Vuosi on 2038. 18 kuukauden kuluttua asumisesta ja työskentelystä Marsin pinnalla kuuden tutkijan ryhmä nousee avaruusalukseen ja palaa maan päälle. Maapallolla ei ole jäljellä yhtäkään elävää sielua, mutta työ ei pysähdy täällä minuutiksi. Autonomiset robotit jatkavat mineraalien uuttamista ja toimittavat niitä prosessoitavaksi kemiallisen synteesitehtaan käyttöön, joka rakennettiin useita vuosia ennen kuin ihmiset astuivat ensimmäisen kerran Marsille. Tehdas tuottaa vettä, happea ja rakettipolttoainetta paikallisista resursseista valmistelemalla rutiininomaisesti tarvikkeita seuraavalle retkelle, joka saapuu tänne kahden vuoden päästä.
Tämä robotti tehdas ei ole tieteiskirjallisuutta. Tämä on projekti, jonka parissa työskentelevät useat NASA: n ilmailuviraston tieteelliset ryhmät. Yksi heistä, Swamp Works, työskentelee Kennedyn avaruuskeskuksessa Floridassa. Niiden virallisesti kehittämää laitosta kutsutaan ISRU: ksi (In situ Resource Utilization System), mutta sen parissa työskentelevät ihmiset ovat tottuneet kutsumaan sitä pölytehtaanksi, koska se muuntaa tavallisen pölyn rakettipolttoaineeksi. Tämän järjestelmän avulla ihmiset voivat jonakin päivänä elää ja työskennellä Marsilla sekä palata tarvittaessa maan päälle.
Miksi syntetisoida mitään Marsista? Miksi et vain tuota kaikkea tarvitsemasi sieltä maapallolta? Ongelmana on tämän nautinnon kustannukset. Joidenkin arvioiden mukaan vaaditaan yhden kilogramman hyötykuorman (esimerkiksi polttoaineen) toimittaminen Maapallosta Marsiin - toisin sanoen tämän kilogramman laskeminen matalaan maapallon kiertoradalle, lähettäminen Marsille, avaruusaluksen hidastaminen asettaessaan planeetan kiertoradalle ja lasku lopulta turvallisesti pinnalle. polttaa 225 kiloa rakettipolttoainetta. Suhde 225: 1 on edelleen tehokas. Tässä tapauksessa samat luvut ovat tyypillisiä käytettäessä mitä tahansa avaruusalusta. Toisin sanoen, jotta voidaan toimittaa sama tonni vettä, happea tai teknisiä laitteita Punaiselle planeetalle, on poltettava 225 tonnia rakettipolttoainetta. Ainoa tapa pelastaa itsesi tällaiselta kalliilta laskutoimitukselta on tuottaa oma vesi,happea tai sama polttoaine paikallaan.
Useat NASA: n tutkimus- ja suunnitteluryhmät työskentelevät tämän ongelman eri näkökohtien ratkaisemiseksi. Esimerkiksi Kennedyn avaruuskeskuksen Swamp Works -tiimi aloitti äskettäin kaikkien yksittäisten moduulien kokoamisen kaivosjärjestelmää varten. Laitos on varhainen prototyyppi, mutta se yhdistää kaikki yksityiskohdat, joita pölynkeräyslaitoksen käyttämiseen tarvitaan.
NASA: n pitkän aikavälin suunnitelma on suunnattu siirtämään Marsia, mutta nyt virasto keskittää kaiken energiansa ja huomionsa Kuuhun. Siten useimpien kehitteillä olevien laitteiden varmennus suoritetaan ensin kuun pinnalla, mikä puolestaan ratkaisee kaikki mahdolliset ongelmat, jotta ne vältetään tulevaisuudessa käytettäessä asennusta Marsiin.
