10 Key Tech Advances Vi behöver kolonisera Mars

Tekniken går framåt med hopp och det hade det bättre att göra om vi ska skicka folk att bo på Mars inom de närmaste decennierna. Faktum är att NASA planerar att skicka sitt första bemannade uppdrag till Mars redan i 2030-talet. Men det finns några viktiga tekniska delar som mänskligheten måste förbättra innan vi kan hoppas att nå den röda planeten säkert.

10 vattenutsugare

Trots den senaste upptäckten av något flytande vatten på Mars kommer framtida kolonisatorer att vara beroende av fruset vatten som fångats i marsjorden. Att extrahera det vattnet kan innebära fysiskt att gräva upp det, eller det kan innebära att man använder mikrovågor för att förånga vattnet och bringa det till ytan som en gas. Tyvärr, medan maskiner som båda har testats på jorden, har inga stora vattenuttag ännu testats på Mars själv.

Och det är definitivt viktigt att se till att maskiner fungerar innan vi överväger att skapa en permanent bas på Mars. Det är inte bara så att kolonisatörerna inte dör av dehydrering. Vissa experter har föreslagit att man använder vattnet för att ge syre genom att separera väte- och syreatomerna som utgör vattenmolekyler. Om den planen används och vattentankmaskinen bryter ner, skulle kolonisatörerna riskera att dö av brist på syre. Men även om ett alternativt syreförsörjningssystem används (som att bryta ner koldioxid från martens atmosfär) skulle vatten behövas för att få bränsle såväl som att dricka. Sådan vital utrustning bör testas i Mars 'miljö, så att brister identifieras innan människors liv är beroende av det.

9Mars kostymer

Mars miljö ger några intressanta utmaningar, med många faror som inte kan döda kolonisatorer direkt, men kan orsaka allvarliga hälsoproblem på vägen. Som sådan skulle utforska Mars kräva speciella kostymer än mer avancerade än nuvarande rymdfärger.

Till att börja med badas Mars ofta i dödlig rymdstrålning. På jorden skyddas vi från dessa kosmiska strålar av atmosfären och ett magnetfält som kallas magnetosfären. Orbiting rymdfarkoster som den internationella rymdstationen (ISS) ligger inuti magnetosfären, så det är bara några astronauter som riskerar full exponering för rymdstrålning på korta uppdrag utöver jordbana. En resa till Mars skulle ta mycket längre tid, vilket gör strålskyddet avgörande.

Det är särskilt knepigt för Mars-kostymer, som måste vara tillräckligt lätta att bära samtidigt som de ger ett tillräckligt skydd. En kandidat kan vara hydrogenerade bornitrid nanorör (BNNT). Ursprungligen utvecklat för att skydda rymdfarkoster har forskare faktiskt gjort BNNTs i garn, vilket kan blandas med tyg i rymdvästar för att skydda mot strålning.

Ett annat problem är att människokroppen tenderar att bryta ner utan jordens tyngd. Astronauterna på ISS lider av muskelatrofi och kan förlora upp till 2 procent av sin benmassa per månad. På ISS är detta hanterbart genom träning, men för långsiktiga uppdrag till Mars har forskare vid MIT utvecklat Gravity Loading Countermeasure Skinsuit, som efterliknar effekterna av jordens gravitation genom att försiktigt klämma på kroppen. Klädseln är skintight, vilket gör att den kan bäras under större utrymmedrag medan den ligger utanför en rymdfarkost eller på Mars.

8Spaceships

Det är självklart att att sätta en person på Mars kommer att vara betydligt mer utmanande än att landa en obemannad rover som Nyfikenhet. Hittills har vi bara lyckats med en handfull kort bemannade uppdrag till månen, som är cirka 200 gånger närmare jorden än Mars.

Men NASA drömmer stort med Orion rymdkapsel. Orion kommer att utformas med ett uppdrag till Mars i åtanke, förhoppningsvis kunna leda till långsiktig rymdresa, och rymma upp till fyra astronauter på en sex till nio månaders resa till Mars.

