زندگی روی ماه چگونه ممکن میشود؟ از پایگاه قمری ناسا تا تولید غذا از غبار سیارکها
ناسا برای حضور نیمهدائمی انسان روی ماه در دهه ۲۰۳۰ برنامهریزی کرده است؛ اما اکسیژن، غذا، سوخت، ساختوساز و تابآوری در برابر شرایط سخت فضا، چالشهای اصلی این رؤیای بزرگ هستند.
در سالهای اخیر، فضا بار دیگر به یکی از موضوعات پررنگ فرهنگ عمومی و گفتوگوهای علمی تبدیل شده است؛ از فیلم علمیتخیلی پرهزینه «پروژه هیل مری» (Project Hail Mary) گرفته تا مأموریت اخیر مدارگردی ماه در چارچوب «آرتمیس ۲» (Artemis 2) و حالا برنامه تازه اعلامشده ناسا (NASA) برای ایجاد یک پایگاه قمری. بر اساس جدول مرحلهبهمرحلهای که ناسا منتشر کرده، اگر همه چیز مطابق برنامه پیش برود، در دهه ۲۰۳۰ باید شاهد حضور «نیمهدائمی» فضانوردان روی ماه باشیم.
اما زندگی در فاصلهای چنین دور از زمین، فقط به فرود موفق روی سطح ماه خلاصه نمیشود. ماه نه اکسیژن قابلتنفس دارد، نه غذا روی سطح آن یافت میشود و نه زیرساخت آمادهای برای زندگی انسان وجود دارد. فضانوردان باید بخش زیادی از مواد، تجهیزات و فناوریهای مورد نیاز خود را همراه ببرند یا راهی پیدا کنند که از منابع موجود در خود ماه استفاده کنند. همین مسئله باعث شده پژوهشگران به ایدههایی فکر کنند که در نگاه اول عجیب و حتی علمیتخیلی به نظر میرسند؛ از استخراج آب یخزده در دهانههای تاریک ماه تا تولید غذا از کربن موجود در غبار سیارکها.
برنامهریزی فضایی؛ شرط اول ساخت پایگاه قمری
هاو چن (Hao Chen)، دکتر و استادیار موسسه فناوری استیونز (Stevens Institute of Technology) در ایالت نیوجرسی، از پژوهشگرانی است که روی «لجستیک فضایی» کار میکند؛ یعنی جریان انتقال منابع، تجهیزات، مواد و اطلاعات در مأموریتهای فضایی. به گفته او، موفقیت یک مأموریت بزرگ قمری قبل از هر چیز به برنامهریزی دقیق وابسته است.
چن توضیح میدهد پرسشهایی که ذهن او را درگیر میکنند از این جنساند: «چگونه برنامهریزی کنیم؟ چگونه زمانبندی انجام دهیم؟ چه زمانی پرتاب کنیم و از کجا به کجا برویم؟»
این پرسشها در ظاهر سادهاند، اما برای ساخت یک پایگاه روی ماه حیاتی هستند. ناسا پیشبینی کرده است که برای مأموریت ایجاد پایگاه قمری، دستکم ۸۱ پرتاب موشکی لازم خواهد بود. چنین عددی نشان میدهد پایگاه قمری یک پروژه منفرد و کوتاهمدت نیست، بلکه شبکهای پیچیده از پرتابها، انتقال تجهیزات، فرودهای مرحلهای، آزمایش فناوری و تأمین مداوم منابع خواهد بود.
چرا نمیتوان همه چیز را از زمین به ماه برد؟
یکی از مهمترین بخشهای برنامهریزی برای پایگاه قمری، استفاده از مواد و منابع موجود در همان محل است؛ مفهومی که در مأموریتهای فضایی با عنوان بهرهگیری از منابع درجا شناخته میشود. چن تأکید میکند که برای پایگاه آینده ماه، باید مشخص شود کدام منابع سطح ماه میتوانند در ساخت، تأمین انرژی و پشتیبانی از زندگی فضانوردان مفید باشند.
