Wie lässt sich das CO₂-Vorkommen in der Nähe des Mars-Südpols am wirtschaftlichsten verdampfen?

Die in den Kommentaren zitierte Forschung zeigt, dass dies in der Tat eine schlechte Idee ist und nicht das beabsichtigte Ergebnis erzielen würde, aber wenn entschieden würde , dass das CO2 verdampft werden sollte, ist es höchst unwahrscheinlich, dass aktive Methoden am wirtschaftlichsten wären.

Mit "aktiven Methoden" meine ich, dass wir die Wärme zum Verdampfen erzeugen müssen, beispielsweise durch Verbrennung, Kernreaktionen usw. Eine "passive" Methode wäre eine, die natürlich verfügbare Wärme umleitet oder konzentriert, wie z. B. Sonnenenergie , Geothermie usw.

In meiner Antwort auf diese Frage fasse ich zusammen und stelle Links zu Quellen bezüglich des Konzepts einer "Polesitter" -Umlaufbahn, einer hochgradig nicht-keplerischen Umlaufbahn, bereit. Ein solcher Polesitter kann ein Sonnensegel verwenden, um die Polarregion eines Planeten im Blick zu behalten, wie in Abb. 1 unten gezeigt. Ich habe die Gravitationskraft aufgrund der Sonne und die Zentrifugalkraft aus der heliozentrischen Umlaufbahn weggelassen, da dies relativ kleine Kräfte sind, es sei denn, der Pole-Sitter befindet sich in großer Entfernung vom Planeten. Die Diskussion dreht sich auch um das CO2-Reservoir am Südpol ; Nehmen Sie in meinen Zahlen an, dass Norden unten ist .

Elektrischer Antrieb kann auch eine Pole-Sitter-Umlaufbahn aufrechterhalten, aber in diesem Fall würden wir das reflektierte Sonnenlicht von einem Sonnensegel verwenden, und es wäre kein Treibmittel erforderlich, ein erheblicher Vorteil, wenn das Projekt Jahrhunderte dauert.

In diesem Fall kann das Segel so konstruiert werden, dass es seine reflektierte Sonnenenergie auf den Südpol des Mars konzentriert, die Durchschnittstemperatur dort erhöht und schließlich das CO2 verdampft. "Irgendwann" bedeutet wahrscheinlich Jahrzehnte oder Jahrhunderte; es kommt auf die Segelgröße an. Ein solches Segel würde (in Bezug auf die Masse) nicht viel von einem Raumfahrzeug benötigen, um es zu steuern, sodass sich die Gesamtflächendichte des Systems der Grenzflächendichte des Segels und seiner Stützstruktur annähern würde.

Diese geringe Dichte ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens: Dieses Segel wird groß sein . Wenn Sie über das Verdampfen von 12.000 Kubikkilometern CO2 sprechen, wird jede Methode, die Sie verwenden, etwas beinhaltenim großen Stil. Die Menge an Sonnenlicht, die Sie zum Pol umleiten müssten, ist sehr groß, und das erfordert eine große reflektierende Fläche. Eine geringere Dichte bedeutet weniger Masse, die zum Bau des Systems erforderlich ist. Zweitens: Je geringer die Flächendichte des Systems ist, desto höher kann ein Pole-Sitter die Winkelhöhe über dem Horizont des Pols erreichen, sodass die Energieverteilung besser ist. In Abb. 2 unten bedeutet dies, dass der Winkel zwischen dem grünen „Blickwinkel“-Pfeil und der Rotationsachse des Planeten kleiner ist. Es könnte sich herausstellen, dass aufgrund der Zunahme des strukturellen Massenanteils, wenn das Segel eine bestimmte Größe überschreitet, eine Konstellation kleinerer Segel besser sein könnte.

