Jest rok 2038. Po 18 miesiącach życia i pracy na powierzchni Marsa zespół sześciu badaczy wchodzi na pokład statku kosmicznego i wraca na Ziemię. Na planecie nie ma ani jednej żywej duszy, ale praca nie kończy się tutaj ani na minutę. Autonomiczne roboty nadal wydobywają minerały i dostarczają je do przetworzenia do fabryki syntezy chemicznej, która została zbudowana kilka lat przed tym, jak ludzie po raz pierwszy postawili stopę na Marsie. Fabryka produkuje wodę, tlen i paliwo rakietowe z lokalnych zasobów, rutynowo przygotowując zapasy na kolejną wyprawę, która przybędzie tu za dwa lata.
Ta robotyczna fabryka to nie science fiction. Jest to projekt, nad którym obecnie pracuje kilka zespołów naukowych agencji kosmicznej NASA. Jeden z nich, Swamp Works, pracuje w Kennedy Space Center na Florydzie. Obiekt, który oficjalnie rozwijają, nazywa się In Situ Resource Utilization System (ISRU), ale ludzie, którzy w nim pracują, zwykle nazywają go fabryką pyłu, ponieważ przekształca zwykły pył w paliwo rakietowe. System ten pewnego dnia pozwoli ludziom żyć i pracować na Marsie, a także w razie potrzeby wrócić na Ziemię.
Po co w ogóle syntetyzować cokolwiek na Marsie? Dlaczego nie przywieźć tam wszystkiego, czego potrzebujesz z Ziemi? Problemem jest koszt tej przyjemności. Według niektórych szacunków wymagane będzie dostarczenie jednego kilograma ładunku (na przykład paliwa) z Ziemi na Marsa - czyli umieszczenie tego kilograma na niskiej orbicie okołoziemskiej, wysłanie go na Marsa, spowolnienie statku kosmicznego przy wejściu na orbitę planety i wreszcie bezpieczne lądowanie na powierzchni spalić 225 kilogramów paliwa rakietowego. Stosunek 225: 1 jest nadal skuteczny. W takim przypadku te same liczby będą typowe podczas korzystania z dowolnego statku kosmicznego. Oznacza to, że aby dostarczyć na Czerwoną Planetę tę samą tonę wody, tlenu lub sprzętu technicznego, trzeba będzie spalić 225 ton paliwa rakietowego. Jedynym sposobem, aby uchronić się przed tak kosztowną arytmetyką, jest wyprodukowanie własnej wody,tlen lub to samo paliwo.
Kilka grup badawczych i inżynieryjnych w NASA pracuje nad rozwiązaniem różnych aspektów tego problemu. Na przykład zespół Swamp Works z Centrum Kosmicznego im. Kennedy'ego rozpoczął niedawno montaż wszystkich poszczególnych modułów systemu wydobywczego. Instalacja jest wczesnym prototypem, ale łączy w sobie wszystkie szczegóły potrzebne do obsługi instalacji odpylającej.
Długoterminowy plan NASA ma na celu skolonizowanie Marsa, ale teraz agencja skupia całą swoją energię i uwagę na Księżycu. Stąd weryfikacja większości opracowywanych urządzeń zostanie przeprowadzona w pierwszej kolejności na powierzchni Księżyca, co z kolei rozwiąże wszystkie możliwe problemy, aby uniknąć ich w przyszłości podczas użytkowania instalacji na Marsie.
Kurz i brud na pozaziemskim ciele kosmicznym jest zwykle nazywany regolitem. W ogólnym sensie mówimy o wulkanicznej skale, która na przestrzeni kilku milionów lat pod wpływem różnych warunków atmosferycznych zamieniła się w drobny proszek. Na Marsie, pod warstwą żrących minerałów żelaza, które nadają planecie jej słynny czerwonawy odcień, znajduje się gruba warstwa struktur krzemowych i tlenowych połączonych z żelazem, aluminium i magnezem. Wydobycie tych materiałów jest bardzo trudnym zadaniem, ponieważ rezerwy i stężenie tych substancji mogą się różnić w zależności od obszaru planety. Niestety zadanie to dodatkowo komplikuje niska grawitacja Marsa - kopanie w takich warunkach, wykorzystując przewagę masy, jest znacznie trudniejsze. Na Ziemi zwykle używamy do wydobycia dużych maszyn. Ich rozmiar i waga pozwalają na podjęcie odpowiedniego wysiłku, aby „wgryźć” się w ziemię. Wniesienie takiego luksusu na Marsa byłoby całkowicie niedopuszczalne. Pamiętasz problem z kosztami? Z każdym gramem wysyłanym na Marsa cena całej premiery będzie stale rosła. Dlatego NASA pracuje nad tym, jak wydobywać minerały na Czerwonej Planecie przy użyciu lekkiego sprzętu.
