Marte: ossigeno sul pianeta rosso

Affinché possiamo vivere nella nostra colonia marziana (immagine sotto di NASA/Clouds AO/SEArch), dobbiamo essere in grado di respirare e quindi ci serve ossigeno.

Sfortunatamente nella sottile atmosfera di Marte ci sono solo tracce di questo fondamentale gas, perciò dobbiamo trovare il modo di produrlo nella quantità necessaria per nostra sopravvivenza.

L’atmosfera marziana è così rarefatta per via della massa del pianeta, che genera una forza di gravità di appena il 37% di quella terrestre, e per l’assenza di una magnetosfera, cioè un campo magnetico permanente, senza la quale esso è in balia dei venti solari, che in miliardi di anni hanno strappato quasi tutti i gas che lo avvolgevano, disperdendoli nello spazio, come dimostrato dalle ricerche svolte per mezzo della sonda orbitante MAVEN della NASA.

Sulla Terra la notevole concentrazione di ossigeno molecolare nell’atmosfera (quasi il 21%) è dovuta alla presenza della vita. Questo gas, infatti, è notevolmente reattivo, per cui è necessario che venga prodotto in continuazione. Tale produzione è iniziata circa 3,8 miliardi di anni fa nelle acque grazie ai cianobatteri (organismi unicellulari detti anche alghe azzurre) e successivamente anche grazie ad altre forme di vita autotrofe, vale a dire quelle in grado di utilizzare l’energia solare per produrre energia chimica e rilasciare come prodotto di scarto proprio l’ossigeno, tramite un processo chiamato fotosintesi clorofilliana.

Grazie a questi organismi, si produsse così tanto ossigeno nelle acque, che quello in più andò ad arricchire l’atmosfera, permettendo la conquista delle terre emerse da parte della vita aerobica (cioè che dipende dalla presenza di ossigeno).

Non sappiamo se su Marte sia mai esistita la vita, ma le peculiari caratteristiche di questo pianeta hanno fatto in modo che gran parte della sua atmosfera venisse spazzata via (e il processo è tuttora in corso), trasformandolo nel mondo freddo e arido che conosciamo. Quasi tutto l’ossigeno molecolare libero ha reagito con altre sostanze, in particolare col ferro, determinando il colore rossastro tipico del pianeta.

Un recente studio del Caltech (ottobre 2018) afferma, però, che un bacino sotterraneo o subglaciale (come quello scoperto da un team italiano nel luglio 2018) di acqua salata liquida potrebbe contenere notevoli concentrazioni di ossigeno disciolto, tali da sostenere forme di vita aerobiche. Quindi su Marte ci sarebbe ancora tanto ossigeno, ma non prontamente reperibile per le necessità di una colonia umana.

Ciò che rimane al giorno d’oggi dell’atmosfera marziana contiene per il 95% anidride carbonica, la cui molecola è costituita da un atomo di carbonio e due di ossigeno. In teoria, perciò, a partire da una molecola di anidride carbonica è possibile produrne una di ossigeno molecolare (che contiene due atomi).

Esiste già la tecnologia per estrarre ossigeno dall’anidride carbonica. Questa è stata ideata dalla NASA e realizzata tramite il cosiddetto MOXIE (Mars Oxygen In-situ Resources Utilisation Experiment, esperimento di utilizzo in situ su Marte di risorse per produrre ossigeno; l’immagine sopra, che è della NASA, è lo schema di una piccola versione di questo strumento). MOXIE usa la tecnologia della cella a combustibile a ceramica, che converte l’anidride carbonica in ossigeno e in monossido di carbonio (CO). Con questa reazione può produrre 15 litri di ossigeno molecolare all’ora, che possono supportare un essere umano sedentario.

Chiaramente, per poter produrre abbastanza ossigeno per un’intera colonia, serve un MOXIE molto più grande e un impianto nucleare che lo alimenti. Nel frattempo, però, una versione più piccola di questo strumento (quella della figura sopra) verrà inviata sul pianeta rosso insieme al prossimo rover della NASA (che partirà nel 2020; immagine sotto di NASA/JPL-Caltech), per essere testata.

Ma l’ossigeno non serve solo per respirare. Nella Terra non ci facciamo caso, poiché l’ossigeno è dappertutto nell’aria, ma la sua presenza è fondamentale per i processi di combustione.

A dire la verità, anche la respirazione cellulare è un lento processo di combustione, durante il quale delle molecole biologiche vengono demolite, permettendo il rilascio di energia che viene accumulata in una sostanza chimica chiamata ATP. Questa a sua volta viene utilizzata come sorgente di energia per svolgere le funzionalità del nostro organismo.

