Cara Membangun Basis di Mars

Elon Musk sering berbicara tentang menyiapkan SpaceX Starship untuk misi berawak ke Mars dalam satu dekade, dengan peluncuran pertama pesawat tersebut pada awal tahun depan. Tapi mungkin menakutkan seperti mengirim manusia ke planet lain untuk pertama kalinya, mencapai sana hanyalah setengah dari tantangannya. Masalah besarnya adalah bagaimana manusia dapat hidup di permukaan planet dengan atmosfer tipis yang tidak dapat bernapas, dihantam oleh radiasi kosmik, dengan suhu permukaan yang membekukan, jutaan mil dari rumah.

Kami ingin tahu bagaimana Anda mempersiapkan planet asing untuk tempat tinggal manusia, jadi kami berbicara dengan dua ahli, profesor Institut Teknologi Massachusetts Michael Hecht dan insinyur NASA Asad Aboobaker, untuk mencari tahu bagaimana menjaga astronot tetap hidup di planet yang diinginkan. untuk membunuh mereka.

Jendela peluang

Ada jeda waktu yang penting dalam mengirim orang ke planet merah. Karena orbit Bumi dan Mars, cara termudah untuk berpindah dari satu planet ke planet lainnya adalah menggunakan lintasan yang disebut orbit transfer Hohmann, di mana sebuah pesawat bergerak dalam orbit yang secara bertahap berputar ke luar.

“Ini karena cara planet-planet berputar,” jelas Hecht. “Bumi berada di dalam orbit Mars dan berputar lebih cepat dari Mars, jadi ia berputar beberapa kali. Setahun Mars hampir dua tahun Bumi. "

“Jadi, Anda harus mengatur waktu peluncurannya. Dan ada jendela setiap tahun Mars - setiap 26 bulan, pada waktu yang disebut oposisi Mars saat Mars dekat dengan Bumi. Jadi setiap 26 bulan Anda memiliki kesempatan untuk meluncurkan pesawat ruang angkasa ke Mars dalam orbit yang optimal ini. … Jadi Mars berencana untuk mengirim infrastruktur terlebih dahulu, lalu 26 bulan kemudian kami akan mengirim kru. ”

“Setiap 26 bulan Anda memiliki kesempatan untuk meluncurkan pesawat ruang angkasa ke Mars dalam orbit yang optimal ini”

Mengirim infrastruktur tidak hanya berarti memastikan ada udara bagi para astronot untuk bernafas dan makanan untuk mereka makan. Ini juga berarti mengirim dan membangun pembangkit listrik, habitat, penjelajah, dan kendaraan pendakian untuk memungkinkan para astronot pergi setelah misi mereka selesai.

Chris DeGraw / Digital Trends

Mengapa oksigen sangat penting

Masalah besar pertama yang harus ditangani dalam mendirikan pangkalan Mars adalah produksi oksigen. Ketika Anda mendengar tentang memproduksi oksigen di Mars, Anda mungkin memikirkan kebutuhan paling dasar manusia: Memiliki udara untuk bernapas. Dan tentu saja, kita perlu menemukan cara untuk menghasilkan atmosfer yang dapat bernapas di habitat Mars yang terkendali. Tapi ini hanya membutuhkan jumlah oksigen yang relatif kecil dibandingkan dengan kebutuhan yang besar - propelan untuk roket yang akan meluncurkan astronot dari permukaan.

"Kami mencoba membuat propelan roket," kata Hecht. "Kami tidak mencoba membuat bahan bakar, kami mencoba membuat bagian dari reaksi kimia yang tidak pernah kami pikirkan di Bumi." Di Bumi ini, saat Anda membakar bensin di mesin mobil, Anda menggunakan oksigen beberapa kali lipat dari berat bahan bakar untuk menciptakan reaksi itu. Sama halnya dengan membakar batang kayu di perapian.

Getty Images / Handout

Namun, "Jika Anda pergi ke suatu tempat yang tidak ada oksigen gratis, Anda perlu membawanya," kata Hecht.

Roket modern memiliki tangki oksigen cair yang menyediakan propelan ini, dan mereka membentuk sebagian besar bobot saat diluncurkan.

