Året är 2038. Efter 18 månader med att leva och arbeta på ytan av Mars går ett team på sex forskare ombord på rymdskeppet och återvänder till jorden. Det finns inte en enda levande själ kvar på planeten, men arbetet stannar inte här på en minut. Autonoma robotar fortsätter att bryta mineraler och leverera dem för bearbetning till en kemisk syntesfabrik som byggdes flera år innan människor först satte fot på Mars. Fabriken producerar vatten, syre och raketbränsle från lokala resurser och förbereder rutinmässigt förnödenheter till nästa expedition, som kommer hit om två år.
Denna robotfabrik är inte science fiction. Detta är ett projekt som flera forskningsgrupper från NASA: s flygindustri arbetar för närvarande med. En av dem, Swamp Works, arbetar på Kennedy Space Center i Florida. Den anläggning som de officiellt utvecklar kallas ISRU (In Situ Resource Utilization System), men de människor som arbetar med det brukar kalla det en dammfabrik eftersom det omvandlar vanligt damm till raketbränsle. Detta system kommer en dag att tillåta människor att leva och arbeta på Mars, såväl som att återvända till jorden om det behövs.
Varför syntetisera någonting på Mars alls? Varför inte bara ta med allt du behöver där från jorden? Problemet är kostnaden för detta nöje. Enligt vissa uppskattningar kommer leveransen av ett kilogram nyttolast (till exempel bränsle) från Jorden till Mars - det vill säga att sätta detta kilogram i låg jordbana, skicka den till Mars, bromsa rymdskeppet när man går in i planetens bana och slutligen landa säkert på ytan - krävs bränna 225 kg raketbränsle. Förhållandet 225: 1 är fortfarande effektivt. I detta fall kommer samma figurer att vara typiska när man använder något rymdskepp. Det vill säga att för att leverera samma ton vatten, syre eller teknisk utrustning till Röda planeten måste 225 ton raketbränsle brännas. Det enda sättet att rädda dig från så dyra aritmetik är att producera ditt eget vatten,syre eller samma bränsle på plats.
Flera forsknings- och ingenjörsgrupper vid NASA arbetar med att lösa olika aspekter av detta problem. Till exempel började Swamp Works-teamet vid Kennedy Space Center nyligen montera alla individuella moduler för ett gruvsystem. Anläggningen är en tidig prototyp, men den kombinerar alla detaljer som behövs för att driva en dammuppsamlingsanläggning.
NASAs långsiktiga plan syftar till att kolonisera Mars, men nu koncentrerar byrån all sin energi och uppmärksamhet på månen. Således kommer verifieringen av de flesta av den utvecklade utrustningen att utföras först på månens yta, vilket i sin tur kommer att lösa alla möjliga problem för att undvika dem i framtiden när installationen på Mars används.
Damm och smuts på en utomjordisk rymdkropp kallas vanligtvis regolit. I allmän mening talar vi om en vulkanisk sten som under flera miljoner år under påverkan av olika väderförhållanden förvandlades till ett fint pulver. På Mars, under ett lager av frätande järnmineraler som ger planeten sin berömda rödaktiga nyans, ligger ett tjockt lager av kisel- och syrestrukturer i kombination med järn, aluminium och magnesium. Extraktionen av dessa material är en mycket svår uppgift, eftersom reserverna och koncentrationen av dessa ämnen kan variera från ett område på planeten till ett annat. Tyvärr kompliceras denna uppgift ytterligare av Mars: s låga tyngdkraft - att gräva under sådana förhållanden, utnyttja massfördelen, är mycket svårare. På jorden använder vi vanligtvis stora maskiner för gruvdrift. Deras storlek och vikt gör att du kan anstränga dig för att "bita" i marken. Att bära en sådan lyx till Mars skulle vara helt otillåtligt. Kommer du ihåg kostnadsproblemet? Med varje gram som skickas till Mars kommer priset för hela lanseringen att öka stadigt. Därför arbetar NASA med att bryta mineraler på Red Planet med hjälp av lätt utrustning.
Rymdgrävare. NASA utvecklar en robotgrävmaskin med två motstående trumskopor som roterar i motsatta riktningar från varandra. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för maskinen att arbeta under förhållanden med låg vikt och eliminera behovet av stora krafter.