Koparka kosmiczna. NASA opracowuje zautomatyzowaną koparkę z dwoma przeciwległymi czerpakami bębnowymi obracającymi się w przeciwnych kierunkach. Takie podejście pozwoli maszynie pracować w warunkach niskiej grawitacji i wyeliminuje potrzebę stosowania dużych sił.
Poznaj RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), autonomicznego górnika zaprojektowanego wyłącznie w celu kopania regolitu w środowiskach o niskiej grawitacji. Opracowując RASSOR (czytaj „brzytwę” - od angielskiego „ostrza”), inżynierowie NASA zwrócili szczególną uwagę na jego układ napędowy. Te ostatnie składają się z silników, skrzyń biegów i innych mechanizmów, które stanowią większość całej instalacji. Wykorzystuje bezramowe silniki, hamulce elektromagnetyczne i, między innymi, tytanowe obudowy drukowane w 3D, aby zminimalizować całkowitą wagę i objętość konstrukcji. W rezultacie system jest o połowę lżejszy w porównaniu z innymi dyskami o podobnych specyfikacjach.
Film promocyjny:
Do kopania RASSOR wykorzystuje dwa przeciwstawne łyżki bębnowe, każdy wyposażony w wiele zębów do chwytania materiału. Kiedy maszyna jest w ruchu, kosze bębna obracają się. Siłowniki, które je trzymają, są obniżane, a puste w środku bębny dosłownie odcinają górną warstwę powierzchniowego regolitu. Innymi słowy, kombajn podnosi tylko górną warstwę materiału, a nie kopie głębiej. Kolejną kluczową cechą RASSOR jest konstrukcja typu boxer - bębny obracają się w różnych kierunkach. Eliminuje to potrzebę dużego wysiłku przy ciągnięciu gleby w warunkach niskiej grawitacji.
Gdy tylko bębny RASSOR są pełne, robot przestaje zbierać i rusza w kierunku zakładu recyklingu. Aby wyładować regolit, maszyna po prostu obraca bębny w przeciwnym kierunku - materiał wpada przez te same otwory w bębnach, przez które został zebrany. Fabryka posiada własne zrobotyzowane ramię podnoszące, które zbiera dostarczony regolit i przesyła go na taśmę załadowczą fabryki, która z kolei dostarcza materiał do pieca próżniowego. Tam regolit zostanie podgrzany do wysokich temperatur. Cząsteczki wody zawarte w materiale zostaną wydmuchane przez dmuchawę suchego gazu, a następnie zebrane za pomocą termostatu chłodzącego.
Możesz się zastanawiać: „Czy marsjański regolit nie jest pierwotnie suchy?” Sucho, ale nie wszędzie. Wszystko zależy od tego, gdzie i jak głęboko kopiesz. W niektórych obszarach planety całe warstwy lodu wodnego znajdują się zaledwie kilka centymetrów pod powierzchnią. Jeszcze niżej mogą występować wapno siarczanowe i piaskowce, które mogą zawierać do około 8 procent wody z całkowitej masy masywu.
Po kondensacji zużyty regolit jest wyrzucany z powrotem na powierzchnię, skąd RASSOR może go podnieść i zabrać w miejsce oddalone od fabryki. Te „odpady” są w rzeczywistości bardzo cennym materiałem, ponieważ można je wykorzystać do tworzenia struktur obronnych dla osiedli, a także dróg i lądowisk przy użyciu technologii druku 3D, które również są opracowywane w NASA.
Schemat wydobycia na Marsie na zdjęciach:
Opracowanie: robot na kółkach podnosi regolit za pomocą obrotowych wiader z otworami do pobierania próbek.
Transport: Obracające się do tyłu kosze bębnowe rozładowują regolit do ramienia robota fabryki.