Maan ulkopuolisen avaruuskappaleen pölyä ja likaa kutsutaan yleensä regolithiksi. Yleisessä mielessä puhumme vulkaanisesta kallioperästä, joka useiden miljoonien vuosien ajan muuttui eri sääolosuhteiden vaikutuksesta hienoksi jauheeksi. Marsilla, syövyttävien rauta mineraalikerroksen alla, joka antaa planeetalle kuuluisan punertavan sävyn, on paksu kerros pii- ja happirakenteita yhdistettynä rautaan, alumiiniin ja magnesiumiin. Näiden materiaalien erottaminen on erittäin vaikea tehtävä, koska näiden aineiden varastot ja pitoisuudet voivat vaihdella planeetan alueelta toiselle. Valitettavasti tätä tehtävää monimutkaistaa edelleen Marsin matala painovoima - kaivaminen tällaisissa olosuhteissa, hyödyttäen massaetu, on paljon vaikeampaa. Maapallolla käytämme louhintaan yleensä suuria koneita. Niiden koon ja painon ansiosta voit ponnistella riittävästi "purra" maahan. Tällaisen ylellisyyden kantaminen Marsiin olisi täysin mahdotonta hyväksyä. Muistatko kustannusongelman? Jokaisesta Marsille lähetetystä grammasta koko lanseerauksen hinta nousee tasaisesti. Siksi NASA pyrkii kaivamaan mineraaleja Punaisella planeetalla kevyillä laitteilla.
Avaruuskaivuri. NASA kehittää robottikaivukoneita, joissa on kaksi vastakkaisia rumpaluukkuja, jotka pyörivät vastakkaisiin suuntiin toisistaan. Tämä lähestymistapa antaa koneelle mahdollisuuden toimia pienipainoisissa olosuhteissa ja poistaa suurien voimien tarpeen.
Tapaa RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), itsenäinen kaivosmies, joka on suunniteltu vain kaivaamaan regolithia matalapainoisissa ympäristöissä. Kehittäessään RASSORia (luettava nimellä "partakone" - englanniksi "blade") NASA-insinöörit kiinnittivät erityistä huomiota sen moottorikäyttöjärjestelmään. Jälkimmäiset koostuvat moottoreista, vaihdelaatikoista ja muista mekanismeista, jotka muodostavat suurimman osan koko asennuksesta. Se käyttää kehyksetöntä moottoria, sähkömagneettisia jarruja ja muun muassa 3D-painettuja titaanilaukkuja rakenteen kokonaispainon ja -tilavuuden minimoimiseksi. Seurauksena on, että järjestelmän paino on noin puolet verrattuna muihin asemiin, joilla on samanlaiset tekniset tiedot.
Mainosvideo:
Kaivamiseen RASSOR käyttää kahta vastusteista rumpaluukkua, joissa molemmissa on useita hampaita materiaalin tarttumiseen. Kun kone liikkuu, rummun kauhat pyörivät. Niitä pitävät toimilaitteet lasketaan alas ja rummut, ontto sisällä, leikkaavat kirjaimellisesti pintakerroksen pintakerroksen. Toisin sanoen, harvesteri poimii vain ylimmän materiaalikerroksen sen sijaan, että kaivaa syvemmälle. Toinen RASSOR-ominaisuus on nyrkkeilijäsuunnittelu - rummut pyörivät eri suuntiin. Tämä poistaa tarpeen paljon työtä maaperän vetämiseksi matalan painovoiman olosuhteissa.
Heti kun RASSOR-rummut ovat täynnä, robotti lopettaa keräämisen ja siirtyy kohti kierrätyslaitosta. Regolithin purkamiseksi kone kääntää tynnyrit vain vastakkaiseen suuntaan - materiaali putoaa niiden rumpujen samojen reikien läpi, joiden läpi se on kerätty. Tehtaalla on oma robottinostovarsi, joka kerää toimitetun regolitin ja lähettää sen tehtaan lastausvyölle, joka puolestaan toimittaa materiaalin tyhjiöuuniin. Siellä regoliitti lämmitetään korkeisiin lämpötiloihin. Materiaalin sisältämät vesimolekyylit puhalletaan kuivakaasupuhaltimella ja kerätään sitten jäähdytystermostaatilla.