Möt RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), en autonom gruvarbetare designad med det enda syftet att gräva regolith i miljöer med låg vikt. Vid utvecklingen av RASSOR (läs som "rakkniv" - från det engelska "bladet") uppmärksammade NASA-ingenjörer sitt kraftdrivningssystem. Det senare består av motorer, växellådor och andra mekanismer som utgör huvuddelen av hela installationen. Den använder ramlösa motorer, elektromagnetiska bromsar och bland annat 3D-tryckta titanfall för att minimera konstruktionens totala vikt och volym. Som ett resultat har systemet ungefär hälften av vikten jämfört med andra enheter med liknande specifikationer.
Kampanjvideo:
För att gräva använder RASSOR två motståndstrumma skopor, var och en utrustad med flera tänder för att greppa material. När maskinen rör sig roterar trumman. Ställdon som håller dem sänks och trummorna, ihåliga inuti, skär bokstavligen av det översta lagret av ytregolit. Med andra ord plockar skördaren bara upp det översta lagret av material, snarare än att gräva djupare. En annan viktig funktion i RASSOR är boxerdesignen - trummorna roterar i olika riktningar. Detta eliminerar behovet av mycket ansträngning för att dra mark i förhållanden med låg vikt.
Så snart RASSOR-trummorna är fulla, slutar roboten att samlas in och går mot återvinningsanläggningen. För att lossa regolit, roterar maskinen helt enkelt trummorna i motsatt riktning - materialet faller genom samma hål i trummorna genom vilka det samlades. Fabriken har en egen robotlyftarm som samlar den levererade regolitten och skickar den till fabrikens lastbälte, som i sin tur levererar materialet till vakuumugnen. Där värms regoliten till höga temperaturer. Vattenmolekylerna i materialet kommer att blåsa ut av en torrgasblåsare och sedan samlas upp med en kyltermostat.
Du undrar kanske: "Är inte den Martiska regolitten torrt?" Torra, men inte överallt. Det beror på var och hur djupt du gräver. I vissa områden på planeten finns hela skikt vattenis bara några centimeter under ytan. Ännu lägre kan det finnas sulfatkalk och sandstenar, som kan innehålla upp till cirka 8 procent vatten från massans totala massa.
Efter kondens kastas den använda regolitten tillbaka till ytan, där RASSOR kan plocka upp den och ta den till en plats längre från fabriken. Detta "avfall" är faktiskt ett mycket värdefullt material eftersom det kommer att användas för att skapa defensiva strukturer för bosättningar, såväl som vägar och landningsplatser med 3D-tryckteknologi, som också utvecklas vid NASA.
Schema för gruvdrift på Mars i bilder:
Utveckling: En robot med hjul plockar upp regolith med roterande hinkar med provtagningshål.
Transport: Omvända roterande trumskopor släpper ut regoliten i fabrikens robotarm.
Bearbetning: För att utvinna vatten från regolitten värms det upp i en ugn där elektrolys av väte och syre äger rum.
Överföring: Efter att ha fått en viss volym av ämnet, laddar en annan robotarm, utrustad med ett speciellt skyddande stängt system, det på den mobila robottankfartyget.
Leverans: Tankfartyget levererar vatten, syre och metan till människors hem och lossar dem i långsiktiga lagringstankar.
Användning och lagring: Astronauter använder vatten och syre för att andas och växa växter; bränslet lagras som kryogena vätskor för framtida användning.
Allt vatten som extraheras från regolit kommer att renas noggrant. Reningsmodulen kommer att bestå av ett flerfasfiltreringssystem såväl som flera avjoniserande underlag.
Vätskan kommer inte bara att användas för att dricka. Det kommer att bli en viktig komponent för produktion av raketbränsle. När H2O-molekyler delas genom elektrolys i väte (H2) och syre (O2) molekyler och sedan komprimeras och omvandlas till en vätska, kommer det att vara möjligt att syntetisera bränsle och oxidator, som ofta används i raketmotorer med flytande drivmedel.
Utmaningen ligger i det faktum att flytande väte måste lagras vid extremt låga temperaturer. För att göra detta vill NASA konvertera väte till det bränsle som är lättast att lagra: metan (CH4). Detta ämne kan erhållas genom att kombinera väte och kol. Var får man kol på Mars?
Lyckligtvis finns det mycket på den röda planeten. Marsatmosfären är 96 procent koldioxidmolekyler. Att fånga detta kol är uppgiften för en dedikerad frys. Enkelt uttryckt kommer det att skapa torr is ur luften.
Efter att ha fått väte genom elektrolys och extraherat kolgas från atmosfären med hjälp av en kemisk process - Sabatier-reaktionen - kan de kombineras till metan. För detta utvecklar NASA en speciell reaktor. Det kommer att skapa nödvändigt tryck och temperatur för att stödja omvandlingen av väte och koldioxid till metan och vatten som en biprodukt.
