فضانوردان ناسا چطور قادر به یافتن و جمع آوری آب در مریخ خواهند بود؟

برای چندین دهه، رویای ارسال انسان‌ها به سیاره‌ای دیگر ذهن تمام اخترشناسان و فضانوردان را به خود مشغول کرده است و با علاقه‌ای که طی سال‌های اخیر به اکتشاف مریخ به وجود آمده، به نظر می‌رسد بالاخره یک روز در آینده‌ای نه‌چندان دور و نه‌چندان نزدیک، این رویا به حقیقت تبدیل خواهد شد. اما پیش از اینکه برای قدم گذاشتن روی خاک سیاره سرخ آماده باشیم، باید کارهای زیادی به انجام برسانیم.

از میان تمام منابعی که مسافران مریخ به آن‌ها نیاز خواهند داشت، آب مهم‌ترین چیز است - نه تنها برای نوشیدن، بلکه برای اینکه بتوان به تولید ساخت موشک و دیگر مواد حیاتی مانند اکسیژن پرداخت. و اگر بخواهیم کاری کنیم که فضانوردان قادر به کشت گیاهان زراعی و مصرف مواد خوراکی تازه باشند نیز، به انبوهی آب نیاز خواهیم داشت تا گیاهان به رشد خود ادامه دهند.

اما حداقل در نگاه نخست، مریخ مثل یک صحرای غیر قابل سکونت و بسیار خشک جلوه می‌کند. امروز هیچ هیچ دریاچه‌، هیچ رودخانه و هیچ آبشاری ندارد. اما این حجم از آب مورد نیاز فضانوردان باید از کجا تامین شود؟ وب‌سایت Digital Trends به گفتگو با سه متخصص پرداخته که پاسخی برای این پرسش مهم دارند.

یافتن آب روی مریخ

اگرچه سال‌های سال با تاسیس یک مقر کاملا عملیاتی روی سطح مریخ فاصله داریم، آژانس‌های فضایی مختلف مانند ناسا همین حالا به فکر حل مشکل تامین آب افتاده‌اند. بردن آب از زمین به مریخ کاری بسیار غیر منطقی و نشدنی به حساب می‌آید - موشک‌های ما قادر به حمل چنین مقادیر عظیمی از آب نیستند. بنابراین باید به جمع‌آوری آب از محیط خود مریخ پرداخت و برای این کار نیز باید بدانیم که ذخایر آبی در کدام نقاط از سیاره سرخ واقع شده‌اند.

خبر خوب اینست که در سطح مریخ، انبوهی از آب در فرم یخ پیدا می‌شود، خبر بد اینست که رسیدن به این مناطق سردسیر خود چالش‌هایی تازه به وجود می‌آورد

خبر خوب اینست که در سطح مریخ، انبوهی از آب در فرم یخ پیدا می‌شود، از جمله منابع آبی این سیاره می‌توان به قطب‌ها و همینطور گودال‌های عظیم روی سطح آن اشاره کرد. خبر بد اینست که رسیدن به این مناطق سردسیر خود چالش‌هایی تازه به وجود می‌آورد: برای مثال یکی از چالش‌ها، مقدار انرژی مورد نیاز برای گرم نگه داشتن انسان‌ها و ماشین‌آلان در دمایی که می‌تواند به منفی ۲۴۰ درجه فارنهایت نیز برسد است. به همین خاطر است که اکثر ماموریت‌های مریخ با تمرکز بر مناطقی انجام می‌شوند که عرض جغرافیایی متوسط دارند و دما نیز برای زندگی انسان مناسب‌تر است.

در سطح این مناطق از سیاره مریخ، یخ نمی‌یابید. اما همچنان امکان دستیابی به آن‌ها در زیر زمین وجود دارد. اما مگر اینکه بخواهید فضانوردان را با بیلی در دست به تمام نقاط مریخ بفرستید تا زمین را بکنند بلکه به یخ برسند، نیازمند راهی سریع و بهینه برای نقشه‌برداری از لایه زیرین سطح این مریخ و یافتن ذخایر آب خواهید بود.

علامت‌گذاری

گرث مورگان و تان پوتزیگ از انستیوی علوم سیاره‌ای دقیقا دارند با پروژه Subsurface Water Ice Mapping (یا به اختصار SWIM) روی همین چالش کار می‌کنند. آن‌ها و همکاران‌شان داده‌هایی ۲۰ ساله که از ۵ ماهواره گردان به دور مریخ به دست آمده‌اند را برداشته و شروع به نقشه‌برداری نقاطی از سطح سیاره سرخ کرده‌اند که احتمالا زیرشان بتوان یخ یافت. هرکدام از مجموعه داده‌های موجود، مانند داده‌های راداری یا نمایانگرهای هیدروژن، تنها تا حد مشخصی می‌توانند راجع به وجود یخ در لوکیشنی خاص به شما اطلاعات دهند. اما وقتی تمام این داده‌ها را با یکدیگر ترکیب می‌کنید، می‌توانید به شکلی دقیق‌تر و موثرتر به کشف نقاطی بپردازید که یخ در آن‌ها وجود دارد.

