Уилл Локетт, 21.08.2022, medium.com
Жизнь на смертоносной Красной планете станет немного проще.
Марс — поистине негостеприимная планета. Воздух непригоден для дыхания и попытка подышать им приведет к удушью в считанные минуты. Но не волнуйтесь. Вы будете мертвы задолго до этого, поскольку атмосферное давление настолько низкое, что ваша кровь и телесные жидкости испарятся за секунды, эффективно лиофилизируя ваш теперь уже безжизненный труп. Даже если вы носите скафандр с подогревом для защиты от этих опасностей, уровни радиации настолько высоки, что астронавты, проводящие любое время на поверхности, имеют высокий шанс заболеть раком. Но недавний прорыв в плазменной технологии может решить все эти смертоносные проблемы, и в качестве бонуса это также поможет производить ракетное топливо.
Итак, жизнь на Марсе станет немного лучше?
Прежде чем мы погрузимся в эту фантастическую технологию, сначала нужно понять, с какими проблемами столкнутся астронавты на Красной планете и какие ресурсы у них там есть.
Во-первых, атмосфера. Как уже сказано, воздух на Марсе непригоден для дыхания. Около 95% углекислого газа, 2,6 % азота и всего 0,16 % кислорода вдыхать хуже, чем газы из выхлопной трубы автомобиля. Затем есть почва, которая наполнена алюминием и оксидом серы, а также множеством перхлоратных соединений, которые ядовиты для животных, растений и грибков. Но есть крошечные следы соленой воды и очень мало питательных веществ, смешанных с почвой.
Кроме того, в отличие от миссий на Луну, миссии на Марс не могут быть краткосрочными полетами, поскольку Марс приближается к Земле только примерно каждые два года, а это означает, что астронавты должны будут выживать на Красной планете в течение длительного времени. Что еще хуже, у нас есть огромные ограничения по полезной нагрузке на Марс. Таким образом, астронавтам нужно будет использовать эти скудные ресурсы, чтобы построить безопасное убежище, выращивать пищу, производить воздух для дыхания и даже найти способ производить ракетное топливо для обратного пути.
Вот тут-то и появляется эта новая плазменная технология. Все начинается с уникального типа плазмы, известного как нетермическая плазма. Как следует из названия, эта плазма не горячая, а это значит, что мы можем создавать ее невероятно эффективно, и в ее присутствии могут происходить необычные химические реакции. Ученые так настроили параметры такой плазмы, чтобы ее частицы [ионы и электроны] идеально взаимодействовали с углеродно-кислородными связями [молекулы CO2]. По сути, плазма эти связи разрывает.
Подавая в эту плазму богатую углекислым газом марсианскую атмосферу, вы получаете большое количество кислорода и угарного газа CO (угарный газ имеет двойную связь между углеродом и кислородом C=O, для разрушения которой требуется другая «настройка» плазмы). Хотя эта новая газовая смесь имеет высокую концентрацию кислорода, она не пригодна для дыхания из-за смертоносности угарного газа. Поэтому нам нужно отделить его.
Один из способов сделать это – фракционная перегонка. Она происходит когда вы охлаждаете газы до тех пор, пока они не станут жидкими, и разделяете их по разным температурам конденсации. Но этот метод громоздкий, неэффективный и не подходит для среды Марса с низким давлением. Поэтому вместо этого ученые использовали электропроводящую мембрану. Видите ли, кислород — это двухатомная молекула, то есть он образует связи сам с собой и существует как пара атомов кислорода. Но электроны кислорода могут выбирать, вокруг какого атома они вращаются. Так, при наличии магнитного поля электроны перемещаются в одну сторону, превращая молекулу в мини-магнит с положительным и отрицательным концом, которые слабо притягиваются к магнитному полю (свойство, известное как парамагнетизм). Проводящая мембрана использует это, чтобы притягивать и отделять чистый кислород от этой газовой смеси.
Поскольку мы эволюционировали в атмосфере Земли, состоящей из 78 % азота, мы также не можем дышать чистым кислородом. Но, к счастью, это устройство (в основном токопроводящая мембрана) может быть настроено на извлечение азота из марсианской атмосферы. Таким образом, одно это устройство может обеспечить нас почти идеальным воздухом для дыхания.
Теперь у нас уже есть устройство на Марсе, которое делает [кислород из CO2]. MOXIE в настоящее время подключен к марсоходу NASA Perseverance, и его единственная задача — пытаться производить кислород из марсианской атмосферы. Но он весит 17 кг и потребляет колоссальные 300 Вт, чтобы производить 10 г кислорода в час, чего достаточно для поддержания работоспособности только одного человека, и не может производить азот. Напротив, эта система на основе плазмы может производить такое же количество кислорода, потребляя всего 20 Вт мощности при гораздо меньшем весе. Это означает, что марсианские астронавты могли бы использовать небольшую батарею, солнечную батарею и компактную версию этого плазменного устройства, чтобы обеспечить им практически неограниченный запас кислорода во время исследований, что значительно улучшило бы условия безопасности для этих бесстрашных исследователей.
