Badanie możliwości wykorzystania wody w skałach Marsa do

Badanie możliwości
wykorzystania wody w
skałach Marsa do budowy
układów zasilania
Autorzy: Aniela Kosek, Michał Drętkiewicz, Kacper Pawlak
Opiekun pracy: Dr Roman Rumianowski
1 WSTĘP
Rozwój cywilizacji na Marsie będzie związany z wykorzystaniem znajdujących się tam
zasobów naturalnych. Niemożliwe jest budowanie w dłuższej perspektywie bazy na Marsie w
oparciu o transportowanie wszystkich surowców oraz materiałów z Ziemi. Ludzie muszą
podjąć badania nad możliwościami wykorzystania dostępnych na miejscu materiałów
budowlanych, surowców energetycznych i materiałów dla przemysłu.
Dlatego niezbędne jest rozpoczęcie badań nad przyszłym wykorzystaniem marsjańskich
zasobów.
W naszej pracy zajęliśmy się najpierw analizą dostępnych w literaturze informacji o składzie
skał tworzących skorupę Marsa. W oparciu o te dane dobraliśmy podobne materiały i
przeprowadziliśmy badania laboratoryjne.
Skupiliśmy się na problemie budowy wielkich kondensatorów do gromadzenia energii
elektrycznej dla mieszkańców Marsa. W tym problemie kluczową rolę odgrywają materiały
dielektryczne i wpływ zawartości w nich wody na wielkości względnej przenikalności
dielektrycznej. Przeprowadziliśmy badania wpływu zawartości wody w naszych próbkach na
wartość 𝜀𝑟 .
2 CEL BADAŃ
Celem naszych badań było określenie możliwości wykorzystania skał marsjańskich
zawierających wodę w stanie stałym jako dielektryków w gigantycznych kondensatorach,
które będą stanowiły element układu zasilania bazy na Marsie. Znalezienie w skałach wody
w stanie stałym otworzy możliwość budowania takich kondensatorów. Jak wiadomo, lód
posiada dużą wartość względnej przenikalności elektrycznej (ok. 100), a więc
spodziewaliśmy się znacznego zwiększenia 𝜀𝑟 wraz z zawartością lodu w skałach. Dielektryki
o dużych wartościach 𝜀𝑟 pozwolą na budowanie kondensatorów o większych pojemnościach
elektrycznych. Schemat takiego kondensatora przedstawia rysunek poniżej.
RYSUNEK 1. SCHEMAT KONDENSATORA DLA POTRZEB
BAZY NA MARSIE
Nasze badania są próbą możliwości wykorzystania dostępnych na Marsie materiałów do
budowy wyposażenia bazy.
3 ANALIZA SKAŁ WYSTĘPUJĄCYCH NA POWIERZCHNI MARSA
Powierzchnia Marsa nie została dotąd dokładnie zbadana. Najbardziej precyzyjne dane
pochodzą z krateru Gale - miejsca lądowania łazika Curiosity. Wśród skał przeanalizowanych
przez niego występują skały osadowe i wulkaniczne.
Skały osadowe charakteryzuje wysoka zawartość szkła, szkła wymieszanego z żelazem oraz
minerałów takich jak oliwin, piroksen i skaleń. Występują w nich również tlenki: głównie
żelaza, wapnia i glinu, oraz duże ilości krzemionki. W skałach osadowych wykryto obecność
lodu. W ich budowie występuje głównie pięć pierwiastków: żelazo, siarka, krzem, sód i potas.
Skały osadowe są klasyfikowane na podstawie zawartości tlenku żelaza lub zawartości siarki.
Skład chemiczny skał osadowych jest zazwyczaj zgodny z przeciętną zawartością skorupy
Marsa.
Napotkano również skały magmowe, które w swoim składzie mają głównie feldspar i kwarc.
W jednym z kraterów Marsa odnotowano występowanie krzemianów warstwowych,
siarczanów i krwawieni, a także: odsłonięte pokłady konglomeratów, drobnoziarnistego
piaskowca i mułowca, klastyczne (okruchowe) skały osadowe, luźne kamienie magmowe,
oliwin, piroksen, skaleń, tlenki żelaza (magnetyt i hematyt) oraz krzemiany. Brak natomiast
odsłoniętych pokładów skał magmowych. Przeważają skały bazaltowe. Na południowej półkuli
są nieuległe erozji, a na północnej zwietrzałe wraz z andezytem bazaltowym. Występują
również wylewne skały magmowe, które powstają w wyniku krystalizacji lawy takie jak trachit,
andezyt, bazalt i dacyt.
