Hvordan lage brennstoff på Mars

For hver kilo brennstoff som lages på Mars, slipper man å skyte opp 10 kilo fra Jorda.

Lokal produksjon av rakettbrennstoff på Mars ble først popularisert av ingeniøren Robert Zubrin i 1990, da han presenterte en plan kalt «Mars Direct».

Zubrin viste hvordan vi kunne komme oss raskere og billigere til Mars ved å utnytte lokale ressurser, og innsparingene er betydelige: Produserer du én kilo brennstoff på Mars, erstatter du ti kilo som ellers måtte fraktes hele veien fra Jorda. Hvis brennstoffet er flytende metan (som i SpaceX’ planlagte kjemperakett BFR), kan det produseres ved hjelp av den såkalte Sabatier-reaksjonen.

Litt forenklet kan den skrives som 2H₂O + CO₂  →  2O₂ + CH₄, det vil si at vann pluss karbondioksid pluss energi gir oksygen og metan. Zubrin og NASA har testet Sabatier-anlegg under Mars-liknende forhold i laboratoriet med hell, og derfor står et slikt produksjonsanlegg høyt på utstyrslisten til den første Mars-ferden. I tilfellet SpaceX er det faktisk et avgjørende suksesskrav, for uten metanet og oksygenet det produserer kommer ikke astronautene hjem!

Men lenge før den tid NASA skal teste ut brennstoffteknologi på Mars. I 2020 skytes «Mars 2020»-sonden opp, og et av eksperimentene ombord er en eksperimentell kjemisk fabrikk kalt MOXIE. Denne forkortelsen står for Mars Oxygen ISRU Experiment, der ISRU er standardforkortelsen for «In Situ Resource Utilisation», det vil si lokal utnyttelse av ressurser. MOXIE har som formål lage oksygen av CO₂ fra Mars’ atmosfære. Anlegget produserer riktignok bare ti gram oksygen i timen, men det vil gi kunnskap om hvordan man driver et kjemisk anlegg under virkelige Mars-forhold.

Hvordan finne vann på Mars

Selv om Mars’ atmosfære er en hundredel så tett som Jordas, består den av 96% CO₂ . Siden CO₂ fryser til tørris ved «bare» -78 °C (Mars har en snittemperatur på -55 °C) er fangst av denne gassen det enkleste leddet i hele prosessen. Vann er en annen skål. Det er anslått at det finnes vann nok til å dekke hele Mars med et 35 meter dypt lag, men nesten alt er bundet opp i mineraler eller gjemt i isbreer under tykke jordlag. Uansett hvilken kilde man velger å satse på, må det kraftig maskineri og mye energi til for å fylle opp et tørst romskip.

Mesteparten av vannet er bundet opp i løsmassene som dekker det meste av planeten, den såkalte regolitten. Normalt vil regolitt inneholde 1 -2 % utnyttbart vann, som figuren under antyder. Det finnes også mineraler som kan gi mange ganger så mye vann, men den mest konsentrerte vannkilden er isbreer som består av over 90% rent vann. Vi vet at mange breer antagelig bare ligger noen få meter under bakken, og dermed burde valget være lett.

Isbreer er så langt bare funnet på høye breddegrader, der klimaet er barskt og lyset svakt om vinteren. For å komme ned til breen må det graves ut mye  jord, og så snart den ligger åpen i dagen begynner den å forsvinne i en prosess som kalles sublimering. En NASA-studie konkluderte med at isbreer kan komme til å kreve en ny teknikk for utvinning, for eksempel ved at man driller ned i ismassene, varmer opp boret og suger opp vannet som frigjøres.

Den største ulempen er likevel at astronautene  dra dit breene er, som ikke nødvendigvis er de mest interessante stedene å besøke på Mars. Det samme kan sies om vannrike mineraler: De begrenser handlefriheten til kolonistene. Breer og vannrike mineraler krever dessuten at det sendes roboter i forveien som kan undersøke kilden, fordi det ofte er vanskelig å anslå størrelsen på en forekomst med bilder tatt fra rommet. Det bidrar til å øke kostnaden betydelig.

