Possiamo parlare di numerose problematiche riguardarti una futura colonizzazione su Marte, ma la più pura ed essenziale rimane unicamente una: l’acqua.
Marte agli albori-Immagine sotto licenza CC BY SA 3.0
Il nostro corpo è fatto da circa l’80% di acqua, l’acqua è vita e serve al nostro organismo per una miriade di processi metabolici, tutti fondamentali. In più, l’acqua è un elemento essenziale per tutte le forme di vita, come quelle vegetali, che forniranno cibo e ossigeno alla futura colonia marziana e perché no, anche quelle che non vediamo, come batteri e altre forme di vita unicellulari che trovano largo impiego al giorno d’oggi in agricoltura, ecologia, industria e medicina.
I problemi connessi all’acqua su Marte sono molteplici e non sono collegati solo alla sua reperibilità sul pianeta rosso: questi iniziano infatti sin dalla partenza dell’ipotetica nave interplanetaria. Ma andiamo con ordine e vediamo prima cosa sappiamo sull’acqua marziana.
Dove sei H2O?
La scoperta dell’esistenza di acqua su marte fu ipotizzata molto prima dell’era dei viaggi spaziali; già nel 1600 i primi telescopi potevano vedere delle calotte ai poli marziani che per alcuni scienziati dell’epoca altro non erano che acqua allo stato solido, similmente a come avviene sulla Terra. Questa ipotesi venne messa in discussione due secoli dopo, quando fu osservato che sulla superficie marziana non c’era traccia apparente di acqua allo stato liquido: di conseguenza le calotte polari dovevano essere fatte da anidride carbonica e non da acqua, probabilmente a causa di una particolare atmosfera presente sul pianeta che non permetteva la presenza di acqua liquida.
Ghiaccio presente al polo Nord marziano, foto del Mars Reconnaissance Orbiter
NASA/JPL-Caltech/MSSS
I dati ricavati nel 1965 dalla sonda Mariner 4 confermarono l'ipotese precedente: le rilevazioni permisero di valutare la pressione atmosferica di Marte, troppo bassa per consentire la presenza di acqua alla stato liquido. Le calotte polari marziane sono quindi costituite principalmente da CO2 allo stato solido, anche se dati più recenti hanno dimostrato la presenza di strati di acqua alla stato solido subito al di sotto di esse. Cosa ancora più importante, mentre in inverno entrambi i poli sono ricoperti da ghiacciai di anidride carbonica, in estate è presente in superficie una parte di calotta di del ghiaccio di acqua al polo nord, mentre al polo sud questo fenomeno è meno costante.
Più recente invece la scoperta che in realtà l’intero sottosuolo marziano presenta vaste distese di acqua allo stato solido, al di sotto del quale potrebbe trovarsi acqua liquida. Queste sono per lo più irraggiungibili e/o inutilizzabili a causa della profondità a cui si trovano: tuttavia un barlume di speranza si è acceso nel 2016 grazie alla scoperta di un ghiacciaio spesso da 50 ad oltre 800 metri situato sotto una regione pianeggiante di Marte chiamata Utopia Planitia.
Recurring Slope Lineae, foto del Mars Reconnaissance Orbiter
NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona
Ma la scoperta più eclatante riguarda le RSL (Recurring Slope Lineae), ovvero veri e propri solchi sulla superficie marziana che vanno dai 0,5 ai 5 metri, localizzati in prossimità di pendii montuosi, che simulano il decorso di ruscelli o fiumi. Questi ipotetici letti di fiumi sono stati fotografati dalla HiRISE montata sul Mars Reconnaissance Orbiter, la sonda che da circa 10 anni orbita intorno Marte trasmettendo informazioni sulla superficie e su possibili siti di atterraggio. Questi solchi sembrano comparire durante le stagioni più calde, per poi scomparire quando le temperature si fanno più rigide.
L'occhio su Marte
Gran parte delle informazioni che abbiamo su Marte e che sono espresse in questo articolo, sono state ricavate dal lavoro di questo piccolo gioiello della NASA, la sonda polifunzionale Mars Reconnaissance Orbiter. La sonda fu lanciata nel 2005 ed è ancora in funzione, inviandoci ogni giorno una quantità di immagini ed informazioni strabiliante. Tra gli strumenti di bordo, ne cito due che vengono nominati in questo post, la camera HiRISE e il radar SHARAD: la prima scatta fotografie ad alta risoluzione mentre il secondo studia la composizione dei poli marziani.
La sonda Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)
NASA/JPL/Corby Waste
High resolution imaging science experiment (HiRISE),ovvero l'occhio del MRO
NASA/JPL/Ball Aerospace
Passiamo ora a parlare delle diversi fasi del viaggio interplanetario e delle problematiche inerenti l'acqua che incontreremmo.
