Machbarkeit einer „Sauerstoffstrahlungszone“: eine drucklose natürliche Formation auf dem Mars, die eine geeignete Atmosphäre bietet

KONTEXT und EINFÜHRUNG

Menschen gründen Kolonien auf dem Mars mit etwas fortschrittlicherer Technologie als wir sie heute haben. Die Marskolonisten verlieren jeglichen Kontakt zur Erde. Im Laufe der Jahrhunderte entwickeln die Kolonisten des Mars eine eigene Kultur (mit Praktiken, Religion, Sprache usw.). Meine Geschichte spielt sich in dieser Kultur ab. Ein grundlegendes bestimmendes Element dieser Kultur ist Technophobie / technologischer Verfall (aus verschiedenen irrelevanten Gründen).

Ich habe zwei Probleme in Bezug auf die Atmosphäre des Mars, die die menschliche Besiedlung verhindern. Erstens ist die chemische Zusammensetzung der Marsatmosphäre ungeeignet: wenig O 2 und hohes CO 2 . Zweitens beträgt der atmosphärische Druck des Mars im Durchschnitt nur 600 Pascal, was für die menschliche Besiedlung ungeeignet ist. Irgendwie müssen meine Marsmenschen in der Lage sein, den Mars zu bewohnen und zu überleben (aber nicht zu gedeihen).

Wie bereits erwähnt, ist die Marsbevölkerung jedoch technophob. Ihre Technologie ist ziemlich primitiv, die technologische Entwicklung ist fast nicht vorhanden und die Technologie der allerersten Kolonien ist nicht reproduzierbar und/oder verloren. Terraforming kommt daher nicht in Frage. Ebenso fortschrittlichere Technologien wie Raumanzüge und unter Druck stehende Lebensräume.

DIE „SAUERSTOFFSTRAHLUNGSZONE“

Deshalb versuche ich, eine theoretische natürliche Formation zu entwerfen, die den Marsmenschen ein lokalisiertes bewohnbares Gebiet bietet.

Derzeit ist diese natürliche Formation eine drucklose „Sauerstoffstrahlungszone“. Sauerstoff wird aus dem Untergrund in einer Menge freigesetzt, die signifikant genug ist, um einen lokalen Bereich mit geeignetem atmosphärischem Druck und einer geeigneten Zusammensetzung zum Überleben (aber nicht zum „Gedeihen“) zu versorgen. Ich habe ein Diagramm beigefügt, um diese „Sauerstoffstrahlungszone“ besser zu beschreiben. Bitte betrachten Sie das Diagramm aus der Vogelperspektive.

Diagramm der SauerstoffstrahlungszoneDiagramm der Sauerstoffstrahlungszone

  1. „Sauerstoffleck“: Wo Sauerstoff aus dem Untergrund in erheblichen Mengen freigesetzt wird.

  2. „Lebenswertes Gebiet“: Das Gebiet innerhalb des schwarzen Kreises, in dem der atmosphärische Druck und die Zusammensetzung für das menschliche Überleben geeignet sind. Städte sind ringförmig gebaut und strahlen strahlenförmig vom „Sauerstoffleck“ aus.

  3. Der Umfang der „bewohnbaren Fläche“.

  4. „Übergangsgebiet“: wo atmosphärische Zusammensetzung und Druck allmählich zum Normalzustand des Mars zurückkehren. Diese Gegend ist unbewohnbar.

  5. Die Ausdehnung des „Übergangsbereichs“: wo die atmosphärische Zusammensetzung und der atmosphärische Druck nicht mehr von der Marsnormalen zu unterscheiden sind.

  6. Marsmensch normal.

HINWEIS: Im Diagramm sind die Bereiche gut definiert, aber ich stelle mir das Ganze als einen Druckgradienten vor, vom Hochdruck-'Sauerstoffleck' (1) zum Niederdruck-Marsnormal (6).

KOMPLIKATION: Winde

Mein Verständnis von Drucksystemen ist ziemlich einfach. Nach meiner Forschung bewegt sich Luft von einem Hochdruckgebiet zu einem Tiefdruckgebiet, was zur Erzeugung von Wind führt. Die Intensität dieser Winde wird durch den Druckgradienten bestimmt. Daher müsste der Druckgradient von (1) nach (6) allmählich sein, um unerwünschte starke Winde zu vermeiden. Ist das richtig? Wenn ja, wäre dieser allmähliche Druckgradient in der Fläche extrem groß?

