MOXIE: как один крошечный прибор может сделать колонизацию Марса реальностью

«Что больше всего дышит в миссии на Марсе? Нет, не люди», — рассказал в интервью нашим зарубежным коллегам Майкл Хехт, заместитель директора по управлению исследованиями обсерватории Хейстэк Массачусетского технологического института и главный исследователь проекта NASA MOXIE. «Это ракета, которая доставит вас домой с чужой планеты».

По оценкам NASA, экипажу из четырех человек потребуется много топлива — примерно 6,8 тонн топлива и примерно 25 тонн кислорода — для создания тяги, необходимой для того, чтобы покинуть марсианскую поверхность и вернуться домой. Везти всю эту прорву кислорода с Земли – серьезная проблема для современной космонавтики.

Именно здесь на помощь приходит эксперимент по использованию кислородных ресурсов Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, или сокращенно MOXIE.

Размером примерно с автомобильный аккумулятор, MOXIE является одним из многих экспериментов NASA по использованию местных ресурсов (ISRU) и первым, кто отправился в космос. По сути, ISRU — это программа, в которой ученые исследуют для будущих космонавтов способы производить материалы и вещи из ресурсов, доступных на других мирах.

«Если мы действительно хотим покинуть планету и заняться чем-то помимо научной миссии, нам придется задуматься о том, чтобы жить за счет локальных ресурсов», — уверяет Джерри Сандерс, возглавляющий группу лидеров ISRU в Космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне.

NASA вкладывает драгоценное время и много денег — около 50 миллионов долларов в случае MOXIE — в разработку стратегий создания самоподдерживающихся поселений на Луне и Марсе. После многих лет работы ученые наконец получили возможность выяснить, действительно ли MOXIE и другие подобные эксперименты работают на практике.

MOXIE использует метод, называемый электролизом твердых оксидов. Сначала трубка фильтрует и закачивает марсианский углекислый газ в спиральный компрессор, который затем сжимает его до давления, аналогичного тому, которое мы могли бы испытать на уровне моря здесь, на Земле. Этот сжатый диоксид углерода отправляется в 10-элементную батарею для осуществления процесса электролиза – отсюда и название.

«Система электролиза, по сути, представляет собой сердце MOXIE», — рассказал Popular Mechanics Асад Абубейкер, сотрудник MOXIE и инженер-системотехник в Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене.

Пакет состоит из слоев металла и специализированных керамических ячеек, которые используют ионы кислорода для проведения электричества при нагревании до высоких температур. «Если у вас есть приложенное напряжение, вы можете выборочно пропустить ионы кислорода через керамическую мембрану и отделить их от всего остального», — пояснил Абубейкер.

В результате на выходе получается кислород!

MOXIE — это отлаженная система. Углекислый газ попадает внутрь, а наружу выходят кислород и окись углерода — в данном случае безвредные побочные продукты. По словам Хечта, если в систему будет поступать слишком много электроэнергии, в качестве побочного продукта образуются углерод или сажа. С другой стороны, если приложить слишком низкое напряжение, слишком много углекислого газа может затопить систему и начать окислять прибор. «Мы должны оставаться в самой выгодной позиции между этими крайностями», — объясняет он.

На данный момент MOXIE — это просто демонстрация технологии. По оценкам Хечта, в следующие несколько лет MOXIE проработает в общей сложности около 10 часов. Каждый из двухчасовых экспериментов с прибором генерирует от 4 до 7 литров кислорода. Если учесть, что в земном воздухе содержится порядка 20-21% кислорода, то этого объема хватит для дыхания маленькому животному, например некрупной собаке.

Если MOXIE сможет успешно продемонстрировать способность генерировать кислород в текущей миссии, следующим шагом будут куда более серьезные испытания. По словам Хечта, ученые планируют создать компрессор большего размера и увеличить размер электролизных батарей в 100 раз. Система работает таким образом, что увеличение размера и количества блоков также увеличивает производство кислорода.

Усовершенствованный MOXIE, предназначенный для производства кислорода, достаточного для поддержки миссии с экипажем из четырех человек, должен будет проработать примерно 10 000 часов со выходом примерно 1400 — 2100 литров кислорода в час.

Но усиление нынешней конструкции MOXIE, чтобы она могла производить достаточно кислорода для поддержки небольшой колонии, — это всего лишь один маленький шаг на пути к устойчивому будущему человечества на Марсе. Есть несколько других ключевых вопросов, которые необходимо решить — например, марсианская погода.

В любой день поверхность Марса может испытывать колебания температуры более чем на 60-70 градусов Цельсия. Колоссальные пыльные бури могут поглотить всю планету на месяцы, заслоняя солнце и вызывая скачок давления воздуха на целых 12% — это очень существенно для потенциальных колонистов.