Men Orions uppdrag till Mars kommer inte att hända förrän åtminstone 2030-talet. Först planerar NASA att testa det med uppdrag till månen och minst en asteroid. Byrån utvecklar också en stor ny raket kallad Space Launch System för att driva Orion. De första bemannade testerna är preliminärt schemalagda för 2021, även om det nu verkar troligt att de kommer att försenas till minst 2023.

Under tiden gjorde Orion sitt första obemannade flyg i december 2014. Uppdraget syftade till att testa kapseln och samla information om strålningens effekter. För närvarande hindrar strålning från galaktiska kosmiska strålar människor att spendera längre än 150 dagar utanför jordbana. Ett uppdrag till Mars och tillbaka skulle ta mycket längre tid än det, så att utveckla effektiva strålningssköldar för Orion kommer att vara nyckeln.

7Fuel

För tillfället är Orion en relativt liten rymdfarkost, men att hålla astronauterna levande och klara på den månaders långa resan till Mars kommer att kräva tillägg av en mycket större "habitatmodul." Att driva en sådan rymdskepp hela vägen till Mars skulle kräva en stor mängd bränsle. Det bränslet skulle i sig själv lägga till vikten på pendeln, begränsa rummet för instrument och kräva ännu mer ansträngning för att komma ur jordens atmosfär.

En lösning skulle vara att hitta en mer effektiv typ av bränsle. För närvarande drivs de flesta rymdfarkoster av ett kemiskt framdrivningssystem. Men, NASA arbetar på en typ av framdrivningssystem som kallas solenergi elektrisk framdrivning (SEP). Detta utnyttjar energi från solen och använder den för att accelerera xenonatomer i en avgasrör som driver rymdfarkosten framåt. Detta system skulle vara mycket lättare än någon kemisk framdrivningsmotor.

Det finns emellertid ett problem. För närvarande kan solskenor inte skörda tillräckligt med kraft för SEP-motorer för att ge samma drivkraft som kemiska motorer, vilket innebär att ett SEP-drivet hantverk skulle ta längre tid att nå Mars.Detta är ett stort problem för ett bemannat uppdrag, eftersom vi redan kämpar för att hålla astronauterna levande och sane för de lägsta sex månaderna som det skulle ta för att nå Mars.

Som ett resultat har vissa experter föreslagit att bränsleeffektiva SEP-motorer ska användas för att transportera leveranser och utrustning till Mars. När de tunga förnödena landat säkert kan astronauterna göra en snabbare resa på ett avskalat, kemiskt drivet rymdfarkoster som är konstruerat för att bara få dem dit säkert och snabbt.

6Landutrustning

Även om vi hade ett skepp som skulle kunna transportera människor och leveranser till Mars, är det fortfarande ett svårt problem: Vi har inte tekniken för att landa den på ett säkert sätt. Vi kan landa rymdfarkoster på månen, där det inte finns någon atmosfär. Och vi kan lätt landa på jorden, som har en mycket tjockare atmosfär än Mars. Men den röda planetens tunna atmosfär presenterar unika utmaningar som gör landning även lätta robotprober en enorm kamp. Det finns för närvarande ingen metod att säkert landa ett fartyg som är tillräckligt stort för att bära människor.

NASA har svårt på jobbet på problemet och testar för närvarande en kombination av en enorm supersonisk fallskärm och en munkformad luftbroms. Ett test i 2015 var inte en framgång, med fallskärmen rippas ifrån varandra efter att den inte blivit uppblåst. Testet gav dock värdefulla data, som NASA planerar att använda för att förbättra designen. Eftersom NASA: s uppdrag till Mars är preliminärt planerat för 2030-talet, har de gott om tid att arbeta på problemet.

Under tiden planerar det kontroversiella Mars One-projektet, som hoppas att skapa en privat koloni på Mars, att använda ett rymdfarkoster som saktar sig med raketer och utan fallskärm. Detta har aldrig gjorts tidigare, och experter har beskrivit Mars One-projektet i allmänhet som "galen".

