Il prossimo frontiera: Supporto per la vita di ingegneria per Marte

Mentre l'umanità si pone in vista di una presenza permanente su Marte, le sfide ingegneristiche diventano sempre più chiare.A differenza della Stazione Spaziale Internazionale, che riceve regolari missioni di rifornimento, una missione Marte richiederà sistemi di supporto vitale che operano autonomamente per anni alla volta, con un minimo o nessun rifornimento esterno. L'intero sistema deve essere progettato da terra per riciclare quasi tutte le risorse, mentre resiste all'ambiente indifeso del pianeta.

L'unicità dei vincoli ambientali di Marte

Marte non offre nessuno di questi vantaggi. L'atmosfera è 95% di anidride carbonica a una pressione di appena 0,6% del livello del mare della Terra. Le temperature superficiali oscillano da -125°C ai poli durante l'inverno a 20°C all'equatore della durata di settimane.

Funzioni di supporto vitale e sfide di ingegneria

Un habitat di Marte deve fornire cinque funzioni essenziali: aria traspirante, acqua potabile, cibo nutriente, trattamento dei rifiuti e regolazione termica.

Gestione dell'atmosfera

Il mantenimento di un'atmosfera traspirante all'interno di un habitat Marte richiede una rimozione continua dell'anidride carbonica, il rifornimento di ossigeno, il controllo dei contaminanti delle tracce e la gestione dell'umidità e della pressione. L'approccio primario si basa sulle tecnologie provate sull'ISS, come l'Assemblea di rimozione del biossido di carbonio e il sistema di generazione di ossigeno a base di ossigeno.

Recupero dell'acqua e riciclaggio

L'acqua è il consumabile più pesante da lanciare dalla Terra, rendendo essenziale il riciclaggio. L'ISS recupera circa il 90% delle acque reflue, ma una missione Marte deve avvicinarsi al 100%. Ciò significa catturare ogni molecola, compreso il vapore acqueo dalla respirazione e dall'umidità nell'aria della cabina. Una promettente innovazione è l'uso di membrane di osmosi in avanti che operano a pressioni inferiori rispetto all'osmosi inversa tradizionale, riducendo il consumo energetico e l'usura delle apparecchiature.

Produzione e Nutrizione alimentare

La coltivazione di cibo su Marte non è solo una convenienza, ma una necessità per soggiorni di lunga durata. La ricerca attuale si concentra sui sistemi di crescita idroponica e aeroponica che utilizzano soluzioni nutrienti e l'illuminazione a LED ottimizzata per la fotosintesi vegetale. L'inclusione dell'Università di Arizona Controlled Environment Agriculture Center ha dimostrato che le piante di coltura, pomodori, peperoni, fragole

Gestione dei rifiuti

I rifiuti umani, la biomassa vegetale inedibile e altri sottoprodotti organici devono essere elaborati per recuperare acqua, nutrienti e energia. I sistemi di post-composizione utilizzando le comunità microbiche possono abbattere la materia organica in materiale simile al suolo per la crescita delle piante, catturando CO2 per l'atmosfera. In alternativa, l'incenerimento o la pirolisi possono distruggere gli agenti patogeni e produrre biocar ed energia.

Sistemi di chiusura: il percorso verso l'auto-sufficienza

Un sistema di supporto vitale a ciclo chiuso riduce al minimo la necessità di ingressi esterni riciclando tutte le risorse all'interno dell'habitat. Si stanno perseguendo due ampi approcci: bioregenerativo e fisicochimico. In pratica, il sistema finale sarà probabilmente un ibrido che utilizza processi biologici per il riciclaggio a bassa energia, a lunga durata e sistemi fisicochimici per la lavorazione ad alta velocità e affidabile.

Supporto per la vita bioregenerativa

I sistemi bioregenerativi utilizzano impianti, alghe e batteri per svolgere le funzioni di purificazione dell'aria, riciclaggio dell'acqua e produzione alimentare. Il programma MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) condotto dall'Agenzia Spaziale Europea è lo sforzo più avanzato in questa direzione. Il progetto di MELiSSA comprende cinque comparti interconnessi: un vano batterio termofilo per abbattere i rifiuti, un'ex compartimento di cibiorector

Sistemi fisici

I sistemi fisico-chimici si basano su reazioni chimiche e processi fisici piuttosto che su organismi viventi, tra cui i reattori Sabatier che convertono CO2 e idrogeno in metano e acqua, le unità di elettrolisi ad acqua che si dividono in idrogeno e ossigeno, e i sistemi elettrolitici solidi che estraeno l'ossigeno direttamente da CO2.