Saatat ihmetellä: "Eikö Marsin regoliitti ole alun perin kuiva?" Kuiva, mutta ei kaikkialla. Kaikki riippuu mistä ja kuinka syvälle kaivaa. Joillakin planeetan alueilla vesijääkerroksia on vain muutama senttimetri pinnan alapuolella. Vielä alempana voi olla sulfaattikalkkia ja hiekkakiveä, jotka voivat sisältää jopa noin 8 prosenttia vettä massan kokonaismassasta.
Kondensoitumisen jälkeen käytetty regoliitti heitetään takaisin pintaan, missä RASSOR voi poimia sen ja viedä kauemmas tehtaalta. Tämä "jäte" on itse asiassa erittäin arvokas materiaali, koska sitä käytetään rakentamaan puolustusrakenteita siirtokuntia varten sekä teitä ja laskupaikkoja käyttämällä 3D-tulostustekniikoita, joita myös NASA kehittää.
Marsin louhinnan kaavio kuvissa:
Kehitys: Pyörivä robotti poimii regolithin pyörivillä kauhoilla, joissa on näytteenottoreiät.
Kuljetus: Käännettävät pyörivät rummun kauhat purkavat regolithin tehtaan robottivarteen.
Käsittely: Veden uuttamiseksi regolitista se kuumennetaan uunissa, jossa tapahtuu vedyn ja hapen elektrolyysi.
Siirto: Saatuaan tietyn määrän ainetta, toinen robottivarsi, joka on varustettu erityisellä suojaavalla suljetulla järjestelmällä, lataa sen liikkuvalle robottisäiliöalukselle.
Toimitus: säiliöauto toimittaa vettä, happea ja metaania ihmisten koteihin ja purkaa ne pitkäaikaisvarastoihin.
Käyttö ja varastointi: Astronautit käyttävät vettä ja happea hengittämään ja kasvattamaan kasveja. polttoaine varastoidaan kryogeenisiksi nesteiksi tulevaa käyttöä varten.
Kaikki regolithista uutettava vesi puhdistetaan perusteellisesti. Puhdistusmoduuli koostuu monivaiheisesta suodatusjärjestelmästä sekä useista deionisoivista substraateista.
Nestettä ei käytetä vain juomiseen. Siitä tulee olennainen osa rakettipolttoaineen tuotantoa. Kun H2O-molekyylit jaetaan elektrolyysillä vety- (H2) ja happea (O2) -molekyyleiksi, ja sitten ne puristetaan ja muunnetaan nesteeksi, on mahdollista syntetisoida polttoaine ja hapetin, joita käytetään useimmiten nestemäisen polttoaineen rakettimoottoreissa.
Haasteena on se, että nestemäistä vetyä on varastoitava erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Tätä varten NASA haluaa muuttaa vetyä polttoaineeksi, jota on helpoin varastoida: metaaniksi (CH4). Tämä aine voidaan saada yhdistämällä vety ja hiili. Mistä saada hiiltä Marsiin?
Onneksi sitä on paljon Punaisella planeetalla. Marsin ilmakehässä on 96 prosenttia hiilidioksidimolekyylejä. Tämän hiilen sieppaaminen on erityisen pakastimen tehtävä. Yksinkertaisesti sanottuna se luo kuivaa jäätä ilmasta.
Saatuaan vedyn elektrolyysillä ja uutettu hiilikaasu ilmakehästä käyttämällä kemiallista prosessia - Sabatier-reaktiota -, ne voidaan yhdistää metaaniksi. Tätä varten NASA kehittää erityistä reaktoria. Se luo tarvittavan paineen ja lämpötilan vedyn ja hiilidioksidin muuttumisen sivutuotteena metaaniksi ja vedeksi.
