Skąd astronauci biorą tlen? Jak go wytworzyć na Marsie? Łazik Perseverance już to zrobił

Pewnie zastanawialiście się nie raz, skąd biorą tlen astronauci na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i czy tej samej metody nie można byłoby zastosować również na Marsie. A także do czego oprócz oddychania przez ludzi przydałby się wytwarzany na Czerwonej Planecie tlen. Oto odpowiedzi z perspektywy MOXIE, kolejnego po helikopterze Ingenuity eksperymentu zawiezionego na Marsa przez łazik Perseverance, który pomoże nam lepiej przygotować się do kolejnych misji na Marsa, w tym tych załogowych.

Wiedzieliście, że Międzynarodowa Stacja Kosmiczna wydycha metan

Choć brzmi to dziwacznie to metan jest produktem ubocznym całego procesu wytwarzania tlenu na pokładzie MSK. Na początek generatory tlenu wykorzystują wodę, która w procesie elektrolizy jest rozbijana na wodór i tlen cząsteczkowy. Tlen trafia do atmosfery na stacji.

Urządzenia do elektrolizy wody znajdujące się w rosyjskim module Zwiezda na MSK

Astronauci oddychają tlenem, ale wydychają dwutlenek węgla. Ten kombinowany jest w tak zwanej reakcji Sabatiera z wodorem powstałym we wspomnianym procesie elektrolizy. Tak odzyskiwana jest część zużytej wody, a drugi związek czyli metan jest usuwany ze stacji w przestrzeń kosmiczną. Czyli w przenośni można powiedzieć, że MSK wydycha metan.

Instalacja do reakcji Sabatiera na MSK

Wytwarzanie tlenu na Marsie, tak jak w pojazdach kosmicznych nie ma sensu w dłuższej perspektywie

Wytwarzanie tlenu i odzyskiwanie wody na MSK służy przede wszystkim uzupełnianiu zapasów które są regularnie przywożone z Ziemi w pojazdach załogowych i towarowych. Wspomniany proces wytwarzania tlenu nie jest na wystarczająco efektywny, by polegać wyłącznie na nim.

Zapasy przywiezione na MSK przez pojazd Progress - wśród nich jest woda

Ta sama strategia zastosowana w przypadku misji na Marsa, szybko okazałaby się nieefektywna. Po pierwsze uzupełnianie zasobów poprzez ich dostarczanie z Ziemi jest wysoce kosztowne. Po drugie tlen na Marsie ma służyć nie tylko celom życiowym przebywających tam ludzi, ale także transportowi jako paliwo.

Wyobraźmy sobie rakietę podobną do SpaceX Crew Dragon, która ma zabrać 4 astronautów na orbitę do statku powrotnego. Na ten cel potrzeba między innymi około 25 ton ciekłego tlenu. Samo oddychanie przez tych astronautów na przestrzeni jednego roku pochłonęłoby prawdopodobnie jedynie tonę tlenu. Dostarczenie zapasu dla załogi nie byłoby jeszcze wielkim problemem, ale paliwa w tak dużej ilości już tak.

I po trzecie, na Marsie mamy w jego atmosferze wszystkie potrzebne składniki, by wytworzyć tlen. I to w wystarczającej dla nas obfitości, bo kluczowy tutaj dwutlenek węgla stanowi przecież aż 95% atmosfery.

Jak zatem wytwarzać tlen na Marsie? Przebieg procesu

Wykorzystanie zasobów atmosferycznych dwutlenku węgla jest najprostszym sposobem pozyskania tlenu. Można by co prawda próbować dokopać się do zasobów wody czy też lodu pod powierzchnią planety, ale w ten sposób dodawalibyśmy do procesu dodatkowy krok związany z rafinacją (oczyszczeniem), który go utrudnia i spowalnia.

Urządzenie do wytwarzania tlenu na pokładzie łazika Perseverance

Tlen tworzyć można poprzez proces, który przypomina elektrolizę wody, ale w tym przypadku wykorzystujemy dwutlenek węgla jako substancję wejściową i wysoką temperature.

