание условий, в которых человек сможет дышать, пока что представляет сложную задачу", - рассказал один из авторов исследования доктор Васко Герра из Лиссабонского университета. "Метод разложения (углекислого газа - прим. ТАСС) с помощью низкотемпературной плазмы дает двойную пользу для пилотируемой миссии на Марс. Он позволит не только получить стабильный, надежный источник кислорода, но также и источник топлива, поскольку монооксид углерода предлагается использовать в качестве топлива для ракет", - добавил он.

По словам ученого, эта технология значительно упростит жизнь будущим колонистам, будет более безопасной и менее энергозатратной, чем предлагавшиеся ранее варианты с использованием высоких температур. "Она увеличит возможности для самообеспечения [поселения], сократит риск для участников миссии и снизит затраты, поскольку можно будет использовать меньше средств доставки", - отмечает Герра.

Исследовательский аппарат Perseverance работает на поверхности Марса уже на протяжении 4 месяцев. Он оснащен семью устройствами для изучения марсианской поверхности и самым интересным из них является MOXIE — маленькая коробочка, при помощи которой можно превратить углекислый газ в кислород. В декабре 2020 года ответственные за работу этого инструмента инженеры сообщили, что аппарат должен производить до 10 граммов кислорода в час, чего должно хватать для поддержания жизни небольшой собаки. В апреле 2021 года инструмент наконец-то был протестирован и ученые выяснили, что за час он способен производить 5,4 грамма кислорода, что тоже неплохой результат. Также они выяснили, что он чист почти на все 100%, то есть технология полностью рабочая. В рамках данной статьи предлагаю узнать больше подробностей об этом достижении NASA: как именно работает инструмент MOXIE и как будущие посетители Марса будут использовать кислород?

Марсоход Perseverance, который смог добыть кислород на Марсе

Добыча кислорода на Марсе

Инструмент MOXIE был разработан сотрудниками Массачусетского технологического института (MIT), поэтому информация о добыче кислорода была опубликована на их сайте. Устройство представляет собой небольшую коробку, которая прикреплена к нижней части марсохода Perseverance. Для добычи кислорода он задействует метод, именуемый как электролиз твердых оксидов, который производится при температуре около 800 градусов Цельсия. Чтобы не допустить перегрева Perseverance, инженеры обернули инструмент MOXIE в огнестойкий материал.

Расположение инструмента MOXIE на марсоходе Perseverance

Впервые кислород на Марсе был произведен в апреле 2021 года. Инструмент собрал немного марсианского углекислого газа, сжал его и избавил от разных загрязнений. Потом, путем нагревания при температуре 800 градусов, углекислый газ был разделен на кислород и окись углерода. Кислород был заключен в хранение в изолированную камеру, а окись углерода выпущена обратно в атмосферу. За час работы инструмент MOXIE выработал 5,4 граммов 100% чистого кислорода.

А вот и сам инструмент MOXIE

Кислород для дыхания

Без налаженной технологии добычи кислорода на Марсе люди не смогут посетить далекую планету. Дело в том, что марсианская атмосфера на 95% состоит из углекислого газа, который непригоден для дыхания. Чтобы выжить, при каждом вдохе человек закачивает в легкие 0,5 литров воздуха, и если учесть, что в минуту совершается около 15 вдохов, получается, что за сутки человек потребляет 12 000 литров воздуха — это примерно 14 килограмм. Но стоит отметить, что мы вдыхаем не чистый кислород, потому что его концентрация в воздухе равно 20,9%. Это значит, что в сутки человеку нужно 3 килограмма чистого кислорода.

Смогут ли люди попасть на Марс зависит от того, будет ли создан хороший способ добычи кислорода

Кислород для топлива

По словам профессора кафедры аэронавтики MIT Джеффри Хоффмана (Jeffrey Hoffman), первый запуск MOXIE приближает человечество к первому успешному полету на Марс. Кислород будет необходим астронавтам не только для дыхания, но и для производства ракетного топлива. По предварительным данным, чтобы вернуть четырех астронавтов на Землю, необходимо топливо с использованием 25 метрических тонн кислорода. На данный момент производство такого количества невозможно, но в старой статье про добычу кислорода на Марсе я упоминал, что если MOXIE докажет свою эффективность, инженеры MOXIE разработают его полноразмерную версию весом около тонны.