جایگزین این روش، ارسال همه چیز از زمین است؛ گزینهای بسیار پرهزینه و پرریسک. طبق برآورد یک شرکت، ارسال بار به ماه میتواند حدود ۱.۲ میلیون دلار برای هر کیلوگرم هزینه داشته باشد. علاوه بر هزینه، ریسک مأموریت نیز بالاست؛ برای مثال اگر موشکی که حامل ذخیره غذایی یک ماه فضانوردان است هنگام پرتاب منفجر شود، کل برنامه تأمین غذا با بحران روبهرو خواهد شد.
به همین دلیل، آینده زندگی روی ماه احتمالاً به توانایی انسان در استفاده از منابع محلی بستگی دارد؛ از یخهای قمری گرفته تا غبار و سنگریزههای سطح ماه.
یخهای قطب جنوب ماه؛ منبعی برای آب، اکسیژن و سوخت
خوشبختانه شواهد نشان میدهد ماه دارای ذخایر قابلتوجهی از آب یخزده روی سطح خود است. حتی پیش از برنامه آرتمیس، ناسا به استقرار فضانوردان در نزدیکی قطب جنوب ماه فکر میکرد؛ جایی که به نظر میرسد در دهانههایی که همیشه در سایه خورشید قرار دارند، یخ فراوانی وجود داشته باشد.
اهمیت آب فقط در نوشیدن آن خلاصه نمیشود. آب در شکل طبیعی خود میتواند برای نوشیدن و برخی فرایندهای ساختوساز یا تولید استفاده شود. افزون بر این، دو جزء اصلی آن، یعنی هیدروژن و اکسیژن، میتوانند منابع بالقوهای برای تولید سوخت موشکها و ماشینآلات باشند. در نتیجه، استخراج و استفاده از آب قمری میتواند هم برای بقا و هم برای ادامه عملیات فضایی نقش کلیدی داشته باشد.
با این حال، چن هشدار میدهد که فناوریهای مورد نیاز برای زندگی روی ماه هنوز باید خیلی سریعتر به سطح آمادگی عملیاتی برسند. به بیان ساده، داشتن ایده کافی نیست؛ دستگاهها و سامانهها باید در محیطی شبیه یا نزدیک به شرایط واقعی کار کنند و قابل اعتماد باشند.
تولید اکسیژن در فضا؛ تجربه مریخ کافی نیست
یکی از نمونههای مهم، تولید اکسیژن روی سطح یک جرم آسمانی دیگر است. این کار پیشتر در مریخ انجام شده، اما در مقیاسی بسیار کوچک. آزمایشی که روی مریخنورد استقامت ناسا (Perseverance) انجام شد، بین سالهای ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۳ فقط ۱۲۲ گرم اکسیژن تولید کرد. ناسا این مقدار را تقریباً برابر با اکسیژنی توصیف کرده که «یک سگ کوچک در ۱۰ ساعت تنفس میکند».
این دستاورد از نظر علمی مهم است، اما برای زندگی گروهی از فضانوردان روی ماه کافی نیست. اگر قرار باشد چند فضانورد هفتهها روی ماه بمانند، مقدار اکسیژن مورد نیاز بسیار بیشتر از چنین آزمایشهای اولیه خواهد بود. بنابراین، تولید اکسیژن در مقیاس عملی یکی از چالشهای اصلی پایگاه قمری آینده است.
غذا؛ چالش بزرگ دیگر برای فضانوردان ماه
اکسیژن تنها مسئله نیست. غذا نیز یکی از بزرگترین مشکلات مأموریتهای طولانیمدت فضایی است. جاشوا پیرس (Joshua Pearce)، دکتر و استاد دانشگاه وسترن (Western University) در استان انتاریو، روی راهحلهای متنباز یا در دسترس عموم برای اکتشافات فضایی پژوهش میکند. یکی از علاقهمندیهای او، مقابله با گرسنگی در مناطق دورافتاده زمین است. وقتی همین نگاه را به فضا منتقل کرد، به ایدهای عجیب رسید: فضانوردان شاید روزی بتوانند بهنوعی از سیارکها «غذا» به دست آورند.