هدف آن‌ها کمک به ناسا در یافتن بهترین نقاط ممکن برای فرود در ماموریت‌هایی است که همراه با خدمه انجام می‌شوند. به این ترتیب فضانوردان می‌توانند به یخ موجود زیر سطح مریخ دست پیدا کنند و در عین حال به آزادی عمل لازم برای تعیین نقاطی که از لحاظ علمی ارزش اکتشاف دارند دسترسی داشته باشند.

با توجه به اینکه متدهای متکی بر حسگر تنها می‌توانند تخمینی حدودی از محتویات یخ زیر زمین نشان دهند، تشخیص عمق محل قرارگیری یخ کار دشواری خواهد بود

مورگان توضیح می‌دهد: «تکنولوژی و مهندسی قرار است به چگونگی رساندن انسان‌ها به مریخ معنا ببخشند. و در این حوزه محدودیت‌های زیادی نیز وجود دارد. ناسا از جامعه علمی می‌خواهد که بهترین نقاط ممکن برای پژوهش‌های علمی را بیابند. نقاطی جالب و مجذوب‌کننده برای فرود. بنابراین وظیفه ما اینست که میان این دو خواسته پل بزنیم و به هر دو تیم فعال در حوزه تکنولوژی و مهندسی درکی کلی از این بدهیم که منابع سیاره مریخ در کدام نقاط قرار دارند».

نقشه نهایی آن‌ها می‌تواند نشان دهد که یخ احتمالا در چه نقاطی یافت می‌شود، اما این نقشه تنها زمانی به درست کار خواهد کرد که یخ در عمقی کمتر از ۵ متر نسبت به سطح مریخ باشد. با توجه به اینکه متدهای متکی بر حسگر تنها می‌توانند تخمینی حدودی از محتویات یخ زیر زمین نشان دهند، تشخیص اینکه عمق محل قرارگیری این ماده حیاتی چقدر است کار دشواری خواهد بود. و تفاوت دسترسی به یخی که تنها چند سانتی‌متر از سطح فاصله دارد با یخی که چند متر زیر سنگ‌های سخت پنهان شده، مثل تفاوت زمین و آسمان است.

ابزاری جدید برای تشخیص یخ

برای سر در آوردن از میزان عمق قرارگیری یخ در مریخ، نیاز به تلاش‌هایی تازه مانند ماموریت نقشه‌برداری یخ مریخ (Mars Ice Mapper) داریم: فضاپیمایی که ناسا و دیگر آژانس‌های فضایی بین‌المللی به صورت مشترک می‌سازند تا به مدار مریخ فرستاده شود و با استفاده از دو نوع رادار مختلف، عمق قرارگیری یخ زیر سطح سیاره را شناسایی کند.

پوتزیگ توضیح می‌دهد: «ایده اصلی، استفاده از راداری با رزولوشن بالاتر و فرکاس بالاتر است». ماموریت نقشه‌برداری یخ هنوز در فاز مفهومی به سر می‌برد و پوتزیگ و مورگان به صورت مستقیم دخالتی در روند آن ندارند. اما آن‌ها با مفاهیم ارائه شده برای این ماموریت آشنایی دارند و راجع به آن از دیگر دانشمندان شنیده‌اند. بنابراین این دو می‌توانند جزییات بیشتری راجع به کارکرد این ماموریت به اشتراک بگذارند.

وقتی این دو متد را ترکیب می‌کنید «یک نقشه چند وجهی به دست می‌آید» و سپس خواهید دانست که باید کندن زمین را از کجا آغاز کنید

نخستین متدی که از سوی سیستم نقشه‌برداری مورد استفاده قرار خواهد گرفت، تصویربرداری راداری دهانه مصنوعی است. این متد شامل راداری می‌شود که با زاویه خاص به سمت سطح مریخ قرار می‌گیرد و «توزیع یخ کم‌عمق را نشان می‌دهد». پوتزیگ توضیح می‌دهد که: «با این متد می‌توانید به شکلی نسبتا سریع، از یک منطقه وسیع نقشه‌برداری کنید».