5Green tummar

I den senaste filmanpassningen av Martianen, Matt Damons karaktär Mark Watney är porträtt som en genial botaniker, som kan odla potatis i Marss röda jord. I verkligheten är Watneys närmaste motsvarighet Bruce Bugbee, Utah State University-forskaren bakom sallat, NASA, växte nyligen på ISS. Enligt Bugbee, MartianenGrundläggande begrepp var korrekta, men filmen underskattade svårigheten att växa växter på Mars.

Till att börja med får Mars bara 60 procent av jordens solljus. Och Watys strålningsskyddade livsmiljö skulle ha blockerat ännu mer av ljuset. I det verkliga livet säger Bugbee att en gård på Mars skulle behöva en konstgjord ljuskälla eller ett system av speglar och fiberoptik för att koncentrera solstrålen Mars får.

Bugbee säger också att det skulle vara extremt svårt att odla växter i marsjorden. På lämpligt sätt är den röda planet faktiskt ganska rostig, i den mån jorden är full av järnoxider. Denna oxiderade jord är inte idealisk för planteliv, så martian kolonisatorer skulle behöva odla sina grödor i ett system av hydroponics, annars behandla jorden för att avlägsna järnoxiderna och öka fertiliteten.

Men tack vare Bugbees och andras arbete borde framtida martians vara utrustade med allt de behöver för att odla ätbara växter på resan till Mars och på planeten själv. För några månader sedan blev astronaut Scott Kelly den första personen som smakade sallad som odlades i rymden. Tydligen var det läckert.

4Builder-Bots

Vi kan inte bara dumpa människor på Mars utan infrastruktur på plats och förvänta dem att bygga allt de behöver själva. Alla realistiska koloniseringsplaner syftar till att först skicka obemannade fartyg lastade med leveranser, tillsammans med robotar för att göra prep-arbetet innan människor kan komma fram. Till exempel kan robotar bygga levande livsmiljöer och börja extrahera vatten från jorden långt innan den första människan sätter fot på den röda martensjorden. Problemet är att vi inte har byggt dessa byggrobotar ännu, och de robotar som vi för närvarande kan bygga är ganska begränsade för vad de kan uppnå på Mars.

För närvarande arbetar NASA i samarbete med två universitet på en humanoid robot som heter D5. Några har emellertid ifrågasatt om en bipedal robot är det bästa sättet att gå och hävdar att fyra ben eller helst däckstolpar skulle vara robustare. Robot skeptiker har också argumenterat för att lägga alltför stora påtryckningar på våra mekaniska arbetare. I stället hävdar de att vi helt enkelt skulle göra så mycket av arbetet som möjligt på jorden. Till exempel kan man bygga förbyggda uppblåsbara skydd, vilket ger oss besväret att skapa en robot för att bygga skydd från råvaror. Det skulle låta botsna fria att fokusera på enkla uppgifter som inte skulle behöva problemlösande färdigheter eller fin motorstyrning.

3Homes

Det är uppenbart att ett viktigt steg för att kolonisera Mars kommer att utforma specialiserade livsmiljöer för kolonisterna. Dessa livsmiljöer måste tryckas till nära jordens nivåer. De måste också skydda mot dammstor, strålning och fria väderförhållanden. Och de kommer att behöva vara hemtrevliga, eftersom framtida martianska kolonister förmodligen kommer att spendera mycket tid inomhus.

Och livet på Mars skulle innebära ännu mer oväntade utmaningar. Det verkar till exempel intuitivt att martianska kolonister skulle odla ätbara växter i sina livsmiljöer. Problemet är att växter producerar syre, som skulle byggas upp i en förseglad miljö tills luften blev giftig för människor eller allt brister i flammor. Och det är svårt att ventilera överskott av syre utan att också förlora dyrbart kväve, en vital atmosfärskomponent. Så innan några utrymme gårdar är möjliga, måste ingenjörerna utveckla ett robust system för att avlägsna överskott av syre under martianiska förhållanden.

