Idén att på något sätt terraforma Mars för att göra den mer beboelig är en visionär sci-fi-dröm. Men även om global terra-formning av Mars är utom räckhåll, består idén. Men nu kan ett material som kallas silica aerogel göra hela idén med att terraforma Mars något mindre omöjlig.
Anmärkningsvärda personer från Carl Sagan till Elon Musk har föreslagit att värma upp Mars och ge den en atmosfär, och tricket ligger i den frusna CO2 och vatten i planetens polarlock. Sagan sa att om dessa lock kunde förångas på något sätt, då skulle CO2-växthuseffekten göra resten. Musk sa, lättsamt och halvt på skämt, att atombomber som släpptes på stolparna skulle göra susen.
Det pågår seriöst vetenskapligt arbete för att utforska idén, åtminstone i teorin. Den centrala frågan är, har Mars tillräckligt med CO2 och vatten för att skapa en atmosfärisk densitet som liknar jordens?
Mars nordpolära iskappa, fångad av NASA:s Mars Global Surveyor. Kredit: NASA/JPL-Caltech/MSSS
År 2018, forskare vid University of Colorado studerade frågan . Deras slutsats? Terraforming Mars är omöjligt med vår nuvarande teknik, något som de flesta redan kände sig säkra på var sant.
'Våra resultat tyder på att det inte finns tillräckligt med CO2kvar på Mars för att ge betydande växthusuppvärmning var gasen som skulle sättas in i atmosfären; dessutom har det mesta av CO2gas är inte tillgänglig och kunde inte lätt mobiliseras. Som ett resultat av detta är det inte möjligt att terraforma Mars med hjälp av dagens teknik”, säger Bruce Jakosky, professor vid Laboratory of Atmosphere and Space Physics vid University of Colorado, Boulder.
Men det var ett år sedan och tekniken utvecklas hela tiden.
I en ny studie i Nature Astronomy, en trio forskare från NASA:s Jet Propulsion Laboratory, Harvard University och University of Edinburgh, föreslår att Mars skulle kunna göras beboelig om vi ändrar vårt tänkande och använder ny teknik. Istället för stora drömmar om att göra hela den röda planeten beboelig, vad forskare kallar Global Atmospheric Modification (GAM), tänk om små regioner kunde förvandlas?
Nyckeln bakom deras tankegång är silica aerogel.
'Detta regionala tillvägagångssätt för att göra Mars beboelig är mycket mer genomförbar än global atmosfärisk modifiering.'
Robin Wordsworth, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Silica aerogel är inte vad du kan tro att det är. Snarare än en riktig gel, är det ett fast, styvt, torrt material. Det skapas genom att extrahera vätskan från en gel med en process som kallas superkritisk torkning , samma process som används för att göra koffeinfritt kaffe.
Forskarna bakom denna nya studie använde modeller och experiment för att visa att ett tunt, 2 till 3 cm (0,8 till 1,2 tum) lager av aerogel kunde tillåta solljus att tränga in, men skulle fånga värme. Gelen skulle också tillåta tillräckligt med solljus för fotosyntes, och skulle permanent värma området den täckte, vilket gör att is och frusen CO2 smälter. Kanske bäst av allt, det skulle inte behöva en energikrävande värmekälla för att göra det.
Ett tunt genomskinligt lager av material med låg värmeledningsförmåga överför synligt ljus, men blockerar UV och infrarött, vilket direkt replikerar strålningseffekterna av jordens atmosfär. Djupet av den beboeliga regionen i underytan ökar med tiden på grund av termisk diffusion.Tavär den genomsnittliga yttemperaturen. Bildkredit: R. Wordsworth et. al. 2019.
'Det här regionala tillvägagångssättet för att göra Mars beboelig är mycket mer genomförbart än global atmosfärisk modifiering', säger Robin Wordsworth, biträdande professor i miljövetenskap och teknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Department of Earth och planetvetenskap. 'Till skillnad från de tidigare idéerna för att göra Mars beboelig, är detta något som kan utvecklas och testas systematiskt med material och teknik vi redan har,' sa han i en pressmeddelande .
'Små öar av beboelighet'
'Mars är den mest beboeliga planeten i vårt solsystem förutom jorden', säger Laura Kerber, forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory. 'Men det förblir en fientlig värld för många typer av liv. Ett system för att skapa små öar av beboelighet skulle tillåta oss att omvandla Mars på ett kontrollerat och skalbart sätt.'
Silica aerogel, ö av beboelighet idén var inspirerad av något som redan förekommer vid Mars poler.
Till skillnad från på jorden är koldioxiden på Mars frusen, fångad vid polerna. Medan polerna här på jorden är vattenis, är polerna på Mars en kombination av vattenis och CO2-is. Men även om det är fruset, tillåter den CO2 fortfarande solljus att tränga in samtidigt som den fångar värmen.
Bilder av Mars poler visar hur detta händer.
I den här bilden av is på Mars har CO2 fångat solens värme. Detta skapar små fickor av värme på sommaren, som visar sig som svarta smälta fläckar i isen.