Na Marsie najpowszechniej występują gliny bogate w żelazo i magnez, które nie występują
powszechnie na Ziemi. W ich powstawaniu brała udział płynna woda. Uważa się że gliny
marsjańskie są głównie smektytami - glinami rozszerzalnymi, ze względu na ilość
absorbowanej przez nie wody, która jest znacznie większa w porównaniu z glinami
nierozszerzalnymi. Jednak większość glin obecnych na Marsie jest mieszanką glin
rozszerzalnych i nierozszerzalnych. Większość glin smektycznych posiada wyższą zawartość
żelaza niż magnezu. Jest to skutkiem dominowania atomów żelaza podczas procesów
powstawania glin marsjańskich. Skutkuje to również zwiększoną obecnością tlenków żelaza w
składzie chemicznym glin. Marsjańskie gliny są również zbudowane z krzemianów
rozpuszczonych z udziałem płynnej wody występującej w przeszłości na Marsie. W wyniku
działania wody skały uległy erozji i w wyniku późniejszej akumulacji materiału powstały gliny.
Wśród glin marsjańskich można znaleźć również gliny bogate w glin, jednak powstały one w
innych procesach niż pozostałe odmiany glin. Najczęściej spotykane w glinach marsjańskich
związki chemiczne to krzemionka, tlenki żelaza, magnezu, glinu a także sodu i potasu. Obecne
są również minerały takie jak oliwin i apatyt.
Tlenek
SiO2
TiO2
Al2O3
FeOT
Cr2O3
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
Zawartość [%]
49,3
0,98
10,5
18,2
0,38
0.36
9,06
6,92
2,97
0,45
0,90
TABELA 1. PRZECIĘTNY
SKŁAD SKORUPY MARSA
Powyższe informacje skłoniły nas, aby do naszych badań jako materiału symulującego skałę
marsjańską użyć cegły szamotowej. Jej skład jest zbliżony do glin marsjańskich i
spodziewaliśmy się podobnego zachowania pod wpływem nasączenia wodą i zamrożenia.
RYSUNEK 2. NASZA SKAŁA
MARSJAŃSKA
4 ZESTAW BADAWCZY
W naszych pomiarach użyliśmy cegieł szamotowych, mających imitować skały marsjańskie o
różnej zawartości wody. Do pomiaru użyliśmy mostka pojemnościowego, mierzącego
pojemność kondensatora powstałego po umieszczeniu w nim dielektryka, którego rolę pełniły
cegły o różnej zawartości wody. Cegły odizolowane zostały cienką nieprzewodzącą prądu folią
w celu uniknięcia zwarcia okładek kondensatora. Folia była na tyle cienka, że jej wpływ na
pojemność układu był pomijalny, co sprawdziliśmy eksperymentalnie.
Podczas
pomiarów
napotkaliśmy
szereg
problemów. Cegła użyta w doświadczeniu nie
zakryła całej powierzchni okładek kondensatora.
Musieliśmy więc wyznaczyć powierzchnię
tworzonego przez nią kondensatora i uznać układ
za połączenie równoległe trzech kondensatorów.
Powierzchnie kondensatora tworzonego przez
cegłę wyznaczaliśmy w następujący sposób.
Wyznaczamy podstawę trójkąta c
gdzie R jest promieniem okładki kondensatora
użytego w eksperymencie, zaś x szerokością cegły.
Wyznaczamy kąt α
Wyznaczamy pole 𝑆0
Wyznaczamy pola 𝑆1
Podstawiamy zmierzone wartości x i R
5 METODA POMIARÓW
Cegły były namaczane w wodzie przez różne odstępy czasu. Przy założeniu, że cegły są
identyczne mogliśmy obliczyć ilość pochłoniętej wody na podstawie różnicy mas między
cegłami namaczanymi i suchymi. Cegły nasiąknięte wodą były następnie zamrażane do
temperatury -15oC.
