¿Cuál es la evidencia científica del agua para el viaje de regreso del metalox en Marte?

Hay un podcast interesante que escucho: We Martians. En noviembre pasado tuvieron un episodio que toca mucho este tema. El episodio está aquí: http://www.wemartians.com/home/015 y entra en muchos más detalles de lo que puedo, pero aquí hay un breve resumen:

El instrumento SHARAD (SHAllow RADar) del Mars Reconnaissance Orbiter usó un radar de penetración terrestre en el área de Marte conocida como Utopia Planitia. Los resultados del radar, aunque no definitivos, sugieren fuertemente "una mezcla de hielo, aire y polvo" en el área. "SHARAD detección y caracterización de depósitos de hielo de agua bajo la superficie en Utopía Planitia, Marte" .

Esta información se presentó en contexto con información del módulo de aterrizaje Phoenix. El módulo de aterrizaje estaba equipado con un brazo robótico que cavaba en el suelo. Este artículo lo describe con más detalle: "La suciedad en los hallazgos del suelo del módulo de aterrizaje de Marte"

Usando su brazo robótico, Phoenix cavó en la superficie marciana para ver si podía alcanzar el hielo debajo.

En una trinchera, denominada "Dodo-Ricitos de oro", el módulo de aterrizaje expuso lo que los científicos de la misión describieron como "material brillante" a unos 4 o 5 centímetros por debajo de la superficie (se vio un parche similar debajo del módulo de aterrizaje, probablemente expuesto por los propulsores de aterrizaje de la nave espacial) . Durante los siguientes dos meses, el equipo observó cómo las cámaras de Phoenix mostraban que el material se estaba sublimando, lo que se esperaría del hielo de agua expuesto a la atmósfera marciana.

La tendencia de las muestras de suelo recogidas por el módulo de aterrizaje a agruparse dificultó el paso de las muestras a los instrumentos a bordo del Phoenix, pero después de varios intentos, se obtuvo una muestra y los detectores del módulo de aterrizaje confirmaron que efectivamente había hielo de agua escondido debajo del regolito. . La confirmación se anunció originalmente el 31 de julio.

Curiosamente, el hielo parece ocurrir a diferentes profundidades bajo la superficie dependiendo del terreno. Las llanuras donde aterrizó Phoenix presentan montículos poligonales rodeados de depresiones que resultan de la expansión y contracción estacional del hielo debajo de la superficie, lo que crea grietas y hendiduras.

Y de este artículo relacionado: "Se confirma hielo de agua en Marte"

El Phoenix Mars Lander de la NASA ha confirmado la existencia de hielo de agua en Marte.

Los científicos de la misión celebraron la noticia después de que finalmente se entregó una muestra del hielo a uno de los instrumentos del módulo de aterrizaje.

más adelante en el artículo:

"Estoy muy feliz de anunciar que obtuvimos una muestra de hielo", dijo William Boynton de la Universidad de Arizona, coinvestigador del Analizador Térmico y de Gas Evolucionado (TEGA) de Phoenix, que calienta muestras y analiza los vapores que generan. desprenden para determinar su composición.

"Tenemos agua", agregó Boynton. "Hemos visto evidencia de este hielo de agua antes en las observaciones del orbitador Mars Odyssey y en los trozos que desaparecen observados por Phoenix el mes pasado, pero esta es la primera vez que se toca y prueba el agua marciana".

La noticia de que había caído hielo en TEGA llegó el jueves por la mañana, sorprendiendo a los científicos que habían tenido problemas para entregar una muestra de la tierra helada debido a su pegajosidad inesperada.

Opinión: No estoy seguro de que nada de esto sea una prueba 100 % definitiva de que haya suficiente agua explotable para producir Methalox, pero sugiere fuertemente que al menos en esta parte del planeta hay agua significativa justo debajo de la superficie.

Las misiones futuras también estudiarán este tema.