Fase 1: decollo
Reperire acqua su Marte è sicuramente un problema, ma assolutamente non il primo che una futura colonia marziana debba affrontare. Se consideriamo che per una colonia occorre tanta acqua per sostenere coloni, piante, macchinari, è logico supporre che la nave deve essere caricata con acqua supplementare sin dalla partenza per poter avviare i primi processi per poter rendere la colonia autosufficiente. I problemi legati al trasporto di acqua nello spazio sono molteplici, i primi due che mi vengono in mente sono il peso aggiuntivo ed il mantenimento. Trasportare migliaia di tonnellate di acqua in un viaggio di qualche anno (nella migliore delle ipotesi) per lo spazio significa appesantire tutta la struttura della nave, richiedendo una notevole mole di lavoro in più per adattare il progetto dal punto di vista aereodinamico, per installare soluzioni al mantenimento dell’acqua allo stato liquido, e per la richiesta aggiuntiva di carburante e forza propulsiva.
La soluzione: trasportare acqua allo stato liquido è estremamente dispendioso, si potrebbe pensare di trasportarla sotto forma gassosa per ridurre il volume occupato. Si potrebbe trasportare separatamente gli elementi che compongono l’acqua, ovvero idrogeno e ossigeno. Sappiamo che attraverso la reazione di elettrolisi possiamo scomporre acqua in idrogeno e ossigeno, una reazione dispendiosa in termini energetici ma abbastanza comune nell'industria. Quello che è poco comune è invece la reazione opposta: la sintesi di acqua a partire da idrogeno e ossigeno, ed il motivo è da ricercarsi nell'esplosione spaventosa che viene generata da questo tipo di reazione. Tuttavia, questo tipo di reazione potrebbe essere utilizzata con vantaggio.
La Stazione Spaziale Internazionale NASA/Crew of STS-132
Normalmente sonde e shuttle vengono mandati in orbita grazie a dei razzi pieni di carburante che danno forza propulsiva. Immaginate di utilizzare la reazione di sintesi tra idrogeno e ossigeno, per creare un esplosiva forza propulsiva, mentre allo stesso tempo, la reazione crea acqua che viene immagazzinata in specifici compartimenti della nave. Questo da un lato aiuterebbe a risolvere il problema di propulsione aggiuntiva, dall’altro quello del peso del trasporto di acqua. Queste reazioni chimiche vengono attualmente già utilizzate nell’OGS (Oxygen Generation System) della Stazione Spaziale Internazionale: le celle di carburante producono acqua partendo da idrogeno ed ossigeno, l’acqua viene scissa in ossigeno che viene rilasciato nella stazione e in idrogeno, che viene invece ritrasformato in acqua grazie con la reazione di Sabatier aggiungendo CO2. L’OGS è ottimizzato per produrre ossigeno e non acqua: in linea teorica si potrebbe quindi ottimizzare questo sistema per produrre acqua, anche quando la fase propulsiva è già terminata.
Fase 2: stoccaggio di acqua
Ammesso che si riuscisse a trasportare una quantità di acqua così enorme da garantire qualche mese di autosufficienza alla colonia, come si può conservare l’acqua allo stato liquido su un pianeta in cui a causa della pressione questa evapora istantaneamente oppure ghiaccia a causa della bassisima temperatura, che di media è sui -60 gradi?
La soluzione: il problema principale è l’atmosfera marziana, che non permette all’acqua di mantenersi in uno stato liquido. L’acqua va quindi stoccata in particolari depositi a pressione e temperature controllata. Depositi simili potrebbero essere giganti camere iperbariche modificate in cui pressione e temperature sono controllate dai coloni. L’energia per supportare questi depositi verrebbe da pannelli solari.
Camere a pressione e temperatura controllate permetteranno di conservare acqua allo stato liquido su Marte? -
Immagine sotto licenza CC SA 4.0
Fase 3: idrosufficienza della colonia
La nostra colonia è stabilita, ed è ora di pensare a come ottenere acqua da Marte sia per i coloni che per piante ed animali. Prima di vagliare le ipotesi per estrarre acqua, vale la pena spendere qualche parola sul riciclo di acqua. Come nella stazione spaziale, una colonia marziana deve essere dotata di impianti di riciclaggio dell’acqua: sistemi di depurazione che rendano potabile ed utilizzabile l’acqua contenuta nei prodotti di scarto del nostro corpo. L’utilizzo di caschi ed indumenti particolari potrebbero incrementare il tasso di recupero di acqua di una buona percentuale considerando l’acqua emessa tramite la respirazione, la sudorazione ed il parlare. Per quanto riguarda l’estrazione di acqua, le ipotesi sono:
Estrarre acqua dal terreno marziano: il suolo marziano contiene piccole quantità di acqua, paragonabile a quella presente del deserto di Atacama, uno dei luoghi più aridi del pianeta. Si parla di non più di 3 grammi di acqua per kg di terreno.
Estrarre acqua dai ghiacciai ai poli marziani: la difficoltà in questa operazione è principalmente la temperatura ai poli che tocca anche i -120° durante l’inverno, rendendo le operazioni estremamente difficoltose se non impossibili.