«Погода в том числе влияет и на то, как работает MOXIE», — рассказал Хехт. Понимание того, как сильные штормы и, в частности, резкие колебания давления воздуха влияют на оборудование прибора, может помочь при проектировании полномасштабных систем в дальнейшем. Например, если будущая полномасштабная система MOXIE столкнется с гребнем высокого давления, ей, возможно, придется запустить компрессор немного медленнее, чтобы уменьшить потребление углекислого газа.

Среднее атмосферное давление на поверхности Марса колеблется в районе около 4,5 миллиметров ртутного столба. На вершине крупнейшего вулкана Красной планеты, Олимпа, атмосферное давление падает примерно до 0,2 мм рт ст; в глубине ударного кратера Эллада Планития она подскакивает до 8,7 мм рт ст. Для сравнения: на поверхности Земли атмосферное давление достигает около 760 миллиметров ртутного столба.

«Мы разработали систему, которая должна быть достаточно надежной и достаточно гибкой, чтобы работать в различных атмосферных условиях», — поясняет Абубейкер. MOXIE может работать в диапазоне атмосферного давления от 2 до 12 мм рт ст.

Его будут проверять как днем, так и ночью, когда воздух остывает и становится более плотным. А поскольку между летними и зимними месяцами давление воздуха может варьироваться до 30%, испытания будут проводиться в течение всего года. Бортовые датчики будут проверять прогресс MOXIE в ходе каждого эксперимента и сообщать, если что-то пойдет не так.

Данные, полученные от этих датчиков, в конечном итоге будут использоваться при проектировании и разработке будущих крупномасштабных систем, каждая из которых должна будет вырабатывать кислород круглосуточно, независимо от местных погодных условий.

По оценкам NASA, первой команде, которая отправится на Марс, для общего жизнеобеспечения миссии ежедневно потребуется примерно 30 киловатт. Полномасштабный MOXIE будет потреблять примерно такое же количество энергии. Хотя солнечные панели могут показаться очевидным выбором для питания марсианского поселения, у них также немало недостатков.

Во-первых, потребуется много солнечных панелей для выработки энергии, необходимой для работы экипажа. А благодаря дневному и ночному циклу Марса и его суровым пылевым бурям, любому поселению, работающему на солнечной энергии, потребуется надежная система хранения уже накопленной мощности.

Абубейкер утверждает, что наиболее надежным решением, вероятно, будет небольшая атомная электростанция. «Это реактор подходящего размера для питания чего-то вроде MOXIE чуть большего масштаба», — говорит он.

С этим согласен инженер-ядерщик Дэйв Постон из Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL). Подобное решение станет эффективной и безопасной альтернативой солнечной энергии: один ядерный реактор может заменить солнечную батарею размером с футбольное поле. По его словам, вы получаете «от реактора больше энергии на килограмм, чем от солнечной энергосистемы».

Эта технология не нова. В период с ноября 2017 года по март 2018 года NASA, лаборатория Национального управления ядерной безопасности (NNSA) Министерства энергетики США и Национальная лаборатория Лос-Аламоса испытали ядерный реактор деления под названием Kilopower Reactor Using Stirling Technology, или KRUSTY.

Спрятанный в пустыне Невада, ядерный реактор успешно вырабатывал пять киловатт электроэнергии — примерно половину мощности, необходимой для питания среднего жилого дома. В прошлом году Национальная лаборатория Лос-Аламоса согласилась передать лицензию на планы строительства реактора Постону и его коллеге по ядерной инженерии из LANL Патрику МакКлюру из компании Space Nuclear Power Corporation из Нью-Мексико, также известной как SpaceNukes.

По словам МакКлюра, лучший способ проверить данную технологию на месте — это отправить на поверхность Марса спускаемый аппарат, оборудованный четырьмя 10-киловаттными реакторами. Этого было бы достаточно, чтобы поддерживать жизнь и работу экипажа из шести человек на время их «марсианских каникул».

Будущие системы Kilopower, расширенные для поддержки более крупных сообществ, смогут генерировать до нескольких мегаватт энергии. По словам Постона, вместо того, чтобы реакторы оставались прикрепленными к посадочному модулю, их нужно было бы либо похоронить под поверхностью Марса, либо установить примерно в полумиле от марсианской колонии, которую они питают. Таким образом исчезает риск того, что они могут быть повреждены при запуске подъемного аппарата.

Постон считает, что Kilopower может быть готов к полетам на другие планеты в течение следующего десятилетия. «Проблема не в нас — мы могли бы построить реактор довольно быстро», — говорит МакКлюр. «Проблема будет в том, чтобы найти кого-нибудь с ракетой-носителем и подходящим оборудованием для ее приземления».