Использование этого устройства для обеспечения их базы пригодным для дыхания воздухом также повысит безопасность. Эти марсианские базы будут иметь очень ограниченные энергетические ресурсы, а это означает, что устройство жизнеобеспечения с меньшей мощностью, подобное этому, может спасти жизни, если что-то пойдет не так. Кроме того, его легкий вес означает, что они могут брать с собой больше расходных материалов, что позволяет проводить больше экспериментов или погрузить больше резервного оборудования.
Но это только один аспект этой плазменной технологии. Их может быть гораздо больше.
Например, отработанный монооксид углерода CO можно повторно использовать для создания строительных материалов, радиационной защиты и даже изготовления ракетного топлива. Если вы повторно запустите это устройство с угарным газом (который гораздо менее эффективен), вы получите еще больше кислорода и необработанного углерода. Этот необработанный углерод можно использовать для создания прочных и легких конструкций для расширения базы.
К сожалению, необработанный углерод не является хорошей защитой от радиации, а это означает, что эти конструкции будут купаться в смертельной радиации. Но особый тип углерода, называемый углеродными нанотрубками, представляет собой превосходную радиационную защиту, особенно в сочетании с электрополимерами. В течение десятилетий мы почти не могли создать эту экзотическую форму углерода с какой-либо последовательностью, качеством или количеством. Но успехи в развитии ДНК-направленной самосборки углеродных нанотрубок, позволят нам относительно легко конструировать эти сложные молекулы.
Так что теоретически необработанный углерод, полученный в результате этой технологии, можно использовать для строительства безопасных убежищ на Марсе.
(A) Иллюстрация микроволнового реактора, состоящего из твердотельного источника питания СВЧ, циркулятора, автотюнера и конической секции волновода, оканчивающейся скользящим коротким замыканием. Плазма воспламеняется внутри кварцевой трубки, куда нагнетается закрученный поток. Анализ проб отработавших газов был проведен с помощью недисперсионной инфракрасной (NDIR) спектрометрии и люминесцентного датчика O2 .
(B) Фотография работающего реактора в имитации марсианской атмосферы при давлении 0,34 бар и мощности 1 кВт. Зажигание происходит в конической части волновода WR340 с частотой 2,45 ГГц, где плазма подвешена в центре трубки.
© Фотография плазмы в волноводе; точка обзора камеры смотрит на кварцевую трубку внутри волновода, как показано стрелкой.
Потом ракетное топливо. У астронавтов не будет возможности везти с собой [на Марс] топливо, необходимое для обратного пути, поэтому им придется делать его на месте. К счастью, половина ракетного топлива — это жидкий кислород, который это устройство может легко сделать. Нам просто нужен второй компонент. Все, что нам нужно, чтобы сделать второй компонент топлива, — это немного водорода, который мы можем получить в результате электролиза соленой воды из марсианской почвы, расщепляя ее на кислород и водород. Затем мы объединяем этот водород с нашим отработанным монооксидом углерода, используя процесс Фишера-Тропша, и создаем метан, который является вторым компонентом ракетного топлива (конкретно для Starship SpaceX).
И последнее, но не менее важное: это устройство может помочь марсианским исследователям готовить еду. Эта машина может работать в обратном направлении, то есть вместо того, чтобы соединять чистый кислород с углеродом, она может делать это с азотом из марсианского воздуха, создавая NOx (оксиды азота). Этот газ токсичен и почти бесполезен, но его можно легко превратить в удобрения, такие как аммиак. Это означает, что астронавты могут взять эту марсианскую почву, отфильтровать соли перхлората добавить удобрение из этого плазменного устройства, и вырастить большое количество еды!
К сожалению, эта технология все еще находится на концептуальной стадии. Но все эти сценарии вполне правдоподобны, и, похоже, эти технологии решат многие важные проблемы жизни на Марсе, оставаясь при этом невероятно легкими и эффективными. С такими технологиями жизнь на Марсе не будет легкой, но она станет немного безопаснее.
Большой вопрос в том, будет ли эта блестящая технология готова к тому моменту, когда Маск или NASA нажмут на кнопку и запустят миссию на Марс?
Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: A Breakthrough In Plasma Tech Will Help Us Thrive On Mars
Научные статьи:
Производство кислорода и удобрений из марсианской атмосферы с использованием микроволновой плазмы
Плазма для использования ресурсов на месте на Марсе: топливо, жизнеобеспечение и сельское хозяйство