El Trace Gas Orbiter puede proporcionar más información una vez que esté completamente en línea: tiene la capacidad de detectar neutrones 4 del hidrógeno del subsuelo (que puede o no ser agua) y rastrear H2O en la atmósfera 5 .

El rover ExoMars y el Rover 2020 de la NASA llevarán instrumentos que pueden contribuir a esto.

ExoMars Rover, específicamente, llevará el radar de penetración terrestre WISDOM que debería poder ver el hielo bajo la superficie 6 , y su taladro central está equipado con Ma-MISS, un espectrómetro infrarrojo que debería poder determinar la presencia de agua o hielo. en el sitio de perforación 7 .

El Rover 2020 de la NASA también llevará el radar de penetración terrestre RIMFAX 8 , así como otros instrumentos para el análisis químico; no estoy seguro de si alguno de ellos está específicamente destinado a la detección de hielo. De interés relacionado es el experimento MOXIE, que intentará extraer O2 de la atmósfera marciana. 9

Parte de la evidencia de SHARAD discutida en esta respuesta también se describe en el depósito de hielo de Marte de Phys.org que contiene tanta agua como el lago Superior . Esta imagen muestra evidencia de hielo subterráneo en Utopia Planitia a aproximadamente 47° N de latitud.

A modo de comparación, aquí hay algunos datos de SHARAD para el casquete polar norte de Marte, de aquí . Tenga en cuenta que el hielo de CO2 y el hielo de H2O tienen propiedades dieléctricas muy diferentes y se pueden distinguir utilizando el radar chirrido de SHARAD.

Esta imagen muestra una sección transversal de una porción de la capa de hielo del polo norte de Marte, derivada de los datos adquiridos por el radar superficial del Mars Reconnaissance Orbiter (SHARAD), uno de los seis instrumentos de la nave espacial.

Los datos representan la estructura de hielo interna de la región, con anotaciones que describen diferentes capas. El hielo representado en este gráfico tiene aproximadamente 2 kilómetros (1,2 millas) de espesor y 250 kilómetros (155 millas) de ancho. Las líneas blancas muestran el reflejo de la señal del radar en la nave espacial. Cada línea representa un lugar donde una capa se encuentra encima de otra. Los científicos estudian qué tan gruesas son las capas parecidas a panqueques, dónde se abultan y cómo se inclinan hacia arriba o hacia abajo para comprender cómo era la superficie de la capa de hielo en el pasado a medida que se depositaba cada nueva capa.

En lo que respecta a la evidencia directa de agua (como hielo) de Phoenix, encontré copias no pagadas de los siguientes documentos:

1. Arvidson, RE y col. (2009): Resultados del experimento Mars Phoenix Lander Robotic Arm
2. Smith, PT et al. (2009): H2O en el sitio de aterrizaje de Phoenix
3. Material de apoyo en línea para Smith et al.

Los datos de espectroscopía de masas TEGA para masa = 18 AMU que se muestran en la Figura S6 del Material de apoyo en línea de Smith et al. es un poco complicado de interpretar/explicar, pero el derretimiento del hielo que se muestra en los datos de calorimetría diferencial de barrido de TEGA en la Figura S9 de los datos es bastante fácil de entender. Una vez que la temperatura de rampa del horno alcanzó los -2 °C, la muestra se volvió "endotérmica" y absorbió más potencia de calentamiento para un cambio de temperatura dado.

El área bajo la curva es de 0,35 julios (o 0,35/4,2 = 0,08 calorías). Si fuera hielo puro, ese valor correspondería a solo alrededor de un miligramo de agua basado en un calor de fusión de 334 J/g.

Figura S9. TEGA encuentra hielo y minerales acuosos. (A) Análisis térmico de la muestra del subsuelo "Wicked Witch", retraso de sublimación en la trinchera Blancanieves. El pico endotérmico con un inicio de -2ºC indica el derretimiento del hielo de agua.

