Maddenin enerjili gaz fazı olan plazma, evrenin her yerindedir ve insanlık, neon tabelalardan sürdürülebilir atık yönetimine kadar her şey için onu kullanarak faydalarından yararlanmaktadır . Uluslararası bir uzman ekibi, Mars’ın atmosferini kullanarak oksijeni sentezlemek için plazma kullanan bir sistem önerdi. Ya da daha doğrusu, ince Mars havasından oksijeni çekerek.
Araştırmanın bir parçası olarak ekip, bir laboratuvarda Mars benzeri koşullar yarattı ve oksijen gazını sentezlemek için gaz karışımına plazma ışınları vurdu. Journal of Applied Physics’te yayınlanan bulgular, plazma teknolojisinin ölçeklenebilir, çok yönlü olduğunu ve daha da önemlisi, işlem için gereken makine yığınını azaltırken daha fazla oksijen üretebileceğini belirtiyor.
Şu anda Yerinde Kaynak Kullanımı (ISRU), Mars gibi uzak cisimlere yapılan keşif misyonları için en uygun çözüm olarak görülüyor. Araştırma, asteroit madenciliği gibi iddialı projeler için bile, ilerlemenin yolunun Mars’ın uyduları etrafında yüzen bir baz istasyonu kurmak olduğunu gösteriyor. Bunun temel nedeni, oksijen ve roket yakıtı gibi tonlarca kritik kaynağı taşımanın uzun yolculuklar için pratik olmamasıdır.
Ancak Mars’ın yerel kaynaklarını değerlendirip, bunları solunum gazı gibi kullanılabilir malzemelere dönüştürebilecek sistemler varsa, lojistik sorunlar çözülebilir ve görev fizibilitesi yükselir. Son araştırmalara göre, Mars’ta oksijen sentezlemek için kullanılan plazma teknolojisi, “gelecekteki ISRU stratejilerinde muhtemelen çok alakalı bir rol oynayacak”.
Mars’ta kaynak yönetiminin mevcut durumu
NASA, kızıl gezegene karbondioksiti oksijene dönüştürebilen deneysel bir sistem yerleştirdi. Mars Oksijen Yerinde Kaynak Kullanım Deneyi (MOXIE) olarak adlandırılan makine, bir araba aküsü boyutundadır ve Perseverance gezici dışında çalışır. 2021 yılının Nisan ayında, MOXIE kiti , Mars’ta ilk kez oksijen gazı toplamayı başarıyla başardı .
Moxie, karbondioksiti suya parçalamak için 1.000 K’den daha yüksek bir sıcaklık oluşturmak üzere elektriği iki elektrot arasında geçiren Katı Elektroliz Hücreleri (SOEC) adlı bir sisteme dayanır. Ama kendi dezavantajları var. Örneğin, elektrot malzemesi proseste kimyasal bozunmaya karşı hassastır.
Bu akıbetten kaçınmak için karbon monoksit, yüksek sıcaklık ve yüksek basınçtan oluşan bir çalışma ortamı gerekir. Sıkıştırma sistemi ve ısı yalıtım sistemi gibi ekstra donanım gerektiren tüm bunlar, yalnızca hacmi artıran ve aynı zamanda güç gereksinimlerini de artıran.
MOXIE şu anda saatte sadece 10 gram oksijen üretecek şekilde tasarlanmıştır . NASA’ya göre , Mars yüzeyinden fırlatmak için astronotların 25 metrik ton oksijene ve ek 7 metrik ton roket yakıtına ihtiyacı olacak. Bu tür sayılara ulaşmak için, MOXIE’nin boyutunun kabaca 100 kat büyütülmesi gerekiyor. Bu nedenle, mühendislerin ve bilim adamlarının Mars’ta oksijen üretimi için daha iyi performans gösteren, daha küçük ve daha enerji verimli sistemler geliştirmeleri çok önemlidir. plazma teknolojisinin bir oyun değiştirici olduğunu kanıtlayabileceği yer.
Plazma teknolojisi neden Mars için özel olarak tasarlandı?
Mars’ın atmosferi, oksijen toplamak için parçalanması gereken hammadde olan kabaca %96 karbondioksitten oluşur. Bu oksijeni baz istasyonlarına beslemenin yanı sıra, hareket halindeyken solunum gazı üretmek için minyatür bir gaz dönüştürme cihazı da kullanılabilir ve astronotlar Mars yüzeyini keşfederken hacimli gaz silindirleri taşıma ihtiyacını azaltır.