“Kami membutuhkan hampir 30 metrik ton oksigen untuk menggerakkan roket itu agar astronot tersebut keluar dari planet dan ke orbit,” kata Hecht. “Dan jika kita harus membawa 30 metrik ton oksigen itu ke Mars, itu akan mendorong seluruh misi satu dekade ke belakang. Jauh lebih mudah mengirim tangki kosong dan mengisinya dengan oksigen di sana. ”

Memanfaatkan apa yang tersedia

Untuk membuat oksigen di Mars, Hecht dan rekan-rekannya mengerjakan sebuah konsep yang disebut pemanfaatan sumber daya in-situ (ISRU). Pada dasarnya, itu berarti memanfaatkan apa yang sudah ada di Mars untuk menciptakan apa yang kita butuhkan.

Mereka telah membuat eksperimen yang disebut MOXIE (Eksperimen Pemanfaatan Sumber Daya Dalam Situ Oksigen Mars), yang akan melakukan perjalanan ke Mars dengan penjelajah NASA Perseverance saat diluncurkan musim panas ini. Versi mini dari perangkat yang berpotensi jauh lebih besar ini menyerap karbon dioksida, yang berlimpah di atmosfer Mars, dan menghasilkan oksigen.

Itu mungkin terdengar rumit, tetapi pada kenyataannya, perangkat tersebut mirip dengan sesuatu yang terkenal di Bumi. “MOXIE sangat mirip dengan sel bahan bakar,” kata Hecht. “Hampir identik. Jika Anda mengambil sel bahan bakar dan membalikkan dua kabel yang masuk, Anda akan memiliki sistem elektrolisis. Artinya, jika ini adalah sel bahan bakar, Anda akan memiliki bahan bakar dan pengoksidasi yang menghasilkan molekul stabil. Jika karbon monoksida sebagai bahan bakar dan oksigen, itu akan membuat karbon dioksida. Anda juga bisa mati listrik.

Ini mengambil karbondioksida, yang berlimpah di atmosfer Mars, dan menghasilkan oksigen

“Jika Anda menjalankannya secara terbalik, Anda harus memasukkan karbon dioksida, dan Anda harus menyalakan listrik. Tapi Anda mengeluarkan karbon monoksida dan oksigen. Inilah cara kami tahu cara melakukan ini. "

Gagasan yang tampaknya sederhana ini radikal karena menangani masalah yang hampir tidak dapat dipikirkan oleh siapa pun di luar komunitas luar angkasa yang menganggapnya sebagai masalah: Produksi oksigen. "Tidak ada yang ingin membuat oksigen di Bumi - kami tidak punya alasan untuk itu," kata Hecht. “Kami punya banyak di mana-mana. Tapi kami memiliki banyak pengetahuan karena sel bahan bakar. "

Bagaimana membangun mesin oksigen

Memahami prinsip-prinsip kimiawi dalam membuat mesin oksigen adalah satu hal, tetapi merancang dan membangun versi yang dapat ditampung dalam sebuah penjelajah adalah hal lain. Asad Aboobaker, seorang insinyur termal untuk MOXIE di Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA yang telah terlibat dalam proyek MOXIE selama pengembangannya, menjelaskan bagaimana eksperimen itu dibangun dan beberapa tantangan yang harus dihadapi tim JPL:

“Kendala sumber daya utama yang kami miliki, selain massa dan ruang kecil untuk bekerja, adalah energi,” katanya. “Penjelajah ini memiliki generator termoelektrik radioisotop, yang merupakan sumber tenaga nuklir. Jadi orang berpikir bahwa penjelajah itu bertenaga nuklir, padahal sebenarnya tidak. Ini bertenaga baterai, dengan pengisi daya tetesan nuklir. ”

NASA

Artinya para peneliti harus sangat berhati-hati dengan seberapa besar daya yang mereka gunakan agar tidak menguras baterai. Seluruh penjelajah Perseverance hanya menggunakan 110 watt, yang hanya sedikit lebih dari bola lampu yang terang.

Pada gilirannya, eksperimen seperti MOXIE hanya dapat menggunakan sedikit daya. “Jadi itu menetapkan batas berapa banyak daya pemanas yang bisa kita gunakan untuk memanaskannya, berapa banyak daya yang dapat ditarik kompresor yang menghembuskan gas ke sistem, dan berapa lama kita bisa berjalan,” kata Aboobaker.