No creo que se necesite agua líquida. Según tengo entendido, tanto el plan de la NASA como el de SpaceX para ISRU es utilizar el proceso Sabatier para crear el combustible a partir de la atmósfera marciana. Traerían materia prima de H2 y la combinarían con CO2 de la atmósfera en un reactor catalítico para crear metano y agua. Luego, el agua se electrolizaría en O2 (para oxidarse) y H2 (para retroalimentar al reactor).

Más aquí: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Sabatier_reaction#Manufacturing_propellant_on_Mars

Editar para agregar:

El enfoque de "trae H2 contigo" fue un elemento de la propuesta "Mars Direct" de Zubrin, expuesta en su libro de 1996 "The Case for Mars". Esto se resume en la página de Wikipedia aquí: https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Direct#First_launch

El primer vuelo del cohete Ares (que no debe confundirse con el cohete de nombre similar del ya desaparecido programa Constellation) llevaría un vehículo de retorno a la Tierra no tripulado a Marte después de una fase de crucero de 6 meses, con un suministro de hidrógeno, una planta química y un pequeño reactor nuclear. Una vez allí, se utilizaría una serie de reacciones químicas (la reacción de Sabatier junto con la electrólisis) para combinar una pequeña cantidad de hidrógeno (8 toneladas) transportado por el Vehículo de Retorno a la Tierra con el dióxido de carbono de la atmósfera marciana para crear hasta 112 toneladas. de metano y oxígeno. Este procedimiento de ingeniería química relativamente simple se usó regularmente en los siglos XIX y XX, [8] y garantizaría que solo el 7% del propulsor de retorno necesitaría ser transportado a la superficie de Marte.

Aquí hay un formulario en papel de 2001 que lo analiza en el contexto de una misión de la NASA planificada pero cancelada: "Dimensionamiento de una planta combinada de reacción de Sabatier y electrólisis de agua para uso en la utilización de recursos in situ en Marte"

El dióxido de carbono utilizado en la reacción se obtendrá de la atmósfera marciana, pero el hidrógeno utilizado se importará de la Tierra.

Sin embargo, parece que este enfoque ahora está desactualizado, ya que fue formulado antes de que supiéramos mucho sobre la presencia de agua en Marte.

Los enfoques más recientes parecen ser el uso de agua marciana. Por ejemplo, hay este documento de 2017 que aborda específicamente el programa SpaceX: "Módulos de carga presurizados ITS propuestos para iniciar una industria química en Marte" p. 13. Este enfoque asume una pequeña cantidad de H2 traída de la Tierra, seguida de más H2 extraído del agua marciana, así como el recuperado del propio proceso Sabatier.

Inicialmente, la entrada de H2 puede traerse de la Tierra para iniciar el proceso, pero después de la puesta en marcha, el H2 se derivará de la electrólisis del agua...

El H2O de entrada se derivará de una operación de extracción de agua. Se sabe que el agua es abundante en Marte, pero a diferencia de la Tierra, se encuentra en estado sólido en lugar de líquido. La extracción de agua para el hielo subterráneo procedería empleando máquinas de movimiento de suelo análogas a los equipos de extracción a cielo abierto. Alternativamente, se pueden perforar pozos para llegar al hielo glacial enterrado, calentar y presurizar el agua al estado líquido y bombear el líquido a un módulo de almacenamiento.

Otro enfoque interesante omitiría el agua por completo y generaría O2 y H2 a partir de hematita, que abunda en la superficie: "Sobre la producción in situ de oxígeno e hidrógeno a partir de depósitos de hematita marciana a través de un proceso termoquímico de dos pasos de división CO2/H2O".

Ahora, tiempo de opinión: sospecho que las primeras misiones seguirán utilizando el enfoque "BYOH2". Requiere solo el 7% del material en masa, y es mucho más simple, mecánica y tecnológicamente, que extraer hielo o recolectar hematites. Pero una vez que tengamos una presencia a largo plazo (con o sin tripulación), habrá un cambio hacia otros enfoques.