KOMPLIKATION: Sauerstoffaustritt

Ich weiß, dass Sauerstoffmoleküle aufgrund der geringen Schwerkraft auf dem Mars aus dieser „Sauerstoffstrahlungszone“ entweichen würden. Die unterirdische Sauerstoffquelle, die ich theoretisiert habe, ist jedoch erneuerbar, und daher glaube ich, dass diese Komplikation gemildert wird, solange der Zufluss von Sauerstoffmolekülen mit dem Abfluss von Sauerstoffmolekülen übereinstimmt.

KOMPLIKATION: Staubstürme und Staubteufel

Der Mars wird in verschiedenen Jahreszeiten asymmetrisch erhitzt, was eine mittlere Umwälzzirkulation erzeugt, die als Hadley-Zelle bezeichnet wird. Kurz gesagt, diese Hadley-Zelle ist (unter anderem) für die Erzeugung von globalen Staubstürmen verantwortlich. Staubteufel sind lokalisierte Konvektionszellen, die an der Basis 1 bis 2 km erreichen und bis zu 8 bis 10 km hoch sein können. Wie würden diese Staubstürme und Teufel mit meiner „Sauerstoffstrahlungszone“ interagieren? Würden sie umgeleitet werden?

FAZIT und FRAGEN

Ich verstehe, dass diese „Sauerstoffstrahlungszone“ wissenschaftlich nicht bis ins kleinste Detail genau ist.

Ist mein Design einigermaßen wissenschaftlich machbar? Gibt es größere Komplikationen, die ich berücksichtigen muss?

Das ist eine Riesenfrage. Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, es zu lesen und mir Feedback zu geben.

Wenn Sie ein Gas in einem Vakuum freisetzen (oder in diesem speziellen Fall in einem Volumen mit sehr niedrigem Druck), dehnt es sich aus, um das Volumen zu füllen; Wenn diese Ausdehnung über große Flächen erfolgt, spricht man von Wind. Menschen können in einer Atmosphäre aus reinem Sauerstoff bei etwa 0,15 bis 0,2 atm leben, während die allgemeine Marsatmosphäre bei etwa 0,06 atm liegt. Dieser Druckunterschied von etwa 0,1 bis 0,14 atm erzeugt einen Wind mit Taifunstärke, der radial weht. Sie müssen genug Sauerstoff erzeugen, um einen unaufhörlich wehenden Taifun zu überstehen! Alle Stürme und Staubteufel außerhalb des Taifunrings sind viel zu schwach, um eine Rolle zu spielen.
Einfach nein. Eine ständig erneuerbare Sauerstoffquelle zum Ausgleich von Molekülen, die die Atmosphäre verlassen, ist per Definition unmöglich. Was wäre die Quelle? Woher hätte diese Quelle kommen sollen. Was würde mit dem Boden passieren, wenn die Quelle sowohl Masse als auch Volumen verliert?
@AlexP Eigentlich (Pedant-Alarm!) Freie Expansion eines Gases funktioniert nicht. Während also der Massenstrom groß ist, wird keine Arbeit geleistet, sodass keine „Kraft“ expandierender Gase zu spüren ist. Vertrauen Sie mir, ich habe meine Antwort zwei Stunden lang bearbeitet, bevor ich die Wissenschaft richtig verstanden habe.
@kingledion: Doppelter Pedant-Alarm: Joule-Erweiterung funktioniert nicht außerhalb des Systems . Das beste Beispiel ist ein Raketentriebwerk, das Hochdruckgas in das umgebende Vakuum entweichen lässt und so die Rakete antreibt. Wenn wir das System als die Rakete plus all den leeren Raum um sie herum betrachten, dann wird keine Arbeit geleistet; aber wir interessieren uns normalerweise nur für die Rakete.
Zu faul zum Rechnen (also keine Antwort), aber die einzige Möglichkeit, die ich sehe, ist, dass Ihre Leute in einer tiefen Depression leben. So wie der Druck mit der Höhe abnimmt, steigt er mit der Tiefe. Mit einem ausreichend tiefen "Loch" könnten Sie einen nutzbaren Druck haben, während Sie sich im Gleichgewicht mit dem Rest der Atmosphäre befinden. Dies erhöht auch die lokalen Temperaturen und liefert eine bequeme Entschuldigung, warum Sauerstoff an dieser geeigneten Stelle freigesetzt wird.
Können sich Ihre Menschen nicht entwickelt haben, um mit dem Unterdruck fertig zu werden? Dann brauchen Sie nur noch einen C02->02-Umwandlungsmechanismus, wie Pflanzen ...
Warum gibt es kein partielles Terraforming? Terraforming-Bemühungen beginnen und dann geht etwas schrecklich schief. Es wird dann dazu führen, dass die Kolonisten Technologie hassen, also zerstören sie die Terraforming-Maschinen und hinterlassen eine instabile Umgebung wie diese. Der Sauerstoff könnte die Überreste einer O2-Anlage unter der Oberfläche sein.