Toinen mielenkiintoinen käsittelylaitoksen yksityiskohta on navan robottivarsi nesteiden siirtämiseksi liikkuvan säiliöaluksen säiliöalukseen. Tämän järjestelmän epätavallinen asia on, että se on erityisen suojattu ulkoiselta ympäristöltä ja erityisesti pölyltä. Regoliittinen pöly on erittäin hienoa ja voi tunkeutua melkein kaikkialle. Koska itse regoliitti koostuu murennetusta vulkaanisesta kivestä, se on hyvin hankaavaa (se tarttuu kirjaimellisesti kaikkeen), mikä voi aiheuttaa vakavia ongelmia laitteiden toiminnassa. NASA: n aiemmat kuun tehtävät ovat osoittaneet, kuinka vaarallinen tämä aine on. Se rikkoi elektroniikan lukemia, johti mekanismien juuttumiseen ja siitä aiheutti myös lämpötilansäätimien toimintahäiriöitä. Suojaus robottivarren sähköisiltä ja nestemäisiltä siirtokanavilla, samoin kuin mikä tahansa erittäin herkkä elektroniikka,on yksi tutkijoiden tärkeimmistä prioriteetteista.
Napanuoran robottiohjelman ohjelmointi yhteyteen siirrettävään säiliöalukseen. Käsittelylaitetta käytetään tankkaamaan tankkereita nestemäisellä polttoaineella, vedellä ja hapolla.
Napakammion molemmilla puolilla, jotka on asennettu robottivarteen, on ovet, jotka toimivat ilmalukkoina pitäen pölyn poissa kaikista sisäisistä kanavista. Kammion yhdistämiseksi säiliöalustan mekanismiin tarvitaan kolme vaihetta: Ensin, kammion täyttämisen jälkeen, ovien on oltava kunnolla kiinni molemmilta puolilta suojaavan pölynsuojauksen luomiseksi. Toiseksi jokaisessa napakammion ovessa on tarpeen avata pienet tiivistysreiät, joiden kautta pääsy erityiseen liikkuvalle levylle asennettuihin resurssien siirtokanaviin saadaan aikaan. Kolmanneksi vaaditaan kohdistamaan napakammion siirtokanavien ja materiaalin vastaanottamista varten tarkoitettujen kanavien sijainti säiliöaluksen mekanismin avulla, kytkemällä tarkasti sekä sähköiset että nesteliittimet.
Polttoaineenkäsittelylaitoksen robottivarsi asettaa napakammion liikkuvalle robottisäiliöalukselle ja purkaa sitten tuotetut materiaalit. Täyttöjärjestelmä on tässä tapauksessa hyvin samanlainen kuin maapallon tankkausasemat, mutta se pumppaa yhdessä bensiinin kanssa vettä. Tai nestemäinen happi. Tai nestemäinen metaani. Tai kaikki kerralla.
Äskettäin tämän projektin kehittämiseen osallistuneet insinöörit järjestivät koe-esityksen asennuksesta Floridassa. Tässä vaiheessa tutkijoiden piti turvautua elektrolyysiprosessien ja itse uunin mallintamiseen vähentääkseen asennuksen kustannuksia ja monimutkaisuutta. Lisäksi simuloitiin kolmen jalostetun tuotteen saaminen vedellä. Mutta tässä tapauksessa sekä laitteiston että ohjelmiston prototyyppejä on jo käytetty kaikissa asennuksen osissa.
Laittamalla kaikki kappaleet yhteen, Swamp Works -insinöörit pystyivät selvittämään tiettyjen ongelmien olemassaolon suunnittelussa ja tunnistamaan joitain tärkeitä yksityiskohtia, joita ei olisi mahdollista määrittää, suoritettiinko tällaisia testejä jo kehitys- ja integrointivaiheiden viimeisissä vaiheissa. Kehittäjien mukaan nopea prototyyppien suunnittelu ja varhainen integrointi ovat erottuva lähestymistapa heidän tiiminsä työhön. Tämän ansiosta voit nopeasti selvittää idean suorituksen ja tunnistaa kaikki olemassa olevat puutteet varhaisessa vaiheessa.