La evidencia más fuerte probablemente sería que el módulo de aterrizaje Phoenix realmente excavó algo, lo que sugiere que hay suficiente agua presente para ser útil para la colonización.

Sin embargo, la respuesta de jgalak también es correcta. La extracción de hielo local es importante para los planes a largo plazo de construir una colonia independiente, pero para las primeras misiones, una bomba y un tanque de hidrógeno son mucho más livianos y menos complejos que los equipos de minería.

Tenga en cuenta que el hidrógeno es solo una pequeña parte de la mezcla de combustible/oxidante en masa. La reacción CH4 + 2O2 => 2H2O + CO2 utiliza 4 partes de hidrógeno por 14 de carbono y 64 de oxígeno. Incluso si trae el hidrógeno de la Tierra, el uso de carbono y oxígeno locales reduce la masa de combustible importado en más del 95 por ciento.

Si el almacenamiento es un problema grave, también puede traer agua de la tierra por una reducción más modesta del 56 por ciento, aunque puede aceptar una gran cantidad de fugas de hidrógeno antes de que se convierta en la mejor opción.

Hay dos posibilidades. El primero, propuesto por Robert Zubrin en Case for Mars, es como se ha sugerido, traer una materia prima de hidrógeno y usarlo para hacer el combustible. El hidrógeno es, con mucho, la parte más ligera de un sistema de metalox y podría incluirse fácilmente.

El segundo está usando agua líquida para hacer el hidrógeno. Hay una gran cantidad de fuentes que respaldan que hay agua líquida cerca de la superficie de Marte. La siguiente imagen muestra una distribución aproximada del agua en Marte cerca de la superficie, basada en datos de flujo de neutrones. Los polos tienen una porción mucho más alta que es hielo de agua. Estos han sido parcialmente confirmados por los módulos de aterrizaje en la superficie. Uno de los objetivos clave de cualquier módulo de aterrizaje es proporcionar información sobre el terreno para ayudar a verificar las observaciones orbitales.

En pocas palabras, podríamos traer hidrógeno (probablemente para las primeras misiones) o buscar hielo de agua para usar, pero es probable que nos proporcione lo que necesitamos para producir combustible para cohetes para llegar a casa.

¿Cuál es la evidencia científica del agua para el viaje de regreso del metalox en Marte?

El artículo de Business Insider que la NASA está ayudando a SpaceX a explorar estos 9 lugares en Marte para aterrizar las primeras misiones de cohetes Starship es una lectura interesante, y en su mayoría documenta el rastro electrónico "en papel" de la exploración de posibles sitios de aterrizaje utilizando pares de imágenes HiRise estereoscópicas y específicas.

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Un mapa de elevación de Marte que muestra los nueve sitios de aterrizaje candidatos que SpaceX está considerando para sus primeros viajes marcianos de Starship. NASA/USGS/ESA/DLR/FU Berlín (G. Neukum) a través de Google Earth Pro; Business Insider

El artículo señala que todos los sitios candidatos tienen una posibilidad significativa de tener agua congelada subsuperficial sustancial cerca de la superficie.

El artículo menciona una pieza de evidencia específicamente:

Alguna evidencia de esto está en la forma de los cráteres cercanos, que parecen hundirse después del impacto de un meteorito porque exponen el hielo al aire marciano, que tiene aproximadamente un 1% del espesor de la Tierra.

Funcionalmente, eso es un vacío, lo que hace que el hielo ahora expuesto se sublime en el aire de la misma manera que lo hace un bloque de hielo seco cuando se calienta.

Una línea de evidencia de hielo en Marte son los sitios de impacto. El hielo expuesto al delgado aire marciano se sublima en un gas y colapsa el suelo alrededor del cráter original. NASA/JPL/Universidad de Arizona; Business Insider