En annan intressant detalj i bearbetningsanläggningen är den navelstrålande robotarmen för överföring av vätskor till tankfartyget i en mobil tankfartyg. Det ovanliga med detta system är att det är särskilt skyddat från den yttre miljön och i synnerhet damm. Regolitiskt damm är mycket fint och kan tränga in nästan överallt. Eftersom regolitten själv består av smulad vulkanisk sten, är den mycket slipande (den håller fast vid bokstavligen allt), vilket kan skapa allvarliga problem för driften av utrustning. NASA: s månmissioner tidigare har visat hur farligt detta ämne är. Det bröt mot elektronikavläsningarna, ledde till faststopp av mekanismer och blev också orsaken till funktionsfel i temperaturkontrollerna. Skydd av elektriska och vätskeöverföringskanaler för robotarmen samt all högkänslig elektronik,är en av de högsta prioriteringarna för forskare.
Programmera en umbilical robotarm för att ansluta till en mobil tankfartyg. Manipulatorn kommer att användas för att tanka tankfartyg med flytande bränsle, vatten och syre.
På varje sida av navelkammaren, monterad på en robotarm, finns dörrar som fungerar som luftlås för att hålla damm från alla inre kanaler. Tre steg krävs för att ansluta kammaren till tankfartygsmekanismen: Först efter att kammaren har fyllts måste dörrarna vara ordentligt stängda på båda sidor för att skapa en skyddande dammbarriär. För det andra, i var och en av navelkammarens dörrar, är det nödvändigt att öppna små tätningshål genom vilka åtkomst till resursöverföringskanalerna installerade på en speciell rörlig platta kommer att tillhandahållas. För det tredje är det nödvändigt att anpassa positionen för överföringskanalerna i navelkammaren och kanalerna för mottagning av material genom tankfartygsmekanismen, exakt anslutning av både elektriska och vätskekontakter.
Robotarmen från bränslebehandlingsanläggningen kommer att placera navelkammaren på den mobila robottankfartyget och sedan lossa de producerade materialen. Påfyllningssystemet i detta fall kommer att likna påfyllningsstationer på jorden, men tillsammans med bensin kommer det att pumpa vatten. Eller flytande syre. Eller flytande metan. Eller allt på en gång.
Nyligen genomförde ingenjörerna som deltog i utvecklingen av detta projekt en testdemonstration av installationen i Florida. I detta skede var forskarna tvungna att använda modellering av elektrolysprocesserna och själva ugnen för att minska installationskostnaderna och komplexiteten. Dessutom genomfördes en simulering av att erhålla tre bearbetade produkter med vatten. Men i det här fallet har både prototyper för hårdvara och programvara använts för alla delar av installationen.
Genom att sätta ihop alla bitarna kunde Swamp Works-ingenjörer ta reda på om det fanns några designproblem, liksom att identifiera några viktiga detaljer som inte skulle vara möjliga för att avgöra om sådana tester genomfördes redan under de sista utvecklings- och integrationsstegen. Enligt utvecklarna är snabb prototypning och tidig integration en distinkt strategi för deras teams arbete. Tack vare detta kan du snabbt ta reda på hur en idé fungerar, samt identifiera alla befintliga brister i ett tidigt skede.
Kärnan i Martian raketbränslefabriken är att all denna utrustning kommer att förpackas i en liten bekväm låda, levererad till Röda planeten, och sedan packas upp på egen hand och börjar slutföra sin uppgift långt innan de första människorna anländer till Mars. Utvecklingen av bemannade uppdrag till Mars kommer att bero på effektiviteten i denna autonoma fabrik. När allt kommer omkring kommer människor inte att kunna återvända till jorden i slutet av sin vakt. Dessutom har NASA också team som arbetar med att odla alla typer av mat (inklusive potatis). Den nya grödan planeras att odlas, igen på ett autonomt sätt, under skickandet av människor till Mars och deras flygningar tillbaka till jorden, så att människor alltid får en ny skörd.
I allmänhet är projektet verkligen gigantiskt och kräver noggrann förberedelse.
NASA har lång erfarenhet av autonoma rovers och lander på Mars. Till exempel har och de senaste Mars-roversna - Curiosity, som landade på Röda planeten 2012 och Mars 2020, som kommer dit 2020, har och kommer att ha en hög grad av autonomi. Skapande, leverans och användning av Martian raket och bränslefabrik på lång sikt och med maximal autonomi kräver emellertid användning av teknik som tar rymdteknik till en helt ny nivå.