Itulah mengapa versi MOXIE yang bepergian dengan Ketekunan sangat kecil, meskipun sistemnya akan bekerja dengan baik atau bahkan lebih baik pada skala yang lebih besar.

Kami hanya ingin tahu apakah itu berhasil

Tapi merancang peralatan hanyalah satu sisi dari eksperimen - sisi lain memeriksa apakah peralatan itu benar-benar berfungsi di Mars. Bahkan dengan konsep yang bekerja dengan kokoh di Bumi, dapat terdapat konsekuensi tak terduga dari lingkungan asing, mulai dari atmosfer tipis yang memengaruhi cara perpindahan panas, hingga keausan bearing dengan cara yang tidak terduga karena gravitasi yang lebih rendah dan debu yang tidak dikenal. Itu sebabnya para insinyur JPL akan mengumpulkan data dari MOXIE untuk melihat bagaimana perkembangannya di lingkungan Mars yang sebenarnya.

“Dalam banyak hal, MOXIE tidak benar-benar mengambil data sains,” kata Aboobaker. Dibandingkan dengan instrumen sains seperti teleskop atau spektrometer, yang digunakan untuk menganalisis sampel batuan, data yang dikumpulkan dari MOXIE relatif sederhana. “Apa yang kami miliki hampir seperti data telemetri rekayasa. Kami mengukur tegangan dan arus dan suhu, hal-hal seperti itu. Itu data kami, dan volume data sebenarnya cukup kecil. Anda hampir bisa memasukkannya ke dalam floppy disk. ”

“Volume data sebenarnya cukup kecil. Anda hampir bisa memasukkannya ke dalam floppy disk ”

Artinya, tim dapat memperoleh umpan balik yang sangat cepat tentang apakah sistem berfungsi sebagaimana mestinya - dalam beberapa hari. Tidak seperti instrumen Ketekunan lainnya, yang analisis datanya membutuhkan waktu berminggu-minggu, berbulan-bulan, atau bahkan bertahun-tahun, MOXIE adalah demonstrasi praktis dan juga eksperimen.

“Dalam banyak hal, yang kami lakukan bukanlah sains, itu teknologi,” kata Aboobaker. “Kebanyakan, kami hanya ingin tahu apakah itu berhasil. Dan, jika kami ingin meningkatkannya di masa mendatang, hal-hal apa saja yang perlu kami lakukan untuk melakukannya? ”

Stasiun McMurdo untuk Mars

Jika MOXIE berhasil, itu dapat menunjukkan bagaimana prinsip ISRU dapat bekerja di Mars. Maka relatif mudah untuk meningkatkan proyek dan membuat versi skala penuh yang dapat menghasilkan oksigen pada tingkat yang jauh lebih tinggi. Dan kabar baiknya adalah versi yang lebih besar akan lebih efisien dan dapat menghasilkan oksigen dalam jumlah besar tanpa memerlukan terlalu banyak daya.

Dengan oksigen yang disortir, kita dapat beralih ke jenis sumber daya lain yang kita perlukan untuk manusia yang tinggal di Mars. Sumber daya terpenting lainnya yang kita perlukan untuk membangun basis di planet ini adalah air. Tidak hanya untuk diminum manusia, tetapi juga karena air (atau hidrogen) dan karbon dioksida dapat digabungkan menjadi berbagai macam bahan kimia yang berguna.

“Ide dalam jangka pendek adalah kami ingin melakukan sejumlah ISRU otonom untuk membuat misi kami memungkinkan,” kata Hecht. “Begitu kita memiliki basis di planet ini, seperti Stasiun McMurdo di Antartika atau seperti Stasiun Luar Angkasa Internasional, maka Anda dapat memikirkan jenis ISRU yang jauh lebih agresif, seperti menambang es.

NASA / JPL-Caltech

“Banyak orang merasa kami harus menambang es secara mandiri. Tapi saya katakan tidak, itu tidak sebanding dengan usahanya. Es adalah mineral, artinya Anda harus mencari prospek, Anda harus menggalinya, Anda harus memurnikannya. Akan lebih mudah untuk membawanya.