دو سال پیش، تیمی شامل پیرس مقالهای در مجله بینالمللی اخترزیستشناسی (International Journal of Astrobiology) منتشر کرد که نشان میداد کربن موجود در غبار سیارکها، که از نظر برخی ویژگیها به غبار ماه شباهت دارد، در تئوری میتواند به غذا برای فضانوردان تبدیل شود.
تولید غذا از غبار سیارکها چگونه ممکن است؟
پژوهشگران برای این ایده از یک فرایند داوریشده علمی الهام گرفتند که در آن پلاستیک به مواد خوراکی تبدیل میشود. این روش بر پایه پیرولیز (Pyrolysis) است؛ فرایندی که در آن مواد آلی بدون حضور اکسیژن حرارت داده میشوند.
محصولات جانبی پیرولیز شامل نوعی روغن است. در آزمایشهای مرتبط، باکتریها در یک زیستراکتور متنباز که دانشجویان دانشگاه وسترن ساخته بودند، این روغن را مصرف کردند. البته باکتری انسان نیست و نمیتوان این نتیجه را مستقیماً به غذای انسانی تعمیم داد؛ اما آزمایش نشان میدهد اصل ایده ممکن است قابل پیگیری باشد: سنگها و غبارهای فضایی شاید روزی بتوانند بخشی از زنجیره تأمین غذای فضانوردان را تشکیل دهند.
پیرس با شوخی میگوید: «دیوانهوار به نظر میرسد»، اما توضیح میدهد تولید غذا از چنین مواد و فرایندهایی میتواند کاربردهای زمینی هم داشته باشد؛ از جمله در حوزه نظامی. برای نمونه، دارپا (DARPA) به دنبال روشهایی برای بازیافت ایمن پسماند بستههای غذایی سربازان بوده است، بهویژه زمانی که نیروها در مناطق دورافتاده و فاقد زیرساخت حضور دارند. به گفته پیرس، ایده این است که چند فناوری با هم ترکیب شوند تا پلاستیک موجود در پسماند غذایی دوباره به غذای قابلخوردن برای انسان تبدیل شود.
از زغالسنگ تا زیستراکتور فضایی
پس از انتشار مقاله، پیرس روی سامانهای کار کرده که چند مسیر پژوهشی را در یک بسته فشرده و مناسب فضا ترکیب میکند. در ادامه پژوهشهای مرتبط با غذای فضایی، تیم او در حال آزمایش زغالسنگ بهعنوان منبع غذایی برای باکتریهاست و امیدوار است مقاله دیگری درباره این کار منتشر کند.
اهمیت چنین پژوهشهایی در این است که مأموریتهای بلندمدت نمیتوانند برای همیشه به محمولههای ارسالی از زمین وابسته بمانند. هرچه سامانههای تولید غذا کوچکتر، کممصرفتر و قابلاعتمادتر باشند، شانس پایداری زندگی روی ماه بیشتر میشود.
کشاورزی زیر پنلهای خورشیدی؛ تنوع غذایی برای فضانوردان
پیرس همچنین به «کشاورزی آگریولتائیک» (Agrivoltaic Agriculture) علاقهمند است؛ روشی که در آن محصولات کشاورزی زیر پنلهای خورشیدی رشد میکنند. این ایده میتواند در آینده به متنوعتر شدن رژیم غذایی فضانوردان ماه کمک کند.
در چنین سامانههایی، گیاهان و پنلهای خورشیدی میتوانند رابطهای همزیستانه و خنککننده ایجاد کنند. گیاهان بخار آب آزاد میکنند و پنلها نیز سایه ایجاد میکنند؛ در نتیجه هر دو بخش میتوانند به خنکتر شدن دیگری کمک کنند. این ویژگی، بهویژه در محیطهای سخت و محدود، میتواند ارزشمند باشد.