Przetwarzanie: Aby wydobyć wodę z regolitu, jest ona podgrzewana w piecu, w którym zachodzi elektroliza wodoru i tlenu.
Przenoszenie: Po otrzymaniu określonej objętości substancji, inne ramię robota, wyposażone w specjalny zamknięty system ochronny, ładuje ją na mobilną cysternę-robota.
Dostawa: Cysterna dostarcza wodę, tlen i metan do domów ludzi i rozładowuje je do zbiorników do długoterminowego przechowywania.
Użytkowanie i przechowywanie: Astronauci będą używać wody i tlenu do oddychania i uprawy roślin; paliwo będzie przechowywane jako ciecze kriogeniczne do wykorzystania w przyszłości.
Cała woda wydobywana z regolitu zostanie dokładnie oczyszczona. Moduł oczyszczania będzie składał się z wielofazowego systemu filtracji oraz kilku substratów dejonizujących.
Płyn posłuży nie tylko do picia. Stanie się niezbędnym składnikiem do produkcji paliwa rakietowego. Gdy cząsteczki H2O zostaną rozszczepione w drodze elektrolizy na cząsteczki wodoru (H2) i tlenu (O2), a następnie skompresowane i zamienione w ciecz, możliwa będzie synteza paliwa i utleniacza, które są najczęściej stosowane w silnikach rakietowych na paliwo ciekłe.
Wyzwanie polega na tym, że ciekły wodór musi być przechowywany w ekstremalnie niskich temperaturach. W tym celu NASA chce przekształcić wodór w paliwo najłatwiejsze do magazynowania: metan (CH4). Tę substancję można otrzymać poprzez połączenie wodoru i węgla. Skąd wziąć węgiel na Marsie?
Na szczęście na Czerwonej Planecie jest go dużo. Atmosfera Marsa składa się w 96% z cząsteczek dwutlenku węgla. Wychwytywanie tego węgla jest zadaniem specjalnej zamrażarki. Mówiąc prościej, będzie tworzył suchy lód z powietrza.
Po otrzymaniu wodoru w drodze elektrolizy i wyekstrahowaniu gazu węglowego z atmosfery w procesie chemicznym - reakcji Sabatiera - można je połączyć w metan. W tym celu NASA opracowuje specjalny reaktor. Wytworzy niezbędne ciśnienie i temperaturę, aby wspomóc przemianę wodoru i dwutlenku węgla w metan i wodę jako produkty uboczne.
Kolejnym interesującym szczegółem zakładu przetwórczego jest ramię robota z pępowiną do przenoszenia płynów do cysterny mobilnej cysterny. Niezwykłą cechą tego systemu jest to, że jest on specjalnie chroniony przed środowiskiem zewnętrznym, aw szczególności przed kurzem. Pył regolityczny jest bardzo drobny i może przenikać prawie wszędzie. Ponieważ sam regolit składa się z pokruszonej skały wulkanicznej, jest bardzo ścierny (przylega dosłownie do wszystkiego), co może stwarzać poważne problemy w działaniu sprzętu. Księżycowe misje NASA w przeszłości pokazały, jak niebezpieczna jest ta substancja. Naruszył odczyty elektroniki, doprowadził do zakleszczenia mechanizmów, a także stał się przyczyną awarii regulatorów temperatury. Ochrona elektrycznych i cieczowych kanałów przesyłowych ramienia robota, a także wszelkiej bardzo czułej elektroniki,jest jednym z najwyższych priorytetów naukowców.
Programowanie robotycznego ramienia pępowinowego do łączenia się z mobilnym cysterną. Manipulator posłuży do tankowania tankowców paliwem płynnym, wodą i tlenem.
Po każdej stronie komory pępowinowej, zamontowanej na ramieniu robota, znajdują się drzwi, które działają jak śluzy powietrzne, aby zapobiec przedostawaniu się kurzu do wszystkich kanałów wewnętrznych. Do połączenia komory z mechanizmem cysterny wymagane są trzy kroki: Po pierwsze, po napełnieniu komory, drzwi muszą być bezpiecznie zamknięte z obu stron, aby stworzyć ochronną barierę przeciwpyłową. Po drugie, w każdym z drzwi komory pępowinowej konieczne jest otwarcie małych otworów uszczelniających, przez które zapewniony będzie dostęp do kanałów przenoszenia zasobów zainstalowanych na specjalnej ruchomej płycie. Po trzecie, wymagane jest wyrównanie położenia kanałów transmisyjnych komory pępowinowej i kanałów do przyjmowania materiału przez mechanizm cysterny, dokładnie łącząc zarówno złącza elektryczne, jak i cieczowe.