Es gibt ein Problem, dem die Designer gegenüberstehen würden. Die Sonne-Planet-Pol-Sitter-Geometrie hängt nicht von der Schiefe des Planeten ab , der Neigung seiner Äquatorialebene in Bezug auf seine Bahnebene, sodass der Pol-Sitter immer etwas weiter von der Sonne entfernt ist als der Planet. Dies ist erforderlich, damit sich alle verschiedenen Kraftvektoren (Schwerkraft, Zentrifugalkraft, Segelkraft usw.) richtig addieren. Diese Geometrie dreht sich mit der Umdrehung des Mars um die Sonne, um den Pole-Sitter auf der der Sonne abgewandten Seite des Mars zu halten. Die Neigung des Mars beträgt ~25 Grad, nur ein bisschen größer als die der Erde, und diese Neigung tut es nichtrotieren mit der Umdrehung des Mars um die Sonne. Für einen Teil eines Marsjahres wäre der Pol mehr oder weniger auf den Polsitter ausgerichtet, was eine gute Beleuchtungsgeometrie ergibt, wie in Abb. 2 gezeigt. Aber ein halbes Marsjahr später wäre der Pol mehr auf die Sonne ausgerichtet, und die Pole-Sitter würde die Polarregion in der Nähe (oder sogar jenseits) des Randes des Planeten sehen, wie in Abb. 3 gezeigt. (Ups. Ich habe gerade bemerkt, dass ich vergessen habe, die Richtung des Pfeils „Sonnenlicht“ in Abb. 3 zu ändern. Es sollte nach links zeigen, nicht nach rechts.) Dies führt zu einer schlechten oder sogar unmöglichen Beleuchtungsgeometrie. Der Energieeintrag für die Verdampfung kann sehr saisonabhängig sein.

Es gäbe mehrere Trades, die bei der Gestaltung dieses Systems analysiert werden müssten, wie etwa der Trade „ein großes Segel oder viele kleinere Segel“. Ich habe nichts davon getan ! (Wie Gomer Pyle sagen würde: Soo - PREIS , soo-PREIS! ) Ich werde warten, bis mich einer meiner Kunden für diesen Job bezahlt.

Die geothermische Option ist faszinierend. Da wäre auch etwas groß angelegtes Engineering drin. Würde es Auswirkungen auf geologische Gefahren geben, wenn ein beträchtlicher Teil des Marsmantels abgekühlt würde?

Sie werden vielleicht bemerken, dass ich dazu neige, Methoden zu vermeiden, die große Massen von Steinen, Schmutz, Staub und Eingeborenen in die Luft schleudern, dh riesige Explosionen. Aber es gibt Methoden, die solche beinhalten, einschließlich nuklearer Explosionen innerhalb des CO2-Reservoirs oder das Aufprallen eines kleinen Asteroiden oder Kometen auf das Reservoir usw., und diese Methoden haben den Vorteil, dass das Projekt in relativ kurzer Zeit abgeschlossen wird – und sie auch einige deutliche Nachteile haben. (Nebenvorteil für den Kometen: viele flüchtige Stoffe, einschließlich Wasser!) Die Änderung der Umlaufbahn eines wenige Kilometer großen Kometen oder Asteroiden für einen Einschlag könnte am Ende billiger sein als die Pol-Sitter-Lösung ... aber Sie würden es tun besser niemanden auf dem Mars leben lassen, wenn Sie das tun !

Zunächst einmal ist das Verdampfen von 12.000 Kubikkilometern CO2 auf einem anderen Planeten überhaupt nicht „wirtschaftlich“ (im Sinne von „billig“)! Selbst wenn die Einzahlung einen "Schalter" hätte, den Sie nur berühren müssten, um ihn zu aktivieren, würde eine Robotermission zum Mars, um diesen Schalter zu betätigen, Millionen kosten :) Das wird eine Menge Arbeit erfordern ... aber wie viel genau?