Antworten (3)

Nicht durchführbar; braucht zu viel Sauerstoff

Freie Expansion ist ein Prozess, bei dem sich ein Gas in ein Vakuum ausdehnt. Ihre Marsatmosphäre ist nicht ganz ein Vakuum, aber sie ist nahe genug im Vergleich zu dem Luftdruck, der für Ihre Leute zum Atmen erforderlich ist.

Die Mathematik hinter der kostenlosen Erweiterung ist

P ich P f = v f v ich ,

das Verhältnis der Volumenzunahme ist der Kehrwert der Druckabnahme. Wir können die Ausdehnung des Gases als Halbkugel modellieren (ohne Gravitation, oops!). Das Volumen als Funktion des Radius ist

2 3 π r 3 .

Die freie Expansion von Gas ins Vakuum wird mit der mittleren Geschwindigkeit der Teilchen ablaufen. Die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen basiert auf der Maxwell-Boltzmann- Verteilung und ist

μ = 2 2 k T π m ,
wo k ist die Boltzmann-Konstante ( 1.38 × 10 − 23 J/K), T ist die Temperatur (nehmen wir 210 K als durchschnittliche Oberflächentemperatur) und m ist die Masse eines Sauerstoffmoleküls ( 2.66 × 10 − 23 kg). Wenn wir diese Zahlen einsetzen, erhalten wir eine Expansionsgeschwindigkeit von 17 m/s. Jede Sekunde vergrößert sich der Radius des sich ausdehnenden Sauerstoffs um 17 Meter.

Wenn der Sauerstoffradius zunimmt, nimmt das Sauerstoffvolumen um die dritte Potenz dieser Zahl oder einen Faktor von fast 5000 zu. Wir sehen aus der freien Ausdehnung, dass der Druckabfall das Gegenteil der Volumenzunahme ist, sodass der Druck abfällt Faktor 5000 von einem 1 Meter entfernten Punkt zu einem 17 Meter entfernten Punkt.

Aber das ist nur für die erste Sekunde. Lassen Sie uns einen konstanten Sauerstoffleckwert einstellen. Der Amazonas entlädt 200.000 m 3 pro Sekunde, verwenden wir diesen Wert. Wir müssen dies in eine Anzahl von Molekülen umwandeln, da die Dichte dieses Gases variabel sein wird. 200.000 m 3 von Sauerstoff bei STP wäre etwa 8.9 × 10 6 mol.

Unter Verwendung der freien Expansionsformel und des idealen Gasgesetzes können wir einen durchschnittlichen Druck für jede halbkugelförmige Scheibe des sich ausdehnenden Gases mit einem Durchmesser von einem Meter berechnen. Der Druck in 15 Metern Entfernung beträgt beispielsweise 11 bar.

Nehmen wir an, der atembare Bereich reicht von 0,3 bar (das ist der Druck, der von der Raumsonde Gemini als 100 % Sauerstoff verwendet wird) bis 0,1 bar (das ist der Sauerstoffpartialdruck auf etwa 4000 Metern). Der Abstand für 0,3 bar beträgt 45 Meter, der Abstand für 0,1 bar 65 Meter.