Estrarre acqua dai ghiacciai del sottosuolo: tralasciando la necessità di macchinari ed energia per svolgere complesse operazioni di scavo, il principale ostacolo a questa opzione è la forte salinità dell’acqua del sottosuolo marziano, paragonabile a quella del Mar Morto e quindi impossibile da desalinizzare. Il ghiaccio si forma dal vapore acquoso che per definizione non contiene sali; questi rimangono disciolti nell’acqua sottostante lo strato ghiacciato, rendendola molto densa. Lo strato di acqua ghiacciato si può utilizzare, ma il processo di scavo ed estrazione deve essere efficiente e quindi non si può scavare troppo in profondità.
Casa marziana ghiaccio-dipendente - Immagine sotto licenza CC SA 4.0
- Estrazione dai fiumi estivi, le RSL: anche se sappiamo ancora poco delle RSL, la teoria più accreditata è che questi fiumi estivi originino per lo più depositi di ghiaccio del sottosuolo e contengano sali come il solfato ferroso che li mantiene allo stato liquido nonostante l’atmosfera marziana.
La soluzione migliore è quello di estrarre acqua da una fonte ghiacciata situata quanto più vicino alla superfice marziana, come ad esempio nella zona dell Utopia Planitia. Dal ghiaccio si può ottenere acqua, sia bevibile che utilizzabile in un processo di elettrolisi per ottenere metano (quindi carburante) e ossigeno per creare un’atmosfera respirabile per i coloni.
Pensare fuori dagli schemi: la Water Space Station
Piuttosto che concentrarsi sulla colonia e su come questa debba sopravvivere su Marte, cercando l’autosufficienza, si dovrebbe pensare ad ideare dei sistemi che sono al di fuori della logica comune “terrestre”. Il trasporto e l’estrazione di acqua hanno numerosi problemi, ma se si potessero bypassare in parte?
Da anni abbiamo una stazione spaziale che orbita intorno al nostro pianeta: per quale motivo non si possono costruire due o più stazioni orbitanti che possano fare da pit-stop per il rifornimento d’acqua?
Il concetto tra l’altro mi sembra più attuabile che mai, dopo i recenti successi del progetto SpaceX di Elon Musk. Una stazione spaziale senza equipaggio umano potrebbe essere costruita in maniera da orbitare intorno la Terra. Questa stazione potrebbe contenere dei serbatoi di acqua, che possono essere riforniti con diversi brevi viaggi orbitali. La nave interplanetaria che deve trasportare l’occorrente per la colonia, una volta in orbita (e quindi con meno peso e meno carburante necessario rispetto le idee precedenti) potrebbe rifornirsi di acqua da questa stazione, e viaggiare verso Marte. Su Marte, esisterebbe una water space station parallela, che rifornisce periodicamente la colonia e viene rifornita o con viaggi direttamente dalla Terra (o perché no, da diverse stazioni intermedie) oppure potrebbe essere capace di creare acqua a partire da altre molecole. L’atmosfera marziana è ricca di CO2, se trasportassimo quella ed Idrogeno alla stazione, potremmo far avvenire stesso nello spazio la reazione che porterebbe alla creazione di acqua, avendo una scorta di questa praticamente illimitata.
Conclusione
I viaggi interplanetari sono una grossa sfida per l’essere umano, ma negli ultimi anni sono stati fatti passi da gigante in quel senso. E mi riferisco soprattutto a SpaceX che con i suoi Falcon Heavy è in grado di creare una rete di trasporto orbitale riusabile, aprendo a nuove strategie di approvvigionamento e lancio spaziale. La mia curiosità in questo ambito è infinita, per tanto voglio lanciare una sfida (ed uno spunto per il #davinci-contest su Marte) agli ingegneri, chimici e fisici presenti su steemit e chiedere:
- Come potrebbe funzionare una Water Space Station?
- Come potrebbe funzionare un sistema di stoccaggio dell’acqua in fase liquida su Marte?
- Come sarebbe strutturata un nave colonia per Marte?
Per altri post interessati su scienza e tecnologia, segui i tag #itastem #steemstem e #ita-science!
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Bibliografia
- Stuurman, C. M., G. R. Osinski, J. W. Holt, J. S. Levy, T. C. Brothers, M. Kerrigan, and B. A. Campbell (2016), SHARAD detection and characterization of subsurface water ice deposits in Utopia Planitia, Mars, Geophys. Res. Lett., 43, 9484–9491, doi:10.1002/2016GL070138.
- Leighton, R.B.; Murray, B.C.; Sharp, R.P.; Allen, J.D.; Sloan, R.K. (1965). "Mariner IV Photography of Mars: Initial Results". Science. 149 (3684): 627–630. doi:10.1126/science.149.3684.627
- Edwards, C. S., and S. Piqueux (2016), The water content of recurring slope lineae on Mars, Geophys. Res. Lett., 43, 8912–8919, doi:10.1002/2016GL070179.
- Oxygen Generation System – NASA
- Space X Falcon Heavy