Analogamente, per far funzionare un veicolo con un propulsore a combustione (come un veicolo spaziale), è necessario che avvenga una reazione chimica (combustione) tra un combustibile e un comburente (agente ossidante). Quest’ultimo è in genere proprio l’ossigeno. Su Marte, però, l’ossigeno scarseggia, quindi è necessario produrlo anche per far funzionare il razzo con cui andare in orbita e magari tornare sulla Terra. Oppure può risultare pratico avere dei rover con un motore a combustione (per esempio, alimentati a metano e ossigeno, come quelli che utilizzati in “Deserto rosso”), piuttosto che dover dipendere solo dal funzionamento a batteria.

L’ossigeno può anche essere prodotto dall’elettrolisi dell’acqua, che genera inoltre idrogeno, che a sua volta può essere usato come combustibile. Questa tecnologia, però, richiede l’uso di acqua, che come sappiamo è già difficile da reperire, e un certo dispendio energetico.

Infine, si potrebbe pensare di utilizzare degli organismi biologici (cianobatteri e alghe) per estrarre ossigeno dalla regolite marziana in strutture chiamate biocupole, che ospiterebbero dei veri e propri ecosistemi in miniatura (a questo tipo di ricerca si riferisce l’immagine in basso, che è della NASA).

L’ossigeno prodotto per la respirazione deve essere utilizzato in maniera adeguata per comporre l’aria all’interno dell’habitat. Il corpo umano infatti è ottimizzato per funzionare con una concentrazione di ossigeno al 21% a una pressione di circa 1 atmosfera, come si osserva sulla Terra. Se questa sale, superando il 23% (a 1 atm), l’ossigeno diventa tossico (come ho raccontato a proposito della Stazione Alfa in “Deserto rosso - Nemico invisibile”).

Sulla Terra il resto dell’atmosfera è costituita perlopiù da azoto (78%) e argon (0,93%), che sono gas inerti. E poi ci sono l’anidride carbonica, la cui concentrazione è intorno al 0,04%, e il vapore acqueo (molto variabile in base alle condizioni meteorologiche).

Nei veicoli pressurizzati usati per i viaggi spaziali sono state spesso ricreate delle condizioni di bassa pressione, che permettono di utilizzare come unico gas l’ossigeno puro. Quando la sua pressione parziale (che è un valore assoluto) è molto bassa, nonostante la sua concentrazione sia al 100%, questo non crea problemi di salute. Rappresenta però un problema di ordine pratico, poiché un’atmosfera ricca di ossigeno è un ambiente pericoloso: basta una scintilla per far partire un incendio che è poi difficile da domare (come nel tragico caso dell’Apollo 1).

Per questo motivo, per la nostra colonia marziana sarà consigliabile creare un’atmosfera interna dell’habitat con una pressione più vicina a quella terrestre. A questo scopo dovremo aggiungere a essa un gas inerte, come appunto l’azoto o l’argon. Questi dovranno essere estratti dai materiali presenti sulla superficie del pianeta per mezzo di procedure chimiche, poiché sono presenti in quantità troppo basse nell’atmosfera marziana.

Infine, l’attività respiratoria umana degli abitanti della nostra colonia, oltre a consumare ossigeno, produrrà anidride carbonica e vapore acqueo.

La prima deve essere in qualche modo intrappolata, prima che diventi tossica (sopra il 4% a 1 atm), e poi riciclata per produrre nuovo ossigeno. A questo scopo si possono utilizzare delle celle di rigenerazione al superossido di potassio, già utilizzate negli Space Shuttle, oppure dei setacci molecolari, costituiti da minerali naturali che presentano dei canali in cui l’anidride carbonica viene intrappolata. Questa può essere liberata tramite riscaldamento e poi riciclata, per esempio, con un MOXIE.

Per quanto riguarda il vapore acqueo, c’è da considerare che l’aria espirata dagli essere umani ne contiene circa il 5%, ciò significa che, se non viene in qualche modo recuperato, l’ambiente dell’habitat è destinato a diventare molto umido. Per evitare che ciò avvenga, basta utilizzare un comune materiale essiccante, che blocca l’acqua in eccesso, diminuendo l’umidità atmosferica dell’habitat, e permettendo che questa venga riciclata.

Adesso abbiamo quasi tutto quello che ci serve per vivere su Marte: energia, acqua e ossigeno. Ci manca soltanto qualcosa da mangiare. E proprio di come produrre cibo parlerò nel prossimo articolo.

Tutte le immagini sono della NASA. Fate clic su di esse per vederle nelle dimensioni originali.