“Padahal yang seperti MOXIE adalah pohon mekanis. Ia menghirup karbon dioksida dan menghirup oksigen. " Dibandingkan dengan memburu sumber daya seperti penambangan, MOXIE jauh lebih sederhana. “Tidak harus kemana-mana, tidak harus mencari apapun. Itulah jenis-jenis metode IRSU yang sangat praktis dalam jangka pendek. Anda menunda sisanya sampai Anda memiliki orang di permukaan yang dapat melakukan tugas yang lebih rumit. ”

Bounty Mars yang tak terduga

Mars memang memiliki banyak air es, tetapi terletak di kutub, sementara sebagian besar misi Mars ingin fokus pada pendaratan di ekuator, yang seperti gurun. Konsep saat ini untuk mengatasi masalah ini termasuk gagasan pemetaan es global, di mana lokasi sejumlah kecil es dapat dipetakan untuk digunakan di masa mendatang.

Pilihan lainnya adalah mengekstraksi air dari mineral di tanah Mars. “Ada mineral seperti gipsum dan garam Epsom yang bersifat sulfat dan menarik banyak air,” jelas Hecht. “Jadi Anda bisa menggalinya dan memanggangnya dan mengeluarkan airnya. Anda bisa menambang tanah untuk mendapatkan air yang cukup banyak. "

Tapi Mars tidak hanya memiliki bahan yang mirip dengan yang kita temukan di Bumi. Ia juga memiliki sejumlah besar bahan kimia yang disebut perklorat (ClO4) yang berbahaya bagi kesehatan manusia dan hanya ditemukan dalam jumlah kecil di planet kita. Meskipun beracun, zat ini bisa sangat berguna karena sifat kimianya, seperti yang digunakan dalam hal-hal seperti penguat roket padat, kembang api, dan kantung udara.

“Di Mars, sebagian besar klorin di tanah ternyata perklorat,” kata Hecht. “Itu membuat hampir 1% dari tanah. Dan itu memiliki energi yang sangat besar. Saat Anda melepaskan atom oksigen dari ClO4 untuk membuat Cl, ia melepaskan sejumlah besar energi. Saya selalu berpikir itu akan menjadi sumber daya yang bagus untuk dipanen. "

"Ketika Anda melepaskan atom oksigen dari ClO4 untuk membuat Cl, ia melepaskan sejumlah besar energi"

Masalah dengan ini adalah bahwa aplikasi ini semuanya eksplosif, dan mengendalikan reaksi ClO4 itu menantang. Namun, ada sistem yang berpotensi melepaskan energi secara perlahan, dengan menggunakan reaktor biologis.

“Mikroba dapat memakan bahan ini dan menghasilkan energi,” jelas Hecht. “Dan orang-orang sebenarnya telah membangun reaktor biologis semacam ini yang merupakan tangki bakteri yang mencerna beberapa zat dan mengekstraksi energi darinya.

“Jadi saya mendapat penglihatan tentang reaktor biologis di belakang penjelajah, dan astronot masuk dan berkeliling. Dan ketika pengukur daya hampir habis, mereka keluar dan mulai menyekop tanah menjadi hopper di belakang, dan mikroba memakan tanah dan menghasilkan energi dan astronot dapat terus mengemudi.

Itu ide yang gila tapi itulah konsep pemanfaatan sumber daya hewan peliharaan saya. "

Penantian yang gugup

Untuk saat ini, para insinyur MOXIE telah membuat semua penyesuaian dan penyesuaian yang mereka bisa, dengan instrumen sudah dikirimkan dan diintegrasikan ke dalam rover Perseverance. Mereka harus menunggu hingga rover diluncurkan pada Juli dan mendarat di planet ini pada Februari 2021 untuk melihat apakah kerja keras mereka telah membuahkan hasil dan apakah mereka benar-benar dapat membuat oksigen di Mars.

Jika berhasil, ini akan membuka dunia sumber daya baru yang dapat digunakan untuk menjelajahi Mars, memanfaatkan secara inventif apa yang kita temukan untuk menciptakan apa yang kita butuhkan.