Zmrożone cegły umieszczaliśmy w mostku pojemnościowym i mierzyliśmy pojemność
powstałego w ten sposób kondensatora. Wpływ folii izolującej na pojemność kondensatora
można uznać za znikomy, więc został on przez nas pominięty.
Na podstawie pojemności kondensatorów i wcześniejszych obliczeń oraz założeń mogliśmy
obliczyć 𝜖𝑟 na podstawie wzoru:
6 WYNIKI POMIARÓW
Masa [kg]
1,6686
1,7966
1,7926
1,8529
1,8058
1,7244
Zawartość
wody [kg]
0
0,128
0,124
0,1834
0,1372
0,0558
Średnia pojemność
kondensatora [pF]
27,13
168,75
196,33
248
167
76,4
Wyliczona
wartość 𝝐𝒓
5,52
39,71
46,37
58,85
39,29
17,41
Niepewności pomiarowe oszacowaliśmy w oparciu o rozrzut statystyczny wyników i
dokładność przyrządu pomiarowego (mostka pojemnościowego).
7 INTERPRETACJA WYNIKÓW
𝑏
Do otrzymanych wyników dopasowaliśmy funkcję postaci 𝑦 = 𝑎𝑒 −𝑥 + 𝑐. Zaproponowana funkcja
spełnia warunki eksperymentu i pozwala przewidzieć efekt wpływu wody zamrożonej w skale na
zmianę względnej przenikalności elektrycznej.
Wyniki dopasowania przedstawione są na wykresie.
RYSUNEK 3. DOPASOWANIA ZAPROPONOWANEGO MODELU
MATEMATYCZNEGO DO WYNIKÓW EKSPERYMENTU.
8 WNIOSKI




Na podstawie naszych badań można stwierdzić, że budowa kondensatorów ze skał
marsjańskich jest możliwa i byłaby efektywną metodą gromadzenia energii elektrycznej, która
zasilałaby budowaną bazę.
Wraz ze wzrostem zawartości wody w skałach wzrasta ich względna przenikalność
elektryczna, wzrost ten można w przybliżeniu opisać zaproponowaną przez nas funkcją.
Zauważyliśmy, że wraz z podniesieniem się temperatury skały malała jej pojemność
elektryczna, co utrudniało precyzyjny pomiar pojemności, jednak możemy wysnuć wniosek,
że na zimnej powierzchni Marsa kondensatory stawały by się bardziej efektywne niż w
temperaturze pokojowej i pracowałyby stabilnie.
Jak widać na wykresie, wynik dla suchej skały znacząco odstaje od zaproponowanego
modelu matematycznego , jednak nie udało nam się ustalić przyczyny otrzymania takiej
wartości. Konieczne są dalsze badania laboratoryjne i poszukiwania bardziej precyzyjnego
modelu matematycznego.
9 ŹRÓDŁA
Inferring alteration conditions on Mars: Insights from near-infrared spectra of terrestrial basalts altered in cold and hot arid
environments - Joanna Gurgurewicz, Daniel Mège, Véronique Carrère, Anne Gaudin,Joanna Kostylew, Yann Morizet, Peter G. Purcell,
Laetitia Le Deit
Classification scheme for sedimentary and igneous rocks in Gale crater, Mars. - N. Mangolda, M.E. Schmidt, M.R. Fiskc, O. Forni,
S.M. McLennane, D.W. Mingf,V. Sautter, D. Sumner, A.J. Williams, S.M. Cleggj, A. Cousind, O. Gasnault, R. Gellert k,J.P. Grotzinger l,
R.C. Wiens
Laboratory reflectance spectra of clay minerals mixed with Mars analog materials: Toward enabling quantitative clay abundances
from Mars spectra - Ted L. Roush, Janice L. Bishop, Adrian J. Brown, David F. Blake, Thomas F. Bristow
Clay mineral formation on Mars: Chemical constraints and possible contribution of basalt out-gassing - Gilles Berger, Alain Meunier,
Daniel Beaufort
Comparison of the mineral composition of the sediment found in two Mars dunefields: Ogygis Undae and Gale crater – three distinct
endmembers identified Heather Charles, Timothy Titus, Rosalyn Hayward, Christopher Edwards, Caitlin Ahrens