Wie viel Energie wir brauchen

Ich würde damit beginnen, die Energie zu berechnen, die benötigt wird, um diese CO2-Ablagerung zu verdampfen. Wir brauchen genug Energie, um das CO2 auf die Temperatur zu erhitzen, bei der es verdampft, plus die Energie, um es tatsächlich zum Verdampfen zu bringen (Enthalpie). Um dies zu berechnen, müssen wir die aktuelle CO2-Temperatur und den Druck kennen, einen Blick auf das CO2-Phasendiagramm werfen und auch die Gesamtmasse kennen, die wir verdampfen wollen.

Laut diesem Artikel beträgt die Masse dieser Ablagerung 2,4 x 10$^1$$^6$kg (und das Volumen beträgt nach einer revidierten Schätzung tatsächlich 14800 Kubikkilometer).

Was die Temperatur betrifft, heißt es in diesem Artikel, dass die mittlere jährliche Oberflächentemperatur 155 K beträgt. Wir machen hier eine vereinfachende Annahme und nehmen an, dass alle Ablagerungen diese Temperatur haben (sie könnte tatsächlich höher sein, also einfacher zu verdampfen: siehe Geothermischer Gradient und diese Antwort hier ).

In dem Artikel erwähnen sie, dass der durchschnittliche Oberflächendruck des Mars 610 Pa beträgt. Ich werde eine sehr vereinfachende Annahme treffen und sagen, dass das gesamte CO2-Eis, das wir verdampfen werden, diesen Druck haben wird (stellen Sie sich vor, wir würden es Schicht für Schicht verdampfen und irgendwie den atmosphärischen Druck konstant zu halten ...).

In anderen Artikeln [Quelle?] wird auch erwähnt, dass CO2 unter diesen Bedingungen (155 K, 610 Pa) tatsächlich sublimiert. Wenn Sie sich nach dem CO2-Phasendiagramm umsehen, sieht es oft so aus:

Leider ist unsere Region of Interest mit sehr niedrigem Druck und Temperatur nicht dargestellt. Auch die Bestimmung der Sublimationsenthalpie unter diesen Bedingungen hat sich als schwierig erwiesen. Der beste Nahwert, den ich gefunden habe, ist in diesem Artikel , der einen anderen Artikel mit einem Wert von 613 kJ / kg latenter Sublimationswärme bei 121 K erwähnt. Das sind 34 K weniger als das, was wir brauchen, und leider habe ich keine Schätzung darüber Wert könnte weit weg sein. ( Warnung! Unsere endgültige Schätzung könnte weit daneben liegen! )

Wie auch immer, vorausgesetzt, dies ist korrekt genug, benötigen wir 2,4 x 10$^1$$^6$* 613 = 1,47 x 10$^1$$^9$kJ, um die CO2-Ablagerung zu verdampfen.

Gehen Sie nuklear!

Zum Vergleich: Die Zarenbombe , die stärkste Atomwaffe, die je gebaut wurde, hatte eine Sprengkraft von 210 Pj (PJ = 10$^1$$^5$J). Wir bräuchten also ungefähr 70 davon, um das gesamte CO2-Eis zu verdampfen (vorausgesetzt, wir könnten die gesamte Atomwaffenleistung als Wärme in das Eis umleiten – eine sehr unrealistische Effizienzschätzung).

Leider wiegt eine einzelne Tsar Bomba 27000 kg, und keines der derzeitigen orbitalen Startsysteme scheint in der Lage zu sein, dieses Gewicht zum Mars zu transportieren. Der Liste nach zu urteilen, scheint die Falcon Heavy die beste Wahl zu sein, die 16800 kg zum Mars tragen kann. Nehmen wir an, wir könnten kleinere Tsar Bomba mit linearer Reduzierung ihrer Leistung bauen, dh eine kleine Tsar Bomba mit einem Gewicht von 16800 kg und einer Leistung von 130 PJ. Wir bräuchten ungefähr 113 dieser "kleinen Tsar Bomba", also 113 Falcon Heavy-Starts.