Marsin raketti- ja polttoainetehtaan ydin on, että kaikki nämä laitteet pakataan pieneen kätevään laatikkoon, toimitetaan Punaiselle planeetalle ja puretaan sitten itsenäisesti ja alkavat suorittaa tehtävänsä kauan ennen ensimmäisten ihmisten saapumista Marsille. Miehitettyjen matkojen kehitys Marsiin riippuu tämän autonomisen tehtaan tehokkuudesta. Loppujen lopuksi ilman sitä ihmiset eivät voi palata takaisin Maahan katselunsa lopussa. Lisäksi NASA: lla on myös ryhmiä, jotka työskentelevät kaikenlaisten ruokien (mukaan lukien perunat) kasvattamiseksi. Uutta satoa on tarkoitus kasvattaa jälleen kerran itsenäisesti ihmisten lähettämisen Marsiin ja heidän lentojensa takaisin maan päälle, jotta ihmisillä olisi aina uusi sato.
Yleensä projekti on todella jättimäinen ja vaatii huolellista valmistelua.
NASA: lla on laaja kokemus autonomisista rovereista ja laskulajeista Marsilla. Esimerkiksi viimeisimmillä Marsin rovereilla - Curiositylla, joka laskeutui Punaiselle planeetalle vuonna 2012 ja Mars 2020: lle, joka menee sinne vuonna 2020 - on ja heillä on korkea autonomia. Marsin rakettipolttoainetehtaan perustaminen, toimittaminen ja käyttö pitkällä aikavälillä ja mahdollisimman suurella autonomialla vaatii kuitenkin tekniikoiden käytön, jotka vievät avaruustekniikan täysin uudelle tasolle.
Robottikaivukoneen testaamiseksi NASA käyttää suljettua aluetta, joka on täynnä yli sata tonnia murskattua vulkaanista kiveä. Mineraalit toimivat vastineena hienoimmalle ja hankaavalle Marsin pölylle.
Avaruustilan siirtämisen aloittamiseksi tutkijoiden ja insinöörien on ratkaistava monia teknisiä ongelmia. Esimerkiksi, on erittäin tärkeää selvittää, soveltuuko jokainen Marsin luonnonvarojen louhintalaitoksessa kehitettävä osajärjestelmä mittakaavaan. Pystyykö hän vastaamaan kaikkiin tarpeisiin ja saavuttamaan kapasiteetin tason, jota vaaditaan Punaiselle planeetalle tehtävien miehitettyjen matkojen yhteydessä.
NASA: n asiantuntijoiden viimeaikaisten arvioiden mukaan tällaisen järjestelmän tulisi tuottaa noin 16 kuukaudessa noin 7 tonnia nestemäistä metaania ja noin 22 tonnia nestemäistä vetyä. Tämän perusteella maksimaalisen tuoton saavuttamiseksi on tarpeen määrittää erittäin tarkasti sopivimmat paikat tehtaan sijoittamiseen resurssien keräämistä ja käsittelyä varten. Lisäksi on tarpeen laskea, kuinka monta RASSOR-kaivukonetta on toimitettava Marsille, ja kuinka monta tuntia päivässä heidän on työskenneltävä tietyn tuotesuunnitelman saavuttamiseksi. Loppujen lopuksi sinun on ymmärrettävä, kuinka suuri pakastin hiilelle, Sabatier-reaktorin tulisi olla ja kuinka paljon energiaa kaikki nämä asiat kuluttavat.