Еще одна проблема – это проблема хранения ценных материалов и веществ. «В том, как организовать хранилище, нет никакой тайны, но, как и любая инженерная работа на другой планете, это будет непросто», — уверен Хехт. «Знать, как это делать, и осуществить задуманное на практике — две разные вещи».

Жидкий кислород, необходимый для ракетного топлива, особенно трудно хранить на поверхности Марса. Его необходимо охладить примерно до -2182 градусов по Цельсию — процесс, который, по словам Сандерса, невероятно энергоемкий и требует примерно в десять раз больше энергии, чем «простое» хранение.

Охлаждение этих резервуаров, чтобы кислород не нагревался и не улетучивался в атмосферу, имеет решающее значение. Создание изолированного криогенного резервуара для поверхности Марса — совершенно другое дело, нежели проектирование аналогично резервуара для использования в космическом вакууме.

«В космосе из-за вакуума все слои изоляции работают очень хорошо», — пояснил Сандерс. «Однако на Марсе есть атмосфера, поэтому все технологии, которые мы разработали до сих пор для космических приложений, вряд ли будут эффективны».

Одним из решений может быть отправка стального резервуара с вакуумной рубашкой, который обычно используется для охлаждения криогенных жидкостей на Земле. «У вас буквально есть резервуар внутри резервуара, и между этими двумя вы создаете вакуум», — говорит Сандерс. «Этот вакуум снижает количество тепла, которое попадает во внутренний резервуар, содержащий криогенную жидкость». Тем не менее, такие емкости довольно тяжелые, и их отправка на поверхность Марса будет стоить очень много денег и топлива. Аэрогели, сверхлегкий кремнеземный материал, также можно использовать для изоляции металлического резервуара и облегчить тем самым нагрузку».

Сандерс говорит, что агентство также изучает возможность использования надувных баллонов, которые плотно упакованы во время путешествия на Марс, а затем надуваются по прибытии. Он объясняет, что хотя эти баки экономят топливо, пространство и затраты, они менее эффективны в отношении потерь тепла. «Пока мы лишь рассматриваем такой вариант», — отметил ученый.

А еще на Марсе есть пыль. Много пыли. «Когда поверхность емкости покрывается пылью, это меняет ее тепловые свойства», — пояснил Сандерс. Точно так же, как слой грязи на вершине ледника поглощает тепло и способствует его более быстрому таянию, слой марсианской пыли на вершине криогенного охлаждающего резервуара может начать нагревать его.

Одна группа из Космического центра Кеннеди разрабатывает технологию электростатического отталкивания, предназначенную для отталкивания лунной или марсианской пыли от поверхностей. В качестве альтернативы, периодическая продувка сжатым газом на поверхность также поможет решить проблему. Есть и еще одно решение, фантастически простое и дешевое – просто ставить емкости под наклоном. По словам Сандерса, строительство наклонного резервуара для хранения приведет к тому, что пыль просто будет сваливаться с него под собственным весом вместо того, чтобы накапливаться на крыше.

Сначала размер этих емкостей будет зависеть от размеров устройств, которые их доставляют. Но агентство уже начинает думать о строительстве более крупных складов — своего рода марсианской «заправки», — благодаря которой будущие поселенцы смогут запускать свои восходящие ракеты.

Пока MOXIE занимается производством кислорода на Красной планете, команды земных инженеров будут масштабировать систему под человека.

Хехт и его команда работают с компанией Air Squared из Колорадо, чтобы разработать компрессор большего размера. Другая компания, OxEon Energy из Солт-Лейк-Сити, получила грант от NASA на разработку более крупной установки для электролиза твердых оксидов, способной производить примерно один килограмм кислорода в час. В Массачусетском технологическом институте исследователи разрабатывают более мелкие и легкие фильтры для защиты от пыли.

Хехт считает, что полномасштабная система MOXIE может быть создана и опробована в ближайшие два десятилетия. «Если вы спросите меня "Когда нам ждать результатов?", я отвечу, что это вопрос больше политический, нежели научный. Лично я верю, что мы сможем это сделать в 2030-х годах, если будем честолюбивы и серьезно относимся к нашей работе», — признался ученый.

Ключ к успеху будущего поселения будет заключаться в том, чтобы настроить все по крайней мере за один цикл — примерно за 26 месяцев — до прибытия людей на Красную планету. «Это время, которое мы отводим для наполнения нашего кислородного баллона, — объясняет Хехт. – Работа начнется сразу, как прибор доберется до Марса, и закончится как можно скорее, чтобы дать зеленый свет будущим миссиям».

Что ж, возможно именно этот крошечный прибор откроет для человечества новую эпоху – эпоху активной колонизации планет Солнечной системы.