Regolitt er enklest – og tyngst

Vanlig regolitt er ineffektiv, men finnes altså overalt og er grei å ha med å gjøre. Varmes den opp til 300 °C, mister den rundt 1 % av massen i form av vanndamp. Dampen kondenseres og spaltes med elektrolyse til hydrogen og oksygen. Så føres gassene inn i et Sabatier-anlegg sammen med karbondioksid fra atmosfæren, og resultatet er oksygen og metan til romskipets brennstofftanker. Det enkleste er å kjøle gassene ned og pumpe dem i flytende form over i romskipets tanker, det betyr at anlegget må plasseres i landingssonen.

Samme anlegg kan også lage oksygen og vann til kolonistene, så dette er teknologi som må på plass så fort som mulig. Sabatier-reaksjonen har vært i bruk i over 100 år, og teknologien som kreves er velkjent og ukomplisert. Mye av maskineriet er hyllevare på Jorda, så anlegget blir noe av det billigere man flyr til Mars. I alle fall så lenge man unngår å knuse stein. Steinknusere er tunge maskiner med mye slitasje, og for å unngå slike må regolitten siktes for å fjerne større steiner før oppvarming og vannfanging.

Når det trengs 100 kg regolitt for å lage én liter vann, blir det fort volum av det, og NASA har beregnet at det trengs 2000 tonn for å gi nok brennstoff til et romskip. RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) er en gravemaskin som NASA nå utvikler for Månen og Mars. Prototypen kan raske med seg 20 kilo regolitt og frakte det med til et anlegg, uten menneskelig kontroll. I full skala vil den kunne ta med seg nærmere 100 kg av gangen, og tilbakelegge hundrevis av meter på egen hånd.

Dette er en kompleks prosess der mye kan gå galt. Skulle vannfangst vise seg å være for vanskelig å få til i første omgang, kan man begrense seg til å produsere oksygen med metoden som skal testes i MOXIE-eksperimentet. I en BFR-rakett utgjør oksygen tre firedeler av væsken som forbrennes under avfyring, så man sparer fremdeles mye vekt uten å måtte sende et helt gruveanlegg til Mars.

Hvordan lage nok energi

NASA har anslått at et fullskala Sabatier-anlegg trenger mellom 60 og 80 kW til å grave opp og frakte regolitt, varme den opp, splitte molekyler med elektrolyse og så kjøle ned gassene nok til at de blir flytende. Da antar man at det skal produseres 40 tonn oksygen og metan, og at anlegget holder på i halvannet år mens astronautene venter på at Jorda og Mars står i en gunstig posisjon i forhold til hverandre.

Erfaringen med romsonder har lært oss at det står mellom to energikilder på den røde planet: solceller og kjernekraft. Fordi Mars ligger lenger unna Sola, trenger man dobbelt så mange solceller som på Jorda. Sabatier-anlegget vil trenge en solcellefarm på minst 1600 m². Siden energiproduksjonen stanser om natten og under støvstormer, trengs det også stor batterikapasitet – antagelig 600 til 800 kWh. Batterier og solceller tilsammen kommer fort opp i 20-30 tonn.

For tiden forsker NASA på mini-kjernekraftverk til bruk på Månen og Mars som gir en vektinnsparing sammenlignet med solceller på godt over 50%. I tillegg leverer kjernekraft stabil strøm uavhengig av tid på døgnet og vær og vind. Kjernekraftverk frigjør mye varme, i et vannfangingsanlegg kan denne varmen utnyttes til å varme opp regolitten og slik spare mye strøm. I de fleste planer for brennstoffproduksjon på Mars antas det derfor at kjernekraft er energikilden.

Eksterne kilder

NASAs samleside for ISRU-prosjekter
NASA–rapport: Gjennomgang av et Sabatier-anlegg for brennstoffproduksjon
Wikipedia om Sabatier-reaksjonen og brennstoffproduksjon
Video av RASSOR 2 som fyller på simulert regolitt på et ISRU-anlegg
NASAs «Mars 2020»-side