Ek olarak, karbondioksitin plazma katalizörlüğünde parçalanması sırasında üretilen karbon monoksit, roket yakıtı için itici malzeme oluşturmak üzere oksijen ile karıştırılabilir. Daha fazla ayrışma, daha sonra diğer organik moleküllerin sentezi için kullanılabilen veya inşaat malzemelerinde amaç bulabilen karbon üretimine yol açabilir.
Umut verici bir olasılık, plazma arkının kimyasını değiştirerek, azotun da Mars atmosferinden solunum gazı ve gübreler yapmak için tutulabilmesidir. Diğer bir avantaj, Mars’taki atmosferik koşullardır ve bu, plazma ateşlemesi ve ilgili süreçler için Dünya’dakine kıyasla daha elverişlidir.
En son araştırmaların arkasındaki ekip, Mars’taki basınç, sıcaklık ve gaz bileşiminin plazma tabanlı kaynak toplama için daha uygun olduğunu belirtiyor. Örneğin, Mars atmosferinde bulunan argon ve nitrojen, plazma ayrışma sürecini daha da geliştirebilir. Ayrıca, güç gereksinimleri de önemli ölçüde daha düşüktür.
Plazma teknolojisinin teknik avantajları
Uzun görevler için kritik makineler veya Mars gibi cisimlerde mürettebatlı bir keşif hayali söz konusu olduğunda, en büyük sorunlar kargo hacmi, enerji gereksinimi, kullanım kolaylığı ve verimliliktir. Plazmayı resme dahil etmenin teknik düzeyde birkaç avantajı vardır.
Örneğin, plazma odasında oksijen üretildikten sonra, plazma arkının ürettiği ısı, gazı toplamak için kullanılabilir. Oksijen iyonlarını toplamak için bir zarın iyonik iletkenliği, belirli bir sıcaklık seviyesinin üzerine çıkar, bu plazma ark odasında zaten elde edilebilen bir şeydir.
Buradaki çıkarım, plazma teknolojisinin devreye girmesiyle, zarın sıcaklığını artırmak ve oksijen geçişini iyileştirmek için özel ön ısıtma ekipmanına gerek kalmamasıdır. Plazmadaki serbest elektronlar, oksijenin zar boyunca hareketini daha da artırmak için ek bir kinetik vuruş sağlayacaktır.
Günün sonunda, plazma destekli teknoloji, bu tür görevler için iki kritik avantaj sunuyor. Oksijen üretmek için gereken enerji gereksinimlerini azaltarak daha iyi sentez performansı sağlayabilir ve mevcut sistemle aynı miktarda oksijen üretmek için gereken makine kütlesini de azaltabilir.
Önümüzdeki zorlu yol
Ekip tarafından yapılan ön hesaplamalar, 6 kilogram ağırlığındaki bir plazma reaktörünün saatte 14 gram oksijen üretebileceğini gösteriyor. Öte yandan, MOXIE sistemi gibi 15 kilogramlık bir reaktör, saatte yalnızca 5.5 gram sentezlenen oksijeni yönetebilir. Genel olarak, plazma ile çalışan bir sistem, MOXIE benzeri bir sisteme kıyasla Mars’a gönderilen bir kilogram makine başına saatte altı kat daha fazla oksijen üretebilir.
Ancak, hala üstesinden gelinmesi gereken birkaç zorluk var. Birincisi, büyük bir plazma sistemi tarafından üretilen oksijen Mars’ta nerede depolanacak? Ayrıca, plazma membran teknolojisi, araştırma camiasında halen devam eden bir çalışmadır. Bir diğer önemli engel de teoriden pratikliğe geçiştir.
Plazma teknolojisinin, aslında MOXIE deneyine daha yetenekli bir alternatif olduğunu kanıtlamak için önce Mars’ta gösterilmesi gerekecek. Bunu yapmak için çok fazla fon, NASA desteği ve tabii ki Mars toprağına inmek için bir rokete binmek gerekir. New Scientist’teki bir rapora göre , ekip önümüzdeki birkaç yıl içinde plazma ile çalışan oksijen sentez sistemlerinin çalışan bir prototipini oluşturmayı umuyor.