متد دوم، ژرفاسنجی راداری است. رادار به شکلی مستقیم به سمت پایین و در بالای یک لایه یخ قرار داده می‌شود. با این کار می‌توان تشخیص داد که لایه یخ چقدر عمیق است. وقتی این دو متد را ترکیب می‌کنید «یک نقشه چند وجهی به دست می‌آید» و سپس خواهید دانست که باید کندن زمین را از کجا آغاز کنید.

دسترسی به آب، بعد از یافتنش

در پروسه جمع‌آوری آب، یافتن آب تنها گام نخست کار است. برای به دست آوردن آب تمیز و امن برای نوشیدن و سایر مصارف از یخ جامد زیر سطح سیاره، لازم است راهی برای استخراج و پردازش یخ نیز بیابیم. اگر می‌دانید عمق یخ دقیقا چقدر است و فکر می‌کنید که مقادیر قابل توجهی از یخ در نقطه‌ای مشخص وجود دارد، می‌توانید برای دسترسی به آن زمین را دریل کنید. به گفته سیدنی دو، مدیر پروژه نقشه‌برداری آب مریخ در آزمایشگاه Jet Propulstion ناسا، مشکل اینست که شما باید بدانید دقیقا در حال دریل کردن چه نوع سنگی هستید تا بتوانید ابزار درست برای این کار را با خود به مریخ ببرید.

برای به دست آوردن آب تمیز و امن برای نوشیدن و سایر مصارف از یخ جامد زیر سطح سیاره، لازم است راهی برای استخراج و پردازش یخ نیز بیابیم.

در حال حاضر درک دانشمندان از ترکیبات موجود در سطح مریخ و لایه زیرین آن بسیار محدود است و همین باعث شده که مشکلاتی در برخی ماموریت‌های مریخ مانند InSight پیش آید. در این ماموریت، فرودگر نتوانست به زیر سطح سیاره برود، زیرا سطح اصطکاک خاک اندکی با آنچه انتظار می‌رفت متفاوت بود. بنابراین به اطلاعاتی بیشتر راجع به ترکیبات سنگی در مناطق خاص نیاز داریم تا بتوانیم دریلی طراحی کنیم که درون آن‌ها تونل می‌زند.

به محض ایجاد سوراخی در زمین و رسیدن به یخ، می‌توانید از سیستمی به نام رودریگز استفاده کنید که همین حالا روی زمین و در مناطقی مانند قطب جنوب مورد استفاده قرار می‌گیرد. اساسا با این سیستم، شما میله‌ای گرم را درون سوراخ حفر شده قرار می‌دهید که یخ را آب می‌کند و چاهی از آب مایع به وجود می‌آورد که می‌توان آن را به بالا کشید. برای این کار نیازمند انرژی در فرم حرارت خواهید بود، اما رودریگز یکی از بهینه‌ترین روش‌های برای دست یافتن به مقادیری زیاد از آب به حساب می‌آید.

سنگ‌های پخته

یک گزینه دیگر هم برای جمع‌آوری آب وجود دارد: می‌توانیم آن را از مواد معدنی هیدراته به دست آوریم که در بسیاری از مناطق مریخ به وفور یافت می‌شوند. سنگ‌هایی مانند گچ جاوی آب هستند و اگر آن‌ها خرد کنید و سپس بپزید، می‌توانید آب را جدا و جمع‌آوری کنید.

برای شناسایی این مواد معدنی هیدراته از مدار مریخ، محققان باید از تکنیکی به نام طیف‌سنجی بازتابندگی استفاده کنند

اما شناسایی این مواد معدنی کاری آسان نیست. برای شناسایی این مواد معدنی هیدراته از مدار مریخ، محققان باید از تکنیکی به نام طیف‌سنجی بازتابندگی استفاده کنند. تجهیزات تعبیه شده در فضاپیمایی که به دور مریخ می‌چرخد می‌توانند بازتاب نور خورشید از سطح مریخ را شناسایی کنند. برخی طول موج‌های نور بازتاب شده توسط مواد معدنی خاص جذب می‌شوند و محققان می‌توانند تشخیص دهند که سنگ‌های زیرین از چه ساخته شده‌اند. اما این سیگنال تنها برای منطقه رصد شده کاربرد دارد و برخی مواد شیمیایی، طول موج‌هایی یکسان را جذب می‌کنند. بنابراین رمزگشایی سیگنال‌های مختلف می‌تواند خود یک چالش تازه باشد.

دو می‌گوید: «دوست دارم شرایط را این‌طور توصیف کنم: شما یک کیک دریافت کرده‌اید. حالا باید سعی کنید تشخیص دهید کیک از چه موادی ساخته شده و برای تولید کیک، از هر ماده به چه میزان استفاده شده است. این اساسا کاری است که با سیگنال‌های بازتاب یافته انجام می‌دهیم.»