Для путешествия и освоения других планет человечеству обязательно придется поддерживать жизненно неободимые ресурсы: один из них воздух. Сможем ли мы без «дозаправок» кислородом спокойно дышать на Марсе и других планетах. Рассказываем, как ученые продвинулись в решении этой проблемы. Выполнение будущей миссии НАСА может занять около пяти лет. Ученые планируют высадить астронавтов на Марс в 2030-х годах. Для этого необходимо достаточное количество кислорода и топлива.
В организации создали экспериментальную установку Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE). Эта система находится в стадии тестирования на марсоходе Mars Perseverance, который был запущен в июле. Аппарат преобразует углекислый газ, составляющий 96% атмосферы Красной планеты, в кислород. На Марсе кислород составляет всего 0,13% атмосферы, в то время как атмосфера Земли содержит 21%. Фактически, система работает как деревья — втягивает марсианский воздух насосом, затем отделяет два атома кислорода от каждой молекулы углекислого газа (CO2).
Специалисты Вашингтонского университета предложили еще один способ, дополняющий MOXIE. Их технология позволяет добывать кислород из соленых озер на Марсе. Экспериментальную методику предложил профессор Виджай Рамани. Она подразумевает использование совершенно другого ресурса. Речь идет о соленой воде из озер, которые находятся под поверхностью Марса. Большая часть воды, которая существует на Марсе, представляет собой лед – как на полюсах, так и в средних широтах планеты.
Согласно технологии Рамани, устройство будет брать воду и расщеплять ее на водород и кислород. Соответствующее исследование профессора и его коллег было опубликовано в журнале PNAS. Сейчас команда разработчиков тестирует маленькую версию MOXIE. Это поможет исследователям узнать, как ряд факторов окружающей среды, включая пыльные бури, ветры и песок, а также температуру углекислого газа, могут влиять на аппарат. Полномасштабная система по размеру будет немного больше, чем домашняя плита. Ее вес составит около 1000 кг.
А на Луне можно также?
Предположительно да, ведь, как оказалось, в лунной почве содержится огромное количество кислорода. Исследования показывают, что около 45% веса пыли и камней — это чистый кислород. Группа учёных из Metalysis и Университета Глазго предлагает перерабатывать лунный грунт, побочным эффектом чего станет железо и другие металлические порошки. Сообщается, что добыча собственного кислорода позволит ускорить создание колонии на Луне, а также значительно упростит доставку полезных грузов колонистам. Отмечается, что материал лунной поверхности почти наполовину состоит из кислорода. Исследователи впервые продемонстрировали пригодный способ его выделения: им удалось добиться выхода почти 100% элемента, а оставшийся продукт был сплавом металлов, то есть также ценным ресурсом.
Добытый кислород можно смешать с другими газами, чтобы сделать его пригодным для дыхания. Также кислород можно использовать в качестве топлива, а Луну — как плацдарм для освоения дальнего космоса. В конце концов, полученное железо легко приспособить для строительства. Эти и многие факторы заинтересовали экспертов ESA, благодаря чему учёные получат необходимое финансирование на ближайшие 9 месяцев. Новый метод даёт доступ к быстрой и экономичной добыче кислорода, необходимого для поддержания жизнедеятельности на Луне. Кроме того, металл, получаемый в результате реакции, можно будет использовать для производства на месте.
На других планетах можно добывать кислород?
В статье, опубликованной в Nature Astronomy 12 февраля 2018 года Мендильо, адъюнкт-профессор астрономии Пол Уизерс и доктор философии Павел Дальба предлагают взглянуть на ионосферу экзопланеты — тонкий верхний слой атмосферы, который пронизан частицами. Найдете в ней ионы кислорода — и вы нашли жизнь. По крайней мере жизнь в том виде, в котором мы ее знаем.
"На протяжении всей истории человеческой цивилизации мы никогда не доходили до сути рассмотрения вопроса об обитаемости Вселенной — вплоть до последних 15 лет — когда мы смогли увидеть планеты вокруг других звезд. А теперь мы находимся на таком этапе решения проблемы, что нужно придумываем идеи, как именно обнаружить жизни вне Земли. Это будет великое интеллектуальное состязание" - Джон Кларк, профессор астрономии Бостонского университета, директор Центра космической физики.
Их работа началась, когда Мендильо и Витерс получили грант от Национального научного фонда (NSF) для сравнения всех планетных ионосфер в Солнечной системе. (Она есть на всех планетах, кроме Меркурия, который так близок к Солнцу, что его атмосфера полностью отсутствует.) Одновременно команда также работала с миссией NASA MAVEN, пытаясь понять, как молекулы, которые составляли ионосферу Марса, убежали с этой планеты. С самого начала космической эры ученые понимали, что планетарные ионосферы сильно различаются, и команда исследователей сфокусировала свое внимание на том, почему это было именно так, и почему ионосфера Земли была настолько отличной от других.