För att testa robotgrävmaskinen använder NASA ett slutet område fylt med mer än hundra ton krossat vulkaniskt berg. Mineraler fungerar som en motsvarighet till det finaste och mest slipande Martian-dammet.
För att påbörja rymdkolonisering måste forskare och ingenjörer lösa många tekniska problem. Till exempel är det mycket viktigt att avgöra om varje delsystem som utvecklas i en Martian naturresursutvinningsanläggning är lämplig för uppskalning. Kommer hon att kunna tillgodose alla behov och nå den kapacitetsnivå som krävs inom ramen för bemannade uppdrag till Röda planeten.
Enligt de senaste uppskattningarna av NASA-specialister bör ett sådant system på cirka 16 månader producera cirka 7 ton flytande metan och cirka 22 ton flytande väte. Baserat på detta, för maximal avkastning, är det nödvändigt att mycket exakt bestämma de lämpligaste platserna för att installera en fabrik för insamling och bearbetning av resurser. Dessutom är det nödvändigt att beräkna hur många RASSOR-grävmaskiner som kommer att behöva levereras till Mars, liksom hur många timmar per dag de kommer att behöva arbeta för att nå en given produktionsplan. I slutändan måste du förstå hur stor en frys för kol, Sabatier-reaktorn borde vara och hur mycket energi allt det här kommer att konsumera.
Forskare måste också förutse eventuella force majeure-problem som kan störa utvinning och bearbetning av resurser, vilket potentiellt kan försena sändningen av nästa expedition till Röda planeten. Det är nödvändigt att utvärdera alla möjliga risker som är förknippade med dessa problem och i förväg utveckla de korrekta och snabba sätten att lösa dem, eventuellt utrusta systemet med redundanta element för att tillfälligt ersätta den misslyckade utrustningen.
Det är nödvändigt att se till att robotteknologier kan upprätthålla operationell verksamhet utan avbrott och behovet av underhåll under flera år, så att deras utveckling kommer att ske i strikt överensstämmelse med fastställda standarder. Till exempel kommer det att vara nödvändigt att minimera mängden använda rörliga delar. Således kommer det att vara möjligt att minimera effekten av regolith-damm på hela systemets effektivitet. Om du närmar dig frågan från andra sidan och börjar utveckla rörliga delar med högre dammbeständighet, kommer detta inte bara att komplicera hela systemet som helhet, utan också lägga till extra vikt till det, vilket, som redan nämnts, motsvarar guld.
Forskare måste också ta reda på hur och i vilka proportioner fin och solid regolit blandas med is under ytan av Mars. Dessa data hjälper dig mer effektivt att förbereda grävmaskiner för utvinning av resurser. Till exempel är den aktuella versionen av RASSOR-skopan bäst lämpad för att samla regolit blandad med klumpis. Emellertid kommer denna design att vara mindre effektiv när det är nödvändigt att "bita" i större lager fast is. För att utveckla mer lämplig utrustning är det nödvändigt att få en noggrann förståelse av distributionen av is på Mare. Ett annat alternativ är att utveckla starkare, mer komplex, tyngre och mer mångsidig utrustning som klarar alla typer av jord- och isdensitet. Men återigen är detta ett extra slöseri.
Det är fortfarande nödvändigt att lösa problem relaterade till lång lagring av superkylda vätskor. Teknologier för lagring av ämnen och material under högt tryck förbättras ständigt, men kommer modern teknik att kunna arbeta på ytan av Mars under lång tid?
Generellt sett kommer NASA-forskare under de kommande åren att hantera alla dessa problematiska frågor. Swamp Works-ingenjörer kommer i sin tur att fortsätta förbättra effektiviteten och tillgängligheten för alla utvecklade komponenter i deras system. Grävmaskiner planeras bli ännu starkare och lättare. Efter det är det planerat att börja testa dem i konstgjorda skapade och så nära Martianförhållandena som möjligt. Forskare vill också förbättra ugnen, elektrolyssystemets kvalitet och effektivitet och utveckla en skalbar modell av Sabatier-reaktorn och kylanläggningen för kolproduktion. Utvecklarna är övertygade om att lösningen av dessa och många andra problem kommer att leda till det faktum att den dammuppsamlande prototypen upphör att vara en prototyp och i slutändan kommer att engagera sig i verkligt arbete på Mars ytan.att ge framtida kolonister alla resurser som krävs för livet.
Nikolay Khizhnyak