I jordens atmosfär släpper CO2 in solljus, men fångar det i atmosfären och värmer upp planeten. Samma sak, typ, händer på Mars, där all CO2 är frusen. Polarisar på Mars är en kombination av vattenis och frusen CO2. Precis som sin gasform här på jorden tillåter frusen CO2 solljus att tränga in samtidigt som värmen fångas upp. På sommaren skapar denna solid-state växthuseffekt fickor av uppvärmning under isen, här ses som svarta prickar i isen. Bildkredit: NASA
'Vi började fundera på denna solid-state växthuseffekt och hur den skulle kunna åberopas för att skapa beboeliga miljöer på Mars i framtiden,' sa Wordsworth. 'Vi började fundera på vilken typ av material som kunde minimera värmeledningsförmågan men ändå överföra så mycket ljus som möjligt.'
Det visar sig att kiseldioxid aerogel passar räkningen. Det var först uppfanns 1931 , och det är ett av de mest högisolerande materialen som någonsin gjorts. Det beror på att det är ett mycket poröst material som nästan helt är gjort av luft. Det är ungefär 99,8 % luft, ungefär som ett termofönster.
Kiseldioxidaerogeler är 97 procent porösa, vilket betyder att ljus rör sig genom materialet men de sammankopplade nanoskikten av kiseldioxid fångar infraröd strålning och bromsar värmeledningen kraftigt. Dessa aerogeler används i flera tekniska tillämpningar idag, inklusive NASA:s Mars Exploration Rovers. De är vana att behålla känslig elektronik varm .
'Kisel aerogel är ett lovande material eftersom dess effekt är passiv', sa Kerber. 'Det skulle inte kräva stora mängder energi eller underhåll av rörliga delar för att hålla ett område varmt under långa tidsperioder.'
Forskarna satte upp experiment för att efterlikna förhållandena på Mars. De experimenterade med två typer av kiseldioxidaerogel: partiklar och kakel. De fann att båda var effektiva för att höja temperaturen. Båda var också effektiva för att blockera farlig UV-strålning.
Temperaturskillnader mellan ytan och toppen av skiktet visas, för aerogelpartiklar (vänster) och plattor (höger), som en funktion av skikttjockleken. Färger indikerar data för olika infallande synliga ljusflöden. Felstaplar anger de uppskattade standardavvikelserna för mätningarna. Bildkredit: R. Wordsworth et. al., 2019.
Plott av UVA- och UVB (vänster) och UVC (höger) överföring av kiseldioxidaerogelskikt (partiklar och plattor) med en tjocklek som varierar från 1?cm till 3?cm. Både partiklar och plattor dämpar UVC effektivt, med överföringen av UVC genom kakelskikt av 2 cm tjocka eller mer sjunkande till under 0,5 %. Bildkredit: R. Wordsworth et. al., 2019.
Deras resultat visar att ett skikt på 2 cm eller mer av aerogel reducerade UVC-strålningen till mindre än 0,5 %. UVC är UV-strålning med högre energi och kan vara särskilt skadlig. På jorden når nästan ingen mätbar UVC-strålning ytan på grund av ozon, molekylärt syre och vattenånga i den övre atmosfären.
'Utspritt över ett tillräckligt stort område, du skulle inte behöva någon annan teknik eller fysik, du skulle bara behöva ett lager av det här på ytan och under du skulle ha permanent flytande vatten,' sa Wordsworth. 'Det finns en mängd fascinerande tekniska frågor som dyker upp ur detta.'
Det är lätt nog att föreställa sig någon form av kupolstruktur gjord av kiseldioxidaerogel. Det skulle vara tillräckligt varmt för att vara beboeligt och skulle också blockera UV. Det kan vara ungefär som ett växthus på jorden, där vatten blev kvar som vätska och växter kunde odlas.
Det finns mycket mer arbete och forskning att göra, uppenbarligen. Wordsworth och de andra forskarna har för avsikt att testa kiseldioxidaerogeler på Mars-liknande platser här på jorden. De riktar sig till torra dalen i Chile och Antarktis.
Wordsworth är tydlig med en sak: att konstruera Mars klimat är inte bara en teknisk och ingenjörsmässig fråga. Det är också en etisk och filosofisk fråga.
Om det redan finns några mikrober som lever på Mars, kanske under ytan någonstans, hur är det med dem? Ska vi göra det? Har vi rätt?
'Om du ska möjliggöra liv på Mars-ytan, är du säker på att det inte redan finns liv där? Om det finns, hur navigerar vi i det, frågade Wordsworth. 'I det ögonblick vi bestämmer oss för att förbinda oss att ha människor på Mars är dessa frågor oundvikliga.'
Källor:
- Uppsats: Möjliggör beboelighet på mars med silica aerogel via växthuseffekten i fast tillstånd
- Pressmeddelande: Ett materiellt sätt att göra Mars beboelig
- Pressmeddelande: Mars terraforming inte möjlig med dagens teknik
- Wikipedia: Aerogel
- Universum idag: Ska vi Terraforma Mars?