Laut https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_Heavy#Launch_prices können Sie einen vollständig verbrauchbaren Falcon Heavy Launch für 150 Millionen bekommen. Das bedeutet, dass Sie all diese Bomben für nur 16950 Millionen Dollar starten können, weniger als 17 Milliarden .

Dies könnte billiger sein als die Entwicklung massiver Sonnensegel oder riesiger Spiegel mit einem Radius von 100 km .

Bedenken Sie auch:

VORTEILE:

• Elon Musk befürwortet die Terraformung des Mars durch thermonukleare Waffen , sodass Sie möglicherweise Rabattpreise erhalten

• Vielleicht müssen Sie nicht alles verdampfen, Sie müssen nur einen Teil davon verdampfen und dann haben Sie das Mars-Gleichgewicht destabilisiert, so dass der Rest von selbst verdampft (dh als einfaches Beispiel erwähnt der erste Artikel drei Schichten von Wassereis, das die Ablagerung stabilisiert. Was ist, wenn Sie genug verdampfen, damit alle diese Schichten verschwunden sind?)

NACHTEILE:

• Wir gingen davon aus, dass die gesamte Energie der Bomben in die Verdampfung des CO2-Eis fließt

• Wir haben einfach angenommen, dass Eis einfach verdampft und verschwindet (dh wir haben nicht wirklich modelliert, wie das bereits verdampfte Eis die Bedingungen für die Verdampfung des Rests verändern würde, noch haben wir die umgebende Atmosphäre, Wasser, Felsen usw. modelliert).

• Wir haben die Entwicklungs-/Herstellungskosten für diese Bomben nicht berücksichtigt

• Möglicherweise benötigen Sie zusätzliche Maschinen/Überlegungen, um die Bomben so zu koordinieren, dass sie die Lagerstätte koordiniert treffen (Sie möchten nicht nur ein bisschen davon verdampfen ... und sehen, wie sie sich wieder auf Eis ablagert, bevor die nächsten Bomben einschlagen).

• Wir haben nicht berücksichtigt, was sich auf dieser Ablagerung befindet (eine Schicht Wassereis, schätze ich), und das müssen wir auch verdampfen.

Aber das ist schließlich nur eine grobe Grundlinie.... viel Spaß und nicht zu Hause ausprobieren :)

Warum nicht einfach mit einem Asteroiden einschlagen? Mit anderen Worten, verwenden Sie Asteroiden-Umleitungsmanöver, um einen Asteroiden in die Lagerstätte zu schicken und dadurch Trümmer in die Atmosphäre zu befördern.

Betrachtet man die Menge an CO ₂ , die wir verdampfen wollen, müssen wir mit einem hohen Energiebedarf rechnen. Wenn wir freundlicherweise den von BlueCoder berechneten Energiebedarf stehlen, sehen wir, dass dieser in der gleichen Größenordnung liegt wie die in den globalen Uran-238-Reserven gespeicherte Energiemenge. ^{[ 1 ]} Dies würde eine passive Methode einer aktiven vorziehen.

Von den passiven Methoden wäre mein persönlicher Favorit die künstliche Magnetosphäre.

Computermodelle der NASA zeigen, dass die Platzierung eines 1-2-Tesla-Magneten bei L1 den Mars vor einem Teil des einfallenden Sonnenwinds schützen könnte. ^{[ 2 ]} Aus diesem Grund hat der Mars überhaupt den größten Teil seiner Atmosphäre verloren. Mit dieser Abschirmung wird die Atmosphäre im Laufe der Zeit langsam dicker, wodurch die Temperatur langsam ansteigt. Was wiederum zu mehr Verdunstung führt und eine Kettenreaktion auslöst, bis die CO ₂ -Vorräte aufgebraucht sind.

Obwohl es nicht der schnellste Ansatz wäre, wäre es sehr kostengünstig. Und als zusätzlichen Bonus schaffen Sie einen gewissen Schutz für die neuen Kolonisten.