Tutkijoiden on myös ennakoitava mahdollisia ylivoimaisia esteitä, jotka voivat häiritä resurssien poimimista ja käsittelyä, mikä saattaa viivästyttää seuraavan retkikunnan lähettämistä Punaiselle planeetalle. On tarpeen arvioida kaikki näihin ongelmiin liittyvät mahdolliset riskit ja kehittää etukäteen oikeita ja nopeita tapoja niiden ratkaisemiseksi. Varustamalla järjestelmä tarvittaessa tarpeettomilla elementeillä viallisen laitteen korvaamiseksi väliaikaisesti.
On välttämätöntä varmistaa, että robottiteknologia pystyy ylläpitämään operatiivista toimintaa keskeytyksettä ja ylläpitotarvetta useita vuosia, joten niiden kehittäminen tapahtuu tiukasti vakiintuneiden standardien mukaisesti. Esimerkiksi, on tarpeen minimoida käytettyjen liikkuvien osien määrä. Siksi on mahdollista minimoida regolith-pölyn vaikutus koko järjestelmän tehokkuuteen. Jos lähestyt asiaa toiselta puolelta ja ryhdyt kehittämään liikkuvia osia, joilla on korkeampi pölynkestävyys, tämä ei vain vaikeuta koko järjestelmää kokonaisuutena, vaan lisää myös siihen ylimääräistä painoa, joka, kuten jo mainittiin, vastaa kultaa.
Tutkijoiden on myös selvitettävä, kuinka ja missä suhteissa hieno ja kiinteä regoliitti sekoitetaan jään kanssa Marsin pinnan alla. Nämä tiedot auttavat sinua valmistamaan kaivinkoneet entistä tehokkaammin resurssien poimintaan. Esimerkiksi RASSOR-kauhan nykyinen versio soveltuu parhaiten keräysjään kanssa sekoitetun regoliitin keräämiseen. Tämä rakenne on kuitenkin vähemmän tehokas, kun on tarpeen "purra" suurempiin kiinteän jään kerroksiin. Soveltuvien laitteiden kehittämiseksi on välttämätöntä saada tarkka käsitys jään jakautumisesta Marellä. Toinen vaihtoehto on kehittää vahvempi, monimutkaisempi, raskaampi ja monipuolisempi laite, joka pystyy käsittelemään kaikenlaista maaperää ja jäätiheyttä. Mutta tämä on jälleen ylimääräistä tuhlausta.
Silti on välttämätöntä ratkaista jäähdytettyjen nesteiden pitkäaikaiseen varastointiin liittyvät kysymykset. Aineiden ja materiaalien varastointitekniikat korkeapaineessa paranevat jatkuvasti, mutta pystyvätkö nykyaikaiset tekniikat toimimaan Marsin pinnalla pitkään?
Yleensä NASA: n tutkijat käsittelevät tulevina vuosina kaikkia näitä ongelmallisia kysymyksiä. Swamp Works -insinöörit puolestaan parantavat edelleen järjestelmiensä kaikkien kehitettyjen komponenttien tehokkuutta ja saatavuutta. Kaivukoneiden on tarkoitus olla entistä vahvempia ja kevyempiä. Sen jälkeen on tarkoitus alkaa testata niitä keinotekoisesti luotuina ja mahdollisimman lähellä Marsin olosuhteita. Tutkijat haluavat myös parantaa uunin, elektrolyysijärjestelmän laatua ja tehokkuutta ja kehittää skaalattavaa mallia Sabatier-reaktorista ja jäähdytyslaitoksesta hiilen tuotantoa varten. Kehittäjät ovat vakuuttuneita siitä, että näiden ja monien muiden ongelmien ratkaisu johtaa siihen, että pölynkeruuprototyyppi lakkaa olemasta prototyyppi ja lopulta harjoittaa todellista työtä Marsin pinnalla.tarjota tuleville siirtomaalaisille kaikki elämän kannalta tarpeelliset resurssit.
Nikolay Khizhnyak