Dwie cząsteczki dwutlenku węgla zostają przetworzone na dwie cząsteczki tlenku węgla, który wraca do atmosfery Marsa, oraz cząsteczkę tlenu, który jest gromadzony do dalszego wykorzystania.

W przyszłości tlenek węgla mógłby także być zużyty w kolejnym procesie z udziałem wody, by wytworzyć z kolei metan, który także może być paliwem. Na MSK jest on zbędny, ale na Marsie będzie jak znalazł.

MOXIE czyli demonstrator technologii wytwarzania tlenu

W praktyce do wytworzenia tlenu w opisany powyżej sposób konieczne jest urządzenie zdolne do wytworzenia temperatury około 800 stopni Celsjusza. To sporo, dlatego urządzenie o nazwie MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), które zainstalowano na pokładzie łazika Perseverance, jest bardzo dobrze izolowane zarówno przed wpływem wysokiej temperatury jak i emisją ciepła, szkodliwego dla innych części i instrumentów łazika.

Najważniejsze elementy MOXIE - analizator jakości wytwarzanego tlenu, kompresor powietrza, komponent przetwarzający dwutlenek

W tym celu wykorzystano między innymi wykonane w technice druku 3D elementy ze stopu niklu, z których zbudowane są elementy wymienników ciepła. Izolację termiczną tworzy pianka aerożelowa i powłoka ze złota na zewnątrz obudowy MOXIE.

Pierwsza partia tlenu wytworzonego na Marsie wystarczyłaby na 10 minut oddychania

By spełnić wymagania kilkuosobowej załogi, nie mówiąc już o wytwarzaniu paliwa dla rakiet, potrzebne będą urządzenia kilkaset razy większe niż to zainstalowane na Perseverance.

Instalacja MOXIE, dobrze widoczny rozmiar urządzenia 

Na szczęście ta technologia powinna dobrze się skalować, więc sukces eksperymentu MOXIE mimo małej skali i tak ma ogromną wartość. Perseverance ma za zadanie uruchamiać MOXIE na różnych etapach swojej podróży po powierzchni Marsa, by przetestować efektywność procesu w różnych warunkach, także atmosferycznych. W ciągu najbliższego marsjańskiego roku (prawie dwa lata na ziemi) eksperyment ma zostać wykonany co najmniej 10 razy.

Pierwszą udaną próbę mamy już za sobą. 20 kwietnia, czyli 60 dni po lądowaniu łazika na Marsie, MOXIE pracowało przez godzinę i wytworzyło około 5,4 grama tlenu. Pozwalałaby ona oddychać astronaucie przez około 10 minut. Maksymalna wydajność MOXIE to około 10 gramów tlenu na godzinę.

Pojedynczy astronauta potrzebowałby zatem co najmniej trzy razy wydajniejszego urządzenia, by oddychać na Marsie. I to przy założeniu jego bezawaryjnej ciągłej pracy.

Wytwarzanie tlenu przez MOXIE to jedna z technologii określanych mianem ISRU (In-Situ Resource Utilization). To idea sugerowana już wiele lat temu przez Roberta Zubrina, która bazuje na rozsądnym wykorzystaniu zastanych w danym miejscu zasobów. Na Księżycu, ale też Marsie będzie to również regolit, z którego można próbować pozyskać wodę, a także składniki innych niezbędnych astronautom substancji, lub przetworzyć go do postaci materiału budowlanego.

W ten sposób minimalizujemy masę przywożonych z Ziemi materiałów, które potrzebne byłyby na Marsie w bardzo dużej ilości. Tym samym pozwalamy wykorzystać zdolności transportowe pojazdów kosmicznych do przewiezienia urządzeń, których wyprodukowanie na Marsie obecnie nie byłoby możliwe.

Źródło: NASA, inf. własna

Czytaj więcej na temat eksploracji Marsa:

• Jak na Ziemię wrócą próbki skał zebrane przez Perseverance? Czy to ma sens? Co już mamy w ziemskich laboratoriach?
• I na Marsie najlepszy aparat to ten, który jest pod ręką - nawet jeśli tylko o rozdzielczości VGA
• Łazik Perseverance już nadaje z Marsa - kto na Ziemi odbiera te dane i w jaki sposób?