In-Situ Resource Utilizzazione (ISRU) come un Cambiatore di Gioco

ISRU è la pratica di utilizzare le risorse locali per produrre materiali di consumo che altrimenti dovrebbero essere lanciati dalla Terra. Su Marte, ISRU ha tre applicazioni principali: estrazione dell'acqua, produzione di ossigeno e generazione di carburante. Il Marshall Space Flight Center ha testato un sistema che estrae l'acqua dal regolith Marziano simulato riscaldandolo per rilasciare gli annunci di acqua sulle superfici minerali. Il sistema ha raggiunto i tassi di recupero dell'acqua di oltre il 90% nei test di laboratorio.

Estrazione dell'acqua da Martian Regolith

Il terreno marziano contiene tra il 2% e il 60% di acqua in massa, a seconda della posizione e della profondità. Il Jet Propulsion Laboratory della NASA ha sviluppato un robot di operazioni di sistemi di superficie avanzati Regolith che può scavare, riscaldare e raccogliere vapore acque dal suolo. Il vapore è condensato e quindi purificato attraverso un sistema di filtrazione a più stadi. Questo approccio richiede una significativa energia termica, che potrebbe essere fornita da reattori nucleari o sistemi termici concentrati.

Produzione di ossigeno dall'atmosfera

L'atmosfera di Marte è di 95% CO2. Due metodi possono produrre ossigeno da esso. Il primo è l'elettrolisi di ossido solido, dove CO2 è riscaldata a 800-1000°C e si divide in monossido di carbonio e ossigeno. L'ossigeno è raccolto e il CO può essere utilizzato come combustibile o ulteriormente elaborato. Il Mars Oxygen In-Situ Resource Use Analysis (MOXIE) sul rover di Perseverance ha dimostrato questa tecnologia producendo la seconda versione di ossigeno a tasso di ossigeno

Materiali edili e combustibili

Oltre al supporto vitale, ISRU può produrre materiali da costruzione e combustibile. Il renite marziano può essere compattato in mattoni o sinterizzato utilizzando microonde per formare materiali da costruzione solidi. Il metano della reazione Sabatier può essere utilizzato come combustibile per le missioni di ritorno, mentre l'ossigeno può servire come ossidante di massa. L'Università della California, San Diego ha dimostrato un processo che utilizza il monossido di carbonio e l'idrogeno per produrre plastica e gli idrocarburi sinte potrebbero essere utilizzati.

Integrazione dell'intelligenza artificiale e dell'automazione

I ritardi di comunicazione di 4 a 24 minuti indicano che qualsiasi guasto di sistema che richiede una risposta immediata deve essere gestito autonomamente. I sistemi di intelligenza artificiale e di machine learning sono in fase di sviluppo per monitorare tutte le funzioni di supporto vitale, prevedere i guasti prima che si verifichino, ed eseguire azioni correttive senza input umani.

L'Università del Texas di Austin sta sviluppando modelli digitali di supporto vitale che simulano ogni componente in tempo reale. Questi modelli sono alimentati da dati dei sensori e possono prevedere ore di comportamento del sistema o giorni in anticipo, consentendo una manutenzione proattiva. Se un cuscinetto a pompa mostra segni di usura, il gemello digitale può stimare la sua vita utile rimanente e programmare una sostituzione prima di un guasto.

Riducibilità, affidabilità e sicurezza del lavoro

I componenti di sicurezza sono supportati da almeno due sistemi indipendenti, e spesso tre o più. Ad esempio, l'ossigeno può essere fornito da elettrolisi dell'acqua, da elettrolisi di ossido solido da CO2, da rilascio da serbatoi di ossigeno immagazzinati, o da produzione biologica da impianti. L'acqua può essere riciclata attraverso distillazione, osmosi inversa, osmosi in avanti.

Ricerca e Testbed attuali

I sistemi di supporto vitale integrato di NASA sono in grado di gestire le loro esigenze di sviluppo umano, ma i sistemi di monitoraggio della missione analogica di Johnson Space Center hanno dimostrato che i sistemi di monitoraggio e di monitoraggio della missione di Marte sono in grado di gestire le missioni di controllo e di controllo di massa.

Le direzioni future per le missioni a lungo termine

Il prossimo decennio vedrà l'implementazione della stazione spaziale Gateway in orbita lunare, che servirà come un terreno di prova per le tecnologie di supporto vitale di prossima generazione. Il programma Artemis ritorno alla Luna fornirà l'opportunità di testare i sistemi ISRU in scala, estraendo l'acqua dal regolith lunare e dimostrando la produzione di ossigeno e combustibile. Queste missioni ritireranno il rischio e riviveranno i sistemi necessari per Marte.

Conclusioni

L'ingegneria dei sistemi di supporto vitale per Marte è una delle sfide più complesse e gratificanti della luce spaziale umana. Richiede l'integrazione della chimica, della biologia, della fisica, della scienza dei materiali, dell'intelligenza artificiale e dei fattori umani in un unico sistema coesivo.