I slutändan är det för tidigt att säga vad ett hus på Mars kan se ut. Men några av möjligheterna är hisnande. År 2015 höll NASA en tävling för att designa en martian habitat. Den vinnande inträdet var en av de få som ignorerar planetens röda mark.Istället använde formgivarna en lika riklig resurs, och föreslog en tornig triangulär struktur som helt byggdes ut ur marsis.

2Maternity Wards

I allmänhet är astronauter förbjudna att ha sexuella relationer under ett uppdrag. Men om du skickar grupper av människor till Mars för resten av livet, är det svårt att föreställa sig att alla bor permanent celibat. Och med kön på Mars kommer risken för graviditet på Mars. Det är helt okänt territorium och det är troligt att särskilda försiktighetsåtgärder måste vidtas för att säkerställa mor och barns säkerhet.

Det stora problemet är som vanligt strålning. Det DNA som styr embryoutvecklingen är extremt mottagligt för strålningsskador. Som ett resultat skulle ett barn som tänktes på resan till Mars nästan säkert vara sterilt och skulle utgöra en hög risk för mental retardation eller fosterskador. På Mars själv skulle situationen vara mer hanterbar, men extra försiktighetsåtgärder skulle säkert behöva vidtas för att skydda förväntade mammor från strålning. Det har till och med föreslagits att kolonister borde skapa ett livsmiljö i en krater på Marsmånen Phobos, där några kraterväggar blockerar 90 procent av kosmisk strålning.

Det är också klart att ett barn som uppväxt på Mars kan utvecklas på olika sätt från en uppväxt på jorden. I ett av få försök om ämnet sände gravida råttor ut i rymden och återvände sedan till jorden för att föda. De nya babyrotterna hade inte en riktig känsla av upp och ner på grund av deras utveckling i nollgravitet. Men effekten försvann efter några dagar, vilket visar att rymdbarn kan anpassa sig till normal gravitation.

Med allt som sagt kan rymdgraviditet inte vara en så pressande fråga trots allt. Forskare Joe Tash har föreslagit att långa perioder i låg gravitation kan skada både manliga och kvinnliga reproduktionssystem. Om så är fallet skulle en lång resa till Mars göra de första martiansna "reproduktivt kompromissad".

1A väg hem

Mars One-projektet föreslår att skicka kolonister på en envägsresa till Mars, utan planer på återvändande till jorden. Vilket är förmodligen det bästa, eftersom en rapport från MIT förutspår att Mars One-kolonisterna kommer att dö nästan omedelbart. Och medan du köper en envägsbiljett till Mars kan det låta romantiskt, att fånga människor i rymden är förmodligen inte det bästa sättet att gå om att kolonisera solsystemet.

Lyckligtvis planerar NASA för sitt Mars-uppdrag att inkludera en returresa. Naturligtvis presenterar detta en enorm teknisk utmaning. Oväntat är resan tillbaka till jorden den relativt enkelt del-ett rymdskepp som kallas Earth Return Vehicle kommer att ligga i omlopp runt Mars tills det är dags att transportera astronauterna hemma. Svårigheten är att få astronauterna till jordens returfordon. Att kasta genom Martians atmosfär och i omlopp kräver en stor mängd drivmedel, vilket skulle ta år att producera.

NASAs lösning är ett rymdskepp som kallas Mars Ascent Vehicle (MAV), som kommer att skickas till Mars år före astronauterna. När den landar, börjar MAV automatiskt extrahera koldioxid från atmosfären och omvandla den till bränsle. Det kommer antagligen att ta ungefär två år för MAV att fylla sina bränsletankar, och astronauterna kommer inte att lämna jorden tills NASA får bekräftelse på att tillräckligt med bränsle har producerats för att få dem hem igen. Som ett resultat måste MAV vara tufft nog att överleva det oskötliga martianska landskapet i upp till fyra år. NASA förväntar sig att det är det tungaste objektet de behöver landa på Mars för att uppdraget ska bli en framgång. Men det är värt att se till att de första martiansna har hemma.