از سوی دیگر، فناوری سلول خورشیدی میتواند انرژی مورد نیاز زیستراکتورها را نیز تأمین کند. یکی از گزینههای مطرح، پنلهای خورشیدی سیلیکون آمورف (Amorphous Silicon) است. این نوع پنلها با استفاده از گازی منشأگرفته از سیلیکون ساخته میشوند، نه سیلیکون جامد. این فرایند به پژوهشگران امکان میدهد لایههای نازکی از مواد را روی سطحی جامد مانند فلز یا پلاستیک قرار دهند و در مقایسه با روشهای سنتی ساخت سلول خورشیدی، از منابع کمتری استفاده کنند.
چاپ سهبعدی با خاک ماه؛ کاهش هزینه ساخت پایگاه
ساختوساز روی ماه نیز بدون استفاده از منابع محلی بسیار دشوار خواهد بود. پیرس و دیگر پژوهشگران دانشگاه وسترن روی مسیرهایی کار میکنند که میتواند در آینده برای ساخت پایگاه قمری حیاتی باشد. یکی از این مسیرها، ساخت افزایشی یا چاپ سهبعدی (۳D Printing) است.
اگر بتوان از رگولیت (Regolith) استفاده کرد، هزینه و پیچیدگی تأمین مصالح ساختمانی بهشدت کاهش مییابد. رگولیت به لایهای از سنگریزه و غبار سست گفته میشود که روی سنگبستر زمین، ماه و همچنین سیارهها و سیارکهای دیگر قرار دارد. به گفته پیرس، با استفاده از رگولیت ماه، میتوان گرانترین بخش فرایند، یعنی خرید و انتقال مصالح از زمین، را عملاً با تأمین مستقیم از سطح ماه کنار گذاشت.
این ایده از نظر اقتصادی و عملیاتی بسیار مهم است؛ زیرا هر کیلوگرم بار کمتر از زمین، به معنای کاهش هزینه، کاهش ریسک و افزایش استقلال پایگاه قمری خواهد بود.
بررسی اثر پرتوها بر بدن فضانوردان
زندگی روی ماه فقط مسئله غذا، آب و ساختوساز نیست. فضانوردان در محیطی قرار میگیرند که در برابر تابشهای فضایی بسیار آسیبپذیرتر از زمین است. برخی پژوهشگران دانشگاه وسترن، جدا از کارهای پیرس، از فناوری «اندام روی تراشه» (Organ on a Chip) برای مطالعه اثر مواجهه با پرتوها بر فضانوردان استفاده میکنند.
این فناوری میتواند به دانشمندان کمک کند اثرات زیستی شرایط فضایی را بهتر بفهمند و راهکارهایی برای محافظت از انسان در مأموریتهای طولانیتر ارائه دهند. چنین پژوهشهایی برای زندگی پایدار در پایگاه قمری ضروری خواهند بود.
آینده پایگاه قمری؛ تولید سوخت و غذا دور از زمین
فضانوردانی که در آینده روی ماه فرود میآیند با چالشهای روزمره زیادی روبهرو خواهند شد: نفس کشیدن، نوشیدن، غذا خوردن، ساختن، تعمیر کردن، تولید انرژی، محافظت در برابر تابش و مدیریت منابع محدود. خبر خوب این است که بسیاری از فناوریهای لازم برای پاسخ به این نیازها همین حالا در حال توسعهاند.
اگر برنامهها مطابق انتظار پیش بروند، ناسا امیدوار است در کمتر از یک دهه آینده فضانوردان بتوانند از برخی از این فناوریها بهصورت روزانه استفاده کنند. در چنین سناریویی، خدمه پایگاه قمری ممکن است سوخت خود را تولید کنند، بخشی از غذای خود را پرورش دهند یا بسازند و با استفاده از منابع محلی، زندگی پایدارتری در فاصلهای بسیار دور از خانه داشته باشند.
موفقیت این مسیر فقط به معنای زندگی روی ماه نخواهد بود. اگر این فناوریها روی ماه جواب بدهند، میتوانند پایهای برای مأموریتهای دورتر، از جمله زندگی و کار روی مریخ، فراهم کنند. به این ترتیب، پایگاه قمری ناسا شاید نه مقصد نهایی، بلکه سکوی تمرین انسان برای حضور پایدارتر در منظومه شمسی باشد.