Кислород также нужен для того, чтобы астронавты смогли вернуться на Землю

Если вы хотите узнать больше о целях марсохода Perseverance, рекомендую почитать статью моего коллеги Александра Богданова. Помимо технологии добычи кислорода, он рассказал о том, как самый навороченный аппарат NASA будет добывать марсианский грунт. Также он упомянул про вертолет Ingenuity, который уже совершил свой первый полет. Об этом событии вы можете почитать, перейдя по ссылке.

Учёные предложили метод производства кислорода, при котором суровые условия Красной планеты из недостатка превращаются в преимущество.

Будут ли на Марсе яблони цвести? Чтобы эта мечта стала реальностью, нужно решить массу проблем. Например, найти способ защитить межпланетных путешественников от космической радиации.

Кроме того, поселенцам необходимо что-то пить и чем-то дышать. Воды (в виде льда) на Марсе много, причём, похоже, не только на полюсах. Проекты её добычи активно обсуждаются специалистами.

А вот где взять кислород? Идеи есть. Предлагается, например, разлагать воду на кислород и водород электрическим током или использовать цианобактерии с их фотосинтезом.

Но вода на Марсе – ресурс всё-таки дефицитный. А вот чего там хватает с избытком, так это углекислого газа. Собственно, из него марсианская атмосфера на 96% и состоит.

В связи с чем уже давно предлагается разлагать этот дармовой CO₂ на кислород и угарный газ. Команда исследователей во главе с Васку Геррой (Vasco Guerra) из Лиссабонского университета проверила эту идею. И пришла к выводу, что она очень хороша.

Основа нужного процесса – создание низкотемпературной плазмы. В ней молекулы углекислого газа распадаются по двум причинам. Во-первых, их разрушают прямые удары электронов. Во-вторых, частицы плазмы передают молекулам CO₂ свою энергию, и те начинают колебаться. Когда интенсивность колебаний становится слишком большой, химическая связь не выдерживает напряжения, и от молекулы отрывается атом кислорода.

Специальным подбором условий реакции можно минимизировать потери энергии на другие процессы, в частности, на банальное нагревание плазмы. Тогда разложение на угарный газ и кислород можно осуществлять с помощью источника энергии мощностью всего в десятки ватт. И на эту роль вполне годятся даже солнечные батареи действующих марсианских аппаратов.

Авторы отмечают, что естественные условия на Красной планете близки к оптимальным для такой химической реакции. Низкая температура способствует тому, чтобы большая доля энергии переходила в колебания молекул. Кроме того, марсианский холод замедляет реакцию окисления угарного газа обратно до CO₂. Примеси аргона и азота в атмосфере тоже помогают делу. Аргон меняет распределение электронов по энергетическим уровням в полезном для реакции направлении, а азот передаёт колебательную энергию от своих молекул молекулам углекислого газа, как в CO₂-лазере.

Даже низкое атмосферное давление играет на руку химикам. Запуск реакции разложения CO2 происходит при похожих значениях. Только на Земле для его получения используют вакуумные насосы, а на Красной планете такие условия существуют "прямо за окном".

Так что, заключают авторы, обсуждаемый метод хорош со всех сторон. Перефразируя классика, "ты должен делать кислород из углекислого газа, потому что это лучший способ его сделать".

Между прочим, обсуждаются способы не только снабдить кислородом локальное земное поселение, но и вообще сделать из Красной планеты зелёную. Например, высказывалась идея создать вокруг Марса искусственное магнитное поле для защиты атмосферы от сдувания солнечным ветром. Расчёты специалистов NASA показывают, что в этом случае уже через несколько лет атмосферное давление Марса достигнет половины земного.

Читайте также: