MARS

Ivan Krеmеr

Bogatstva Crvene planete

Čeka se dolazak ljudi

Nakon povratka ljudi na Mesec i uspostave trajnog ljudskog prisustva, u decenijama pred nama, naredna destinacija za slanje ljudske posade i naknadno naseljavanje je Mars. U kontekstu održivog razvoja, energetske tranzicije i ekološki prihvatljive industrijske proizvodnje, mnogo se piše i proučava o eksploataciji resursa van Zemlje, odnosno o svemirskom rudarenju. Pri tome, najviše pažnje se poklanja Mesecu, jer je on Zemljin satelit i jedino nebesko telo na koji je, osim Zemlje, ljudska noga ikada kročila, kao i asteroidima jer su oni najbogatiji nama potrebnim resursima. Takođe, Mesec i asteroidi, posebno oni bliski Zemlji, jedini su čija je eksploatacija, uz vraćanje resursa na Zemlju, trenutno teorijski izvodljiva i isplativa.

Eksploatacija marsovskih resursa, u kontekstu nadomeštaja zemaljskih resursa, nije toliko smislena, s obzirom na rastojanje između dve planete, čak i kada se nalaze u pozicijama najmanjeg relativnog rastojanja. Sa druge strane, eksploatacija marsovskih resursa, igraće najvažniju ulogu u uspostavljanju prvih ljudskih naseobina na Crvenoj planeti. Kada dostigne određeni nivo, potencijalno će omogućiti potpunu samostalnost marsovskih naseobina.
Resursi koji će prvo biti korišćeni svakako neće biti skupoceni metali već ugljen-dioksid, koji čini 96% tanke marsovske atmosfere, za proizvodnju metanskog goriva, kao i voda iz marsovskog leda, za potrebe održavanja života. Iako će, verovatno, nuklearni pogon pokretati brodove koji će da odvedu čovečanstvo na Mars, metan će takođe biti potreban kao raketno gorivo za spuštanje i uzletanje. Nadalje, pomenuti nuklearni pogon će verovatno koristiti vodonik kao gas koji, širenjem usled zagrevanja nuklearnim raspadom, stvara potisak a koji se može dobiti iz marsovske vode elektrolitičkim putem.
Postupak dobijanja metana iz ugljen-dioksida i vodonika, uz korišćenje nikla ili rutenijuma, kao katalizatora, poznat kao Sabatjeov proces, već se koristi za jedan od koraka pri recikliranju kiseonika iz izdahnutog ugljen-dioksida, u okviru sistema za održavanje života na Međunarodnoj svemirskoj stanici. U slučaju dobijanja metanskog goriva na Marsu Sabatjeovim procesom, prema originalnim predlozima, sa Zemlje bi se donosio samo vodonik, koji je lagan gas. Bilo bi potrebno dopremiti samo malu količinu vodonika sa Zemlje jer je nusproizvod ove reakcije voda, koja bi se onda elektrolitički razlagala na vodonik i kiseonik. Kiseonik bi bio korišćen za sagorevanje metanskog goriva, kao i za održavanje života, a vodonik bi se vraćao u Sabatjeovu reakciju, tako da je ceo proces, što se vodonika tiče, cikličan. S obzirom da „Space X“-ov Starship ne poseduje nuklearni pogon, već koristi metan kao gorivo, „Space X“ ima planove za gradnju postrojenja za proizvodnju metana na Marsu. U njihovoj varijaciji procesa, vodonik se uopšte ne bi dopremao sa Zemlje, već bi bio dobijan in situ, elektrolitički iz marsovskog leda, uz kiseonik potreban za održavanje života.

Izdvojeni CO2 kao led

Da bi se atmosferski CO2 koristio za dobijanje metana ili kiseonika, potrebno ga je uspešno izdvajati iz marsovske atmosfere. Zbog postojanja peščanih oluja na Marsu, najpre je potrebno iz odabrane količine marsovske atmosfere odstraniti čestice sitne marsovske prašine. Za postizanje toga postoji više predloga, a jedan od njih je upotreba elektrostatičkih filtera. Za hvatanje ugljen-dioksida iz atmosfere, koja u preostalih 4% sadrži azot, kao i argon, takođe se predlaže nekoliko načina. Tri glavna načina su leđenje ugljen-dioksida, adsorpcija ugljen-dioksida na pogodnom adsorbensu i prosto komprimovanje marsovske atmosfere pomoću pumpi. U slučaju kompresije atmosfere, azot i argon bi ostali u smesi, što potencijalno može predstavljati problem za dalje korišćenje u ostalim sistemima. Važan je odabir tehnologije koja se dobro uklapa sa ostalim sistemima. U prva dva slučaja, leđenja ugljen-dioksida i njegove adsorpcije, dobija se skoro čist ugljen-dioksid tako da su ta dva načina u prednosti. Ipak, sve tri opcije se i dalje razvijaju i razmatraju u kontekstu kompatibilnosti sa ostalim sistemima.
U marsovskim uslovima, ugljen-dioksid može prirodno postojati u ravnoteži između gasne i čvrste faze, ali ne i u tečnoj fazi. Zbog toga, ako se postavi dovoljno ohlađena površina, ugljen-dioksid iz atmosfere će se na njoj izdvojiti u čvrstoj fazi, kao led, a ne kondenzovati u tečnost. Sistem za leđenje CO2, dakle, nije ništa drugo nego ploča povezana sa sistemom za hlađenje i izložena marsovskoj atmosferi. Treba napomenuti da i ovom procesu mogu smetati azot i argon, prisutni u marsovskoj atmosferi, ali da postoje načini da se to prevaziđe i da se dobije čist ugljen-dioksid. U jednom od radova, objavljenom još sedamdesetih godina prošlog veka, predloženo je korišćenje rashladnog sistema na bazi metana dobijenog Sabatjeovim procesom, i to da bi takav sistem bio potpuno kompatibilan sa sistemom za dobijanje metana, odnosno bila bi postignuta svojevrsna cikličnost resursa. Što se izdvajanja ugljen-dioksida adsorpcijom tiče, tu se marsovska atmosfera prevlači preko nekog adsorbensa, materijala koji ima sposobnost da za svoju površinu fizički vezuje određene molekule, pod određenim uslovima. U konteksu uslova, potrebno je odabrati adsorbens koji vezuje CO2 pri relativno niskim temperaturama, većinu vremena prisutnih na površini Marsa. Naučnici iz NASA-inog Glen istraživačkog centra, 2017. su izneli predlog korišćenja sistema sastavljenog od tri, ili četiri vrste adsorbenasa, uglavnom na bazi posebnih vrsta zeolita.
Davne 2001. godine, kada još nije bilo potvrđeno prisustvo velikih količina leda ispod marsovske površine, NASA-ini istraživači, u cilju zaobilaska donošenja vodonika za proizvodnju metana sa Zemlje, predložili su elektrolizu atmosferskog CO2, pomoću cirkonijumskog katalizatora, koja bi davala smesu ugljen-monoksida (CO) i kiseonika (O2), što bi predstavljalo alternativno raketno gorivo - ako ne za povratak na Zemlju barem za kretanje po Marsu pomoću letelica skakača.

„Slučaj za Mars“

Mnogi planovi za naseljavanje Marsa, uključujući i čuveni Mars Direct plan iz devedesetih godina, nuklearnog i aeronautičkog inženjera, zagovornika kolonizacije Marsa, Roberta Zubrina, predlagali su proizvodnju plastike za razne namene, isključivo od marsovskih resursa. Danas, kada znamo za prisustvo leda na Marsu, jasno je da se etilen ili propilen lako mogu dobiti iz vodonika dobijenog iz marsovskog leda i atmosferskog ugljen-dioksida, a potom polimerizovati u plastične materijale, polietilen, ili polipropilen. Međutim, iako je plastika odličan materijal za 3D štampu, koji bi bio od koristi za proizvodnju raznih predmeta i alata za koloniste, treba uzeti u obzir da je sve više poznat loš uticaj mikroplastike na ljudsko zdravlje i da upotrebu plastike na Zemlji treba postepeno eliminisati. U skladu sa time, verovatno će se i na Marsu in sito dobijati i koristiti neki savršeniji materijal, koji neće dugoročno štetiti ljudima.
Zasnivanje trajnih naseobina na Marsu ne može biti potpuno bez eksploatacije metala. Metalurgija predstavlja jednu od osnova moderne civilizacije. Još jednom treba napomenuti da, iako je Mars verovatno bogatiji nekim metalima od Zemlje, njihovo dopremanje nazad na Zemlju nikako nije isplativo. Sa druge strane, njihovo dobijanje iz marsovskog tla, ili potencijalno vađenje iz koncentrovanih naslaga u obliku ruda, ispod površine Marsa, kao i njihova prerada, presudna je za osnivanje nezavisne i samoodržive ljudske naseobine na Marsu. Što se tiče sastava marsovskog tla i prisutnosti ruda, iako ostaje još mnogo toga što treba biti proučeno, delimičan uvid imamo zahvaljujući kako marsovskim meoteoritima koji su pronađeni na Zemlji tako i brojnim eksperimentima izvedenim putem robotskih misija. Takođe, činjenica da je Mars planeta koja je u prošlosti bila vulkanski aktivna sugeriše da su se na Marsu mogli odigrati slični procesi koji su na Zemlji rezultirali rudnim naslagama raznih elemenata korisnih za eksploataciju.
Poznato je da crvena boja Marsa potiče od gvožđe(III) oksida, Fe2O3, odnosno minerala hematita. Gvožđe iz marsovskog hematita dobijalo bi se redukcijom ovog oksida. Robert Zubrin, u svojoj knjizi „Slučaj za Mars“, koja predstavlja proširenje Mars Direct plana, izneo je dva moguća načina. Prvi je redukcija Fe2O3 pomoću ugljen-monoksida (CO), dobijenog redukcijom atmosferskog CO2, a drugi redukcija Fe2O3 pomoću vodonika dobijenog elektrolizom vode iz leda. Pošto je čelik legura gvožđa čiji je glavni dodatak ugljenik, a Mars je bogat i ugljenikom zbog atmosferskog ugljen-dioksida, onda je proizvodnja čelika uz upotrebu isključivo lokalnih resursa moguća.

Aluminijum, silicijum, silan...

Aluminijim je na Marsu zastupljen, kao i na Zemlji, u obliku svog oksida Al2O3. Aluminijum se, iz njegovog oksida, može dobiti redukcijom pomoću ugljeničnih elektroda, koje mogu biti proizvedene od ugljenika dobijenog u procesu proizvodnje metanskog goriva. Problem sa ovakvim dobijanjem aluminijuma na Marsu je što pomenuti proces redukcije aluminijum(III) oksida zahteva veliku količinu električne energije. Baš iz tog razloga se na Zemlji postrojenja za ovakvo dobijanje aluminijuma nalaze u delovima sveta gde je električna energija jeftina. Kada se ovo uzme u obzir, verovatno će čelik imati primat nad aluminijumom, kao materijalom za teške konstrukcije. Treba imati na umu i da, pri manjoj marsovskoj gravitaciji, čelik poseduje težinu otprilike istu težini aluminijuma na Zemlji, tako da će marsovske čelične konstrukcije biti slabije od zemaljskih.
Treći metal važan pomena, u kontekstu postizanja samoodrživosti marsovskih naseobina jeste silicijum. Potreban je za proizvodnju elektronike, odnosno računarskih procesora, bez kojih nema moderne civilizacije, kao i solarnih panela, ali i za mnogo osnovnije potrepštine za prve naseljenike, poput stakla. Silicijum se na Marsu, isto kao i na Zemlji, nalazi u obliku silicijum-dioksida, SiO2, koji je veoma zastupljen u marsovskom tlu. Elementarni silicijum može se dobiti, kao i aluminijum, redukcijom njegovog oksida ugljenikom, ali za to nisu potrebne ugljenične elektrode. Potrebno je samo pomešati silicijum-dioksid i ugljenik u elektro-lučnoj peći. Ovako dobijen silicijum sadrži nečistoće, prvenstveno gvožđe. Ono potiče od hematita koji se našao kao nečistoća u polaznom silicijum-dioksidu, pa se redukovao do gvožđa. Ovakav silicijum jeste dovoljno dobar za neke primene, poput proizvodnje termoizolacionog materijala, silicijum-karbida, SiC. Nasuprot tome, nije dovoljno dobar za proizvodnju računarskih čipova. Srećom, može se prečistiti tako što se izlaže vodoniku koji, kupeći silicijum, gradi silan, SiH4. Pri tom izlaganju i nečistoća, odnosno gvožđe, gradi svoj hidrid sa vodonikom; ali, za razliku od  njega koji je čvrst, silan je gas, pa se lako mogu razdvojiti. Zanimljivo je da se silan može koristiti i kao raketno gorivo i to ne samo za sagorevanje sa kiseonikom već i za burno reagovanje nalik sagorevanju, sa CO2 iz marsovske atmosfere. S obzirom da je CO2 naširoko dostupan na Marsu, možda ovako „sagorevanje“ sa ugljen-dioksidom ima smisla za gorivo za lokalni transport na Marsu, možda ranije pomenutom letelicom skakačem. Ukoliko se želi da se iz SiH4 dobije čist silicijum za potrebe računarske industrije, to se može postići termičkim razlaganjem silana pod visokom temperaturom. Vodonik koji se tada oslobađa može se vraćati u prethodnu reakciju sa onečišćenim silicijumom.

Otkrića rovera

Vršenjem eksperimenta na uzorcima marsovskog tla, tokom poslednjih nekoliko decenija slatih robotskih misija, osim pomenutog gvožđa i aluminijuma, detektovani su i magnezijum, kao i titanijum. Analizama marsovskih meteorita palih na Zemlju, detektovani su u većim količinama već pomemuti metali, kao i hrom. Nadalje, u tragovima je otkriveno i prisustvo vrednijih metala poput litijuma, nikla, kobalta, zlata, volframa, lantana, niobijuma i molibdena. Ta otkrića podgrevaju nadu u postojanje većih količina ovih metala, u obliku ruda, na određenim lokacijama na Marsu.
Pošto su mnogi meteoriti, potekli od metalima bogatih asteroida, padali na Mars tokom njegove duge istorije, oni su verovatno i tamo doneli dodatne količine korisnih resursa, kao i na Zemlju. U skladu sa ovom hipotezom, roveri Spirit i Opportunity, našli su meteorite bogate niklom i gvožđem na površini Marsa.
Ukoliko bi se pokazalo da Mars, u dovoljnim količinama, poseduje i pomenute dragocenije metale poput litijuma, nikla ili zlata, njegova samoodrživost bi bila zagarantovana, a izgradnja infrastrukture i razvoj industrije tekli bi neverovatno brzo. Definitivan odgovor biće poznat tek kada ljudske istraživačke misije budu vršile iskopavanja i ispitivanja na licu mesta, na pažljivo odabranim lokacijama.

Ivan Krеmеr

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"