火星事故

业余宇航员的模拟游戏

“某人的一小步,人类的一大步。”1969年,第一个人类踏上了外太空的天体。50多年后,宇航员们正在为一个更遥远的目的地而奋斗,他们想成为第一个踏上火星的人。但任何前往这颗红色星球的任务都必须做好充分准备。
这种准备包括什么?
NASA(美国国家航空和宇宙航行局)利用太空游戏帮助宇航员做准备。这个游戏是关于在月球上紧急着陆的。参与者必须决定月球上的哪些东西对他们来说是最重要的。“氧气”被列在了答案列表的顶端,因为没有它人类无法生存。但火星上的情况与月球上完全不同。那么接下来让我们把太空游戏向前推进一点,把它和火星联系起来。
让我们一起加入吧!

[Translate to Chinese:] Planets of the Solar System

相关要求

  • 2025 年,SpaceX 项目将在火星上执行载人任务,目的是创造一个磁场,保护地球免受太阳风影响。
  • 航天飞机着陆后,在我们前往空间站的途中,发生了一件恐怖事件 - 空间站上的两个氧气罐中的一个被太空碎片击中并被摧毁。
  • 补给的氧气只能从地球上获得,由一架携带返程燃料的航天飞机,经过长达 10 个月飞行送达,这是 2007 年无人探测器到达火星所需的时间。现有的氧气供应只够维持5个月。
  • 火星是一个贫瘠的星球,水可能存在于地下和两极,可以被提取,但非常困难。
  • 火星站仍有足够维持五年的食物。
  • 火星上的大气由 0.25% 的氧气组成,但有将近 96% 的二氧化碳 (CO2)。
  • 第一个任务是提取我们自己的氧气,这样我们才能活到补给的氧气罐到来。

我们有三种自救途径,但时间非常紧迫。如果我们要按计划行事,每一天都至关重要。

[Translate to Chinese:] NASA Mars Rover

途径一: 借助一台旧探测器

2020 年,NASA (美国国家航空和宇宙航行局) 向这颗岩石行星发射了一台火星探测器。它被用于搜集火星上存在生命或水的证据,分析岩层,并确定是否有可能从这颗红色星球的大气中提取氧气。在火星上进行的是氧气 ISRU 实验,简称 MOXIE。由麻省理工学院的研究人员开发的这种仪器可以将二氧化碳分解成一氧化碳和氧气。从原理上讲,MOXIE 的工作原理就像一个倒置的燃料电池,它将二氧化碳从空气中吸收并加热到 800 摄氏度进行压缩。

探测器把电压施加到阴极和阳极,从氧中把炭分离出来,获得纯氧。问题是 MOXIE 作为一台测试仪器,它的体积还没有一个汽车电池大,生产氧气的量连一个人都不够用。全面运转的工厂必须建立在这个模式的基础上,但至少需要两年时间才能建成。但庆幸的是探测器离空间站不远,唯一需要的原料 - 二氧化碳,在火星大气中含量丰富。MOXIE 还有一个优点,在反应过程中产生的气体可以用作火箭燃料。这将意味着运载补给氧气罐的航天飞机在从地球飞往火星时可以减少燃料的携带,减轻自身重量,提前到达火星。这是一个机会!毕竟,MOXIE 可以实现空气的可持续使用,就像一棵树一样。接下来就引出了第二种方法……

途径二: 使用人造树叶

空间站山有一种非常有效的能源,可以从二氧化碳中产生氢气的人造树叶。它可以用来燃烧产生能量,能源生产商模仿自然树叶的光合作用,这意味着它们产生氧气作为废物。这些叶子复制了真实树叶的生物模型的结构。硅线制成的半导体薄膜将水的氧化和光能的产生分离开来。在一个过程中,水被钴合金分裂,产生氧和氢质子。人造树叶的功效是天然叶子的十倍。加上现有的氧气储备,实验室里的 15 片树叶足够使用 4 年。更重要的是,人造树叶已经准备就绪,随时可以调用。只有一个问题。为了从混合物中提取二氧化碳,人造叶子需要一个由半透膜和水组成保护罩,这个“保护罩”很难在神秘的红色沙漠中找到。在火星上,除了沙子、岩石和天空,什么也没有。一颗彗星飞过,最后一个方法灵光闪现……

[Translate to Chinese:] Energy efficient space station

途径三:金毯法

这是另一种将二氧化碳分解成氧气的方法。要做到这一点,需要巨大的撞击速度。加州理工学院 (California Institute of Technology) 的研究人员发现,如果让二氧化碳以高速与非活性物质碰撞,其分子结构会发生弯曲,导致氧和碳分离。研究人员用这个来解释彗星外壳中氧气的出现。二氧化碳通常是一个线性分子,在撞击时,一个氧原子首先与撞击物接触,从而产生残碳。在大多数情况下,氧气被放出,形成一氧化碳。然而,在某些情况下,分子保持完整并弯曲。氧原子靠得更近后,将形成了一个键,这将导致键合的氧从碳中释放出来。必要的加速可以在实验室中实现。航天飞机隔热层中的黄金将提供一种低反应冲击材料,只需要二氧化碳就可以了。然而,这种氧的产量非常低。只有 1% 到 2% 的二氧化碳原子弯曲并释放氧气。

创新的过滤器必不可少

无论任何一个解决方案要想获得成功,一个高效的过滤解决方案都是必不可少的:

  • 一氧化碳和其它有害气体作为废弃物产生,在获得能供呼吸所用氧气之前,氧气必须从空气中被提取。
  • 火星的大气由 96% 的二氧化碳组成。剩下的部分需要过滤,以确保设备能够更好地运行。
  • 必须打造洁净室等级的过滤器。实验室必须拥有洁净室的空气质量,以确保在提供纯二氧化碳时人造树叶不需要额外的水。

解决方案

这些选择都不能保证成功,最好的机会在于人工树叶。首先要接触到探测器,更重要的是,目前还不清楚是否有技术和时间来大规模复制 MOXIE 。因此,这将是一个长期的解决办法。

金毯法在不添加其他物质的情况下也能工作,但氧气的产量很低,以至于在现有储量耗尽之前无法产生足够的空气。

[Translate to Chinese:] Rocket launch

相反,只要有足够的水,人造树叶方案就一定能成功运行。它们已经在实验室中使用了,所以它们仍然有水可用,并且已经在产生氧气。如果你得出了正确的结论,恭喜你 — 你已经准备好起飞了。