Fazit

Es gibt eine 20 Meter breite Sicherheitszone, in der Sie operieren können, 45 Meter von der Sauerstoffquelle entfernt. Dies ist jedoch mit einem amazonischen Gaseintrag in die Atmosphäre verbunden. 285000 kg Gas pro Sekunde hinzuzufügen ist nicht sinnvoll. Nehmen wir an, wir lassen die Zahlen von 285 kg pro Sekunde fallen. Anstelle der Reichweite von 45 bis 65 Metern beträgt die Sicherheitszone jetzt 5 bis 7 Meter.

Die Marsatmosphäre ist immens, bei der höheren Amazonas-Rate wird es immer noch 55000 Jahre dauern, um die Marsatmosphäre mit Sauerstoff auf ein atembares Niveau zu füllen. Aber wo bekommt man so viel Sauerstoff her? Welcher Mechanismus könnte fast 300 Tonnen Sauerstoff pro Sekunde erzeugen?

Die eigentliche Frage ist, wo kommt all dieser Sauerstoff her? Ohne eine Möglichkeit, das zu erklären, muss ich dies als unrealistisch bezeichnen.

@dreadzone11 Du brauchst sehr viel Sauerstoff über sehr lange Zeit, egal welches Speichersystem. Ob dies im Kontext Ihrer Welt realistisch ist, liegt bei Ihnen.
Der menschliche Lebensbereich beträgt 0,1 bis 1,5, nicht 0,1 bis 0,5 bar Sauerstoff und 0,01 bis 0,15 bar Kohlendioxid, wenn wir Menschen schlafen lassen wollen (in Abwesenheit von Kohlendioxid aus der Umgebung müssen Sie ständig daran denken, zu atmen).

Die einzige Möglichkeit, dies zum Laufen zu bringen, besteht darin, tief in den Untergrund zu gehen und große Höhlenstrukturen mit begrenztem Zugang zur Außenwelt zu haben. Dies könnte eine realistischere Produktion von Sauerstoff ermöglichen, der langsamer entweicht und somit einen überlebensfähigen Druck in der Höhle hat.

Natürlich hast du jetzt das Problem kein Tageslicht..

Ein besserer Weg könnte sein, Druckkuppeln und Anzüge zu haben, aber die Bewohner wissen nicht, wie sie funktionieren. Die Wartung von Anzügen und Kontrollen vor dem Gebrauch wären religiösen Ritualen ähnlich, ebenso wie Reparaturen an den Kuppeln usw. Sie sehen sie nicht einmal als Technologie, sie sind nur ein Teil der Funktionsweise der Welt, mit der sie immer gelebt haben und die sie nicht erfüllt haben Öl dem Anzug richtig opfern Gott hat eine lebendige und denkwürdige Strafe von den Göttern; wenn das Gelenk versagt und der Bewohner einem Vakuum ausgesetzt ist. Abtrünnigen geht es gut, wenn sie die Hauptmieter behalten (wichtige Sicherheitskontrollen und Wartung) und sterben, wenn sie es nicht tun.

Eine letzte Option wäre, den Mars teilweise terraformieren zu lassen, genug, um eine (vielleicht Niederdruck-, aber lebenswerte) Atmosphäre zu haben. Dazu gibt es eine Reihe von Vorschlägen, darunter https://phys.org/news/2017-03-nasa-magnetic-shield-mars-atmosphere.html

Sie fanden heraus, dass ein am Mars L1 Lagrange Point positioniertes Dipolfeld in der Lage wäre, dem Sonnenwind entgegenzuwirken, sodass die Marsatmosphäre ein neues Gleichgewicht erreichen würde. Gegenwärtig wird der atmosphärische Verlust auf dem Mars bis zu einem gewissen Grad durch vulkanische Ausbrüche aus dem Inneren und der Kruste des Mars ausgeglichen. Dies trägt zu einer Oberflächenatmosphäre mit einem Luftdruck von etwa 6 mbar bei (weniger als 1 % des Luftdrucks auf Meereshöhe auf der Erde).