Zrobotyzowane ramię zakładu przeróbki paliwa umieści komorę pępowinową na ruchomej zrobotyzowanej cysternie, a następnie rozładuje wyprodukowane materiały. System tankowania w tym przypadku będzie bardzo podobny do stacji benzynowych na Ziemi, ale razem z benzyną będzie pompował wodę. Lub ciekły tlen. Lub ciekły metan. Albo wszystko naraz.
Ostatnio inżynierowie zaangażowani w rozwój tego projektu przeprowadzili demonstrację testową instalacji na Florydzie. Na tym etapie naukowcy musieli uciec się do modelowania procesów elektrolizy i samego pieca, aby zmniejszyć koszty i złożoność instalacji. Ponadto przeprowadzono symulację otrzymywania trzech produktów przetworzonych przy użyciu wody. Ale w tym przypadku zarówno prototypy sprzętu, jak i oprogramowania zostały już użyte we wszystkich częściach instalacji.
Łącząc wszystkie części razem, inżynierowie z Swamp Works byli w stanie dowiedzieć się, czy wystąpiły jakiekolwiek problemy w projekcie, a także zidentyfikować kilka ważnych szczegółów, których nie można byłoby określić, czy takie testy zostały przeprowadzone już na ostatnich etapach rozwoju i integracji. Zdaniem twórców szybkie prototypowanie i wczesna integracja to charakterystyczne podejście do pracy ich zespołu. Dzięki temu możesz szybko sprawdzić wykonanie pomysłu, a także zidentyfikować wszystkie istniejące niedociągnięcia już na wczesnym etapie.
Istotą marsjańskiej fabryki rakiet i paliwa jest to, że cały ten sprzęt zostanie zapakowany w małe wygodne pudełko, dostarczone na Czerwoną Planetę, a następnie samo rozpakowane i zacznie wykonywać swoje zadanie na długo przed przybyciem pierwszych ludzi na Marsa. Rozwój misji załogowych na Marsa będzie zależał od wydajności tej autonomicznej fabryki. Przecież bez niego ludzie nie będą mogli wrócić na Ziemię pod koniec ich warty. Ponadto NASA ma również zespoły, które pracują nad uprawą wszelkiego rodzaju żywności (w tym ziemniaków). Planuje się, że nowa uprawa będzie uprawiana, ponownie w sposób autonomiczny, podczas wysyłania ludzi na Marsa i ich lotów z powrotem na Ziemię, tak aby ludzie zawsze mieli świeże zbiory.
Ogólnie projekt jest naprawdę gigantyczny i wymaga starannego przygotowania.
NASA ma bogate doświadczenie z autonomicznymi łazikami i lądownikami na Marsie. Na przykład najnowsze łaziki marsjańskie - Curiosity, które wylądowały na Czerwonej Planecie w 2012 roku i Mars 2020, który trafi tam w 2020 roku - mają i będą miały wysoki poziom autonomii. Jednak stworzenie, dostawa i użytkowanie marsjańskiej rakiety i fabryki paliwa w dłuższej perspektywie i przy maksymalnym poziomie autonomii będzie wymagało zastosowania technologii, które przeniosą inżynierię kosmiczną na zupełnie nowy poziom.
Aby przetestować koparkę robota, NASA wykorzystuje zamknięty obszar wypełniony ponad setką ton pokruszonej skały wulkanicznej. Minerały służą jako odpowiednik najdrobniejszego i najbardziej ściernego pyłu marsjańskiego.
Aby rozpocząć kolonizację kosmosu, naukowcy i inżynierowie muszą rozwiązać wiele problemów technicznych. Na przykład bardzo ważne jest ustalenie, czy każdy podsystem opracowywany w marsjańskim zakładzie wydobywczym nadaje się do zwiększania skali. Czy będzie w stanie zaspokoić wszystkie potrzeby i osiągnąć poziom zdolności, który będzie wymagany w ramach załogowych misji na Czerwoną Planetę.