В то время как другие планеты наполняют свои ионосферы сложными заряженными молекулами, возникающими из углекислого газа или водорода, ионосфера Земля держит свой состав довольно простым, в основном с заполнением пространства кислородом. И этот кислород — особый тип кислорода — одиночные атомы с положительным зарядом. Большинство планет в нашей Солнечной системе имеют немного кислорода в своих атмосферах, но у Земли его много, около 21%. Это связано с тем, что очень много организмов заняты превращением света, воды и углекислого газа в сахар и кислород — этот процесс называется фотосинтезом, и он происходит на Земле последние 3,8 миллиарда лет.
Венера
Как и Земля, Венера имеет большое железное ядро ??и скалистую силикатную мантию, а ее кора, по аналогии с нашей планетой, базальтовая. Однако на Венере отсутствует кислород — 96% атмосферы состоит из углекислого газа, а несколько раз в день на поверхности выпадают дожди из серной кислоты. Вряд ли хотя бы один известный науке организм проживет в таких условиях больше нескольких секунд, а техника — больше нескольких часов.
Юпитер
Европа — это шестой спутник Юпитера и один из крупнейших спутников в Солнечной системе. Юпитерианская луна интересует ученых по той причине, что она является одним из небесных тел, на которых потенциально может существовать жизнь. Поверхность Европы покрыта слоем льда толщиной несколько километров, под которым находится жидкий водный океан глубиной около 160 километров. Для того чтобы в океане могли развиваться крупные формы жизни, похожие на земные, в воде должен быть растворен кислород. Но этот элемент не может проникнуть сквозь ледяной покров.
Ученые предложили механизм, который объясняет, как под лед может попасть большое количество O2. Кислород образуется на поверхности Европы, когда поток высокоэнергетических частиц из космоса бомбардирует лед — при этом образуются высокоэнергетические формы кислорода, которые способны вступать в реакцию со многими веществами. Ученые предположили, что содержащие кислород соединения попадают в океан при подвижках корки льда, которые происходят из-за приливного воздействия Юпитера. Обломки льда, на поверхности которых образуется активный кислород, при этом уходят в глубину.
Сатурн
Диона — четвертый спутник газового гиганта Сатурна и еще одно небесное тело, на котором потенциально есть кислород. Космический зонд «Кассини» обнаружил следы этого газа в воздушной оболочке данного объекта. Правда, наличие кислорода в данном случае вовсе не связано с присутствием на Дионе живых организмов. Уже в прошлом столетии удалось установить, что Диона, имеющая диаметр 1123,4 километра (то есть, она меньше нашей Луны), состоит из водяного льда со значительной примесью каменных пород во внутренних слоях.
Однако достаточно долгое время ученые были убеждены, что никакой атмосферы у этого спутника быть не может — она слишком мала, чтобы удерживать вокруг себя газовую оболочку посредством силы тяготения. Тем не менее, не так давно это представление о природе Дионы было опровергнуто, причем данные для подобного опровержения предоставил тоже «Кассини» — но уже не астроном, а автоматический зонд.
Можно ли производить кислород в космосе?
На МКС запаса кислорода восполняются за счет электролиза воды (разложения ее на водород и кислород). Этим на МКС занимается система «Электрон», расходующая 1 кг воды на человека в сутки. Запасы кислорода также время от времени пополняются в ходе грузовых миссий к орбитальной станции. Ученые из Калтеха решили найти в рамках своего исследования иной метод производства кислорода. В итоге они пришли к созданию реактора, который удаляет из формулы «CO2» (диоксида углерода) «С» (углерод), оставляя только кислород. Исследователи обнаружили, что если разгонять и ударять молекулы диоксида углерода об инертные поверхности, такие как золотая фольга, то их можно расщепить на молекулярный кислород и атомарный углерод.
Ученые говорят, что их реактор работает по принципу ускорителя частиц. Сперва молекулы CO2 в нем ионизируются, а затем ускоряются с помощью электромагнитного поля, после чего сталкиваются с золотой поверхность. В текущей форме установка обладает весьма низким КПД: на каждые 100 молекул CO2 она способна производить порядка одной-двух молекул молекулярного кислорода. Однако исследователи обращают внимание на то, что их реактор доказал, что данный концепт производства кислорода действительно возможен и в будущем может стать масштабируемым.
В будущем реактор может использоваться для производства кислорода для астронавтов, которые будут летать на Луну, Марс и за их пределы. На Земле подобная установка с учетом масштабов тоже может оказаться весьма полезной, ведь она сможет снижать концентрации диоксида углерода в атмосфере и перерабатывать их в кислород, тем самым помогая в борьбе с глобальными климатическими изменениями. Однако ученые отмечают, что для практической фазы их установка пока не готова. Соответственно ответ на этот вопрос, да, однако технические изыскания на этот счет еще не закончены.