Die NASA schlägt eine magnetische Abschirmung zum Schutz der Marsatmosphäre vor Früher hatte der Mars ein ähnliches Magnetfeld wie die Erde, was verhinderte, dass seine Atmosphäre abgestreift wurde. Kredit: NASA Infolgedessen würde sich die Marsatmosphäre im Laufe der Zeit auf natürliche Weise verdicken, was zu vielen neuen Möglichkeiten für die Erforschung und Besiedlung durch den Menschen führen würde. Laut Green und seinen Kollegen würde dies einen durchschnittlichen Anstieg von etwa 4 °C (~7 °F) beinhalten, was ausreichen würde, um das Kohlendioxideis in der nördlichen Polkappe zu schmelzen. Dies würde einen Treibhauseffekt auslösen, der die Atmosphäre weiter erwärmen und das Wassereis in den Polkappen zum Schmelzen bringen würde.

Danke, Sie haben gerade einen Weg gefunden, widerwillige Muslime einzuladen, auf dem Mars zu leben. Jetzt müssen Sie einen Weg finden, Ihre religiösen Techniker zu erziehen.
Ich bin mir nicht sicher, warum Sie Muslime als religiöses Vorbild auswählen. Es gibt viele seltsamere Beispiele da draußen.
Denn Muslime sind diejenigen, die sich gewaltsam ausbreiten. Und es gibt Milliarden von ihnen.
@ErkinAlpGüney Alle Zweige der abrahamitischen Religionen tun das, wobei das Christentum wohl am erfolgreichsten ist. Letztendlich sind alle Religionen parasitäre Meme und nur Parasiten, die es schaffen, sich selbst zu verbreiten, überleben, also sollten wir uns nicht wundern, dass alle großen Religionen in irgendeiner Form ansteckend sind, auch wenn die genaue Art und Weise, wie sie sich verbreiten, unterschiedlich ist.

Ja, es ist möglich. Bedenken Sie, dass man sich am Grund eines Tals näher am Massenschwerpunkt des Planeten befindet, daher kann die Schwerkraft relativ stärker sein, was sich auf den lokalen atmosphärischen Druck auswirken könnte.

Schwerkraft gegen Abstand vom Zentrum

Auf der Erde haben wir keine Täler, die tief genug sind, um dramatische Unterschiede zu erleben, aber auf dem Mars haben wir ein solches Merkmal: Valles Marineris.

Bis zu einer Tiefe von 7 km beträgt der Druck an seinem Grund etwa 0,168 psi, während der durchschnittliche atmosphärische Druck auf dem Mars 0,087 psi beträgt. Etwa das Doppelte, wie Sie sehen.

Immer noch nicht hoch genug, um im T-Shirt spazieren zu gehen, aber wenn die Atmosphäre auf dem Mars dichter wäre, wäre es der erste Ort, an dem bewohnbare Bedingungen erreicht würden.

(Diese Antwort wurde ursprünglich auf diese Frage gepostet und hier gepostet, da sie auch diese beantwortet. Credits @Willk für den Hinweis)

Vielleicht haben die Alten den Boden dieses uralten Risses ausgegraben und ihn dadurch noch tiefer gemacht. Je tiefer es ist, desto mehr Atmosphäre ist oben und desto höher ist der Druck. Man könnte sagen, dass diese Ausgrabungen auf uralte Gastaschen stießen, Relikte der ursprünglichen Marsatmosphäre, die im Untergrund eingeschlossen waren. Die Siedlung am Boden des Grabens ist fast eindimensional – eine schmale Linie, die von den Mauern eingesäumt wird. Es verlangt weniger, diesen tiefen, schmalen Bereich mit Atmosphäre zu versorgen. Außerdem wäre es verdammt klaustrophobisch!
Ich denke, das ist eine gute Antwort - es funktioniert, es gibt nichts zu brechen, und Sie müssten nicht einmal die Luft ersetzen (irgendwann). Wenn Sie auf dem Mars ein 80 km tiefes Loch graben, ist der Luftdruck am Boden nach meiner Berechnung auf der Rückseite des Umschlags derselbe wie in Denver, obwohl es im wirklichen Leben nicht atembares Kohlendioxid wäre. ( en.wikipedia.org/wiki/Barometric_formula ). Aber das hat nichts mit unterschiedlicher Schwerkraft zu tun; Es ist nur so, je tiefer man ist, desto mehr Luft drückt von oben nach unten und desto höher ist der Druck.
Machbarkeit einer „Sauerstoffstrahlungszone“: eine drucklose natürliche Formation auf dem Mars, die eine geeignete Atmosphäre bietet
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