Według ostatnich szacunków specjalistów NASA taki system w ciągu około 16 miesięcy powinien wyprodukować około 7 ton ciekłego metanu i około 22 tony ciekłego wodoru. Na tej podstawie, aby uzyskać maksymalny zwrot, konieczne jest bardzo dokładne określenie najbardziej odpowiednich miejsc do rozmieszczenia fabryki do gromadzenia i przetwarzania zasobów. Dodatkowo należy obliczyć, ile koparek RASSOR będzie musiało zostać dostarczonych na Marsa, a także ile godzin dziennie będą musiały pracować, aby osiągnąć dany plan produkcyjny. W końcu musisz zrozumieć, jak duża powinna być zamrażarka na węgiel, reaktor Sabatiera i ile energii pochłonie to wszystko.
Naukowcy muszą również przewidzieć możliwe problemy związane z siłą wyższą, które mogą zakłócać wydobycie i przetwarzanie zasobów, potencjalnie opóźniając wysłanie kolejnej wyprawy na Czerwoną Planetę. Konieczne jest oszacowanie wszystkich możliwych zagrożeń związanych z tymi problemami i wypracowanie z wyprzedzeniem prawidłowych i szybkich sposobów ich rozwiązania, ewentualnie wyposażając system w zbędne elementy w celu czasowej wymiany uszkodzonego sprzętu.
Konieczne jest zapewnienie, aby technologie robotyczne mogły nieprzerwanie funkcjonować bez zakłóceń i konieczności konserwacji przez kilka lat, dzięki czemu ich rozwój będzie się odbywał ściśle według ustalonych standardów. Na przykład konieczne będzie zminimalizowanie ilości używanych ruchomych części. W ten sposób możliwe będzie zminimalizowanie wpływu pyłu regolitu na sprawność całego układu. Jeśli podejdziemy do sprawy od drugiej strony i zaczniemy opracowywać części ruchome o większej odporności na pył, to nie tylko skomplikuje to cały system jako całość, ale także doda mu dodatkowego ciężaru, co, jak już wspomniano, jest odpowiednikiem złota.
Naukowcy muszą również dowiedzieć się, w jaki sposób iw jakich proporcjach drobny i stały regolit miesza się z lodem pod powierzchnią Marsa. Te dane pomogą Ci efektywniej przygotować koparki do wydobywania zasobów. Na przykład obecna wersja wiadra RASSOR najlepiej nadaje się do zbierania regolitu zmieszanego z lodem w bryłach. Jednak ten projekt będzie mniej skuteczny, gdy konieczne będzie „wgryzienie” się w większe warstwy stałego lodu. Aby opracować bardziej odpowiedni sprzęt, konieczne jest dokładne zrozumienie rozmieszczenia lodu na klaczu. Inną opcją jest opracowanie mocniejszego, bardziej złożonego, cięższego i bardziej wszechstronnego sprzętu, który poradzi sobie z każdym typem gleby i lodu. Ale znowu jest to dodatkowa strata.
Nadal konieczne jest rozwiązanie problemów związanych z długim przechowywaniem cieczy przechłodzonych. Technologie przechowywania substancji i materiałów pod wysokim ciśnieniem ulegają ciągłym udoskonaleniom, ale czy nowoczesne technologie będą w stanie długo pracować na powierzchni Marsa?
Ogólnie rzecz biorąc, w najbliższych latach naukowcy z NASA zajmą się wszystkimi tymi problematycznymi kwestiami. Z kolei inżynierowie z Swamp Works będą nadal poprawiać wydajność i dostępność wszystkich opracowanych komponentów swojego systemu. Planuje się, że koparki będą jeszcze mocniejsze i lżejsze. Następnie planowane jest rozpoczęcie ich testowania w sztucznie stworzonych i jak najbardziej zbliżonych do marsjańskich warunkach. Naukowcy chcą również poprawić jakość i wydajność pieca, systemu elektrolizy oraz opracować skalowalny model reaktora Sabatiera i instalacji chłodniczej do produkcji węgla. Twórcy są przekonani, że rozwiązanie tych i wielu innych problemów doprowadzi do tego, że zbierający pył prototyp przestanie być prototypem, a ostatecznie zaangażuje się w rzeczywistą pracę na powierzchni Marsa.zapewnienie przyszłym kolonistom wszelkich środków niezbędnych do życia.
Nikolay Khizhnyak