Anul este 2038. După 18 luni de viață și de lucru pe suprafața lui Marte, o echipă de șase cercetători se îmbarcă pe nava spațială și se întoarce pe Pământ. Nu a mai rămas un singur suflet viu pe planetă, dar munca nu se oprește aici nici un minut. Roboții autonomi continuă să extragă minerale și să-i livreze pentru prelucrare către o fabrică de sinteză chimică care a fost construită cu câțiva ani înainte ca oamenii să pună prima dată pe Marte. Fabrica produce apă, oxigen și combustibil de rachetă din resurse locale, pregătind în mod curent aprovizionări pentru următoarea expediție, care va ajunge aici în doi ani.
Această fabrică robotică nu este science fiction. Acesta este un proiect la care mai multe echipe științifice ale agenției aerospatiale NASA lucrează în prezent. Unul dintre ei, Swamp Works, lucrează la Kennedy Space Center din Florida. Facilitatea pe care o dezvoltă oficial se numește Sistem de utilizare a resurselor in situ (ISRU), dar oamenii care lucrează la aceasta tind să o numească fabrică de praf, deoarece transformă praful obișnuit în combustibil de rachetă. Acest sistem va permite oamenilor să trăiască și să lucreze pe Marte, precum și să se întoarcă pe Pământ, dacă este necesar.
De ce să sintetizăm ceva pe Marte? De ce să nu aduci tot ce ai nevoie acolo de pe Pământ? Problema este costul acestei plăceri. Conform unor estimări, livrarea unui kilogram de sarcină utilă (de exemplu, combustibil) de pe Pământ către Marte - adică punerea acestui kilogram pe orbita Pământului scăzut, trimiterea lui pe Marte, încetinirea navei spațiale la intrarea pe orbita planetei și în final aterizarea în siguranță pe suprafață - va fi necesară. arde 225 de kilograme de rachetă. Raportul 225: 1 este încă eficient. În acest caz, aceleași cifre vor fi tipice atunci când utilizați orice navă spațială. Adică, pentru a livra aceeași tonă de apă, oxigen sau echipament tehnic pe Planeta Roșie, 225 tone de rachetă va trebui să fie arse. Singura modalitate de a te salva de o aritmetică atât de costisitoare este să îți produci propria apă,oxigen sau același combustibil în loc.
Mai multe grupuri de cercetare și inginerie de la NASA lucrează la rezolvarea diverselor aspecte ale acestei probleme. De exemplu, echipa Swamp Works de la Kennedy Space Center a început recent să asambleze toate modulele individuale pentru un sistem minier. Planta este un prototip timpuriu, dar combină toate părțile care vor fi necesare pentru a opera o instalație de colectare a prafului.
Planul pe termen lung al NASA are ca scop colonizarea planetei Marte, dar acum agenția și-a concentrat toată energia și atenția pe Lună. Astfel, verificarea majorității echipamentelor dezvoltate va fi efectuată mai întâi pe suprafața lunară, care, la rândul său, va rezolva toate problemele posibile pentru a le evita în viitor atunci când folosiți instalația de pe Marte.
Praful și murdăria de pe un corp spațial extraterestru se numește de regulă regulit. În sens general, vorbim despre roca vulcanică, care peste câteva milioane de ani, sub influența diferitelor condiții meteorologice, s-a transformat într-o pulbere fină. Pe Marte, sub un strat de minerale corozive din fier care conferă planetei faimoasa nuanță roșiatică, se află un strat gros de structuri de siliciu și oxigen combinate cu fier, aluminiu și magneziu. Extragerea acestor materiale este o sarcină foarte dificilă, deoarece rezervele și concentrația acestor substanțe pot varia de la o zonă a planetei la alta. Din păcate, această sarcină este complicată în continuare de gravitatea scăzută a lui Marte - săparea în astfel de condiții, profitând de avantajul masei, este mult mai dificilă. Pe Pământ, folosim de obicei mașini mari pentru minerit. Dimensiunea și greutatea lor vă permit să faceți suficient efort pentru a „mușca” în pământ. A duce un asemenea lux pe Marte ar fi complet inadmisibil. Țineți minte problema costurilor? Cu fiecare gram trimis pe Marte, prețul întregii lansări va crește constant. Prin urmare, NASA lucrează la modul de extragere a mineralelor de pe Planeta Roșie folosind echipamente ușoare.
Excavator spațial. NASA dezvoltă un excavator robotizat cu două găleți de tambur opuse care se rotesc în direcții opuse una de cealaltă. Această abordare va permite mașinii să funcționeze în condiții de gravitație scăzută și va elimina nevoia de forțe mari.
Faceți cunoștință cu RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), un miner autonom conceput cu scopul unic de a săpa regulit în medii cu gravitație scăzută. Atunci când dezvoltă RASSOR (citiți ca „ras” - din „lama” engleză), inginerii NASA au acordat o atenție deosebită sistemului său de acționare a puterii. Acestea din urmă constau din motoare, cutii de viteze și alte mecanisme care alcătuiesc cea mai mare parte a întregii instalații. Utilizează motoare fără rame, frâne electromagnetice și, printre altele, cutii de titan tipărite 3D pentru a reduce greutatea și volumul total al structurii. Drept urmare, sistemul are aproximativ jumătate din greutate în comparație cu alte unități cu specificații similare.
Video promotional:
Pentru a săpa, RASSOR folosește două găleți cu tambur de opoziție, fiecare echipat cu mai mulți dinți pentru a apuca materialul. Când mașina se mișcă, gălețile tamburului se rotesc. Actuatoarele care le țin sunt coborâte, iar tamburele, scobite în interior, tăiați literalmente stratul superior al regulitului de suprafață. Cu alte cuvinte, secerătoarea nu ridică decât stratul superior al materialului, decât să sape mai adânc. O altă caracteristică cheie a RASSOR este designul boxerului - tamburele se rotesc în direcții diferite. Acest lucru elimină nevoia de mult efort pentru a trage solul în condiții de gravitație redusă.
De îndată ce tobele RASSOR sunt pline, robotul nu mai colectează și se îndreaptă spre instalația de reciclare. Pentru a descărca regulit, mașina roteste pur și simplu tobele în direcția opusă - materialul cade prin aceleași orificii din tamburile prin care a fost colectat. Fabrica are propriul său braț de ridicare robot colectează regulitul livrat și îl trimite la centura de încărcare a fabricii, care la rândul său livrează materialul la cuptorul cu vid. Acolo, regulitul va fi încălzit la temperaturi ridicate. Moleculele de apă conținute în material vor fi expulzate de un ventilator de gaz uscat și apoi colectate folosind un termostat de răcire.
Poate vă întrebați: "Regitul marțian nu este uscat inițial?" Uscat, dar nu peste tot. Totul depinde de unde și cât de adânc săpați. În unele zone ale planetei, există straturi întregi de gheață cu apă la doar câțiva centimetri sub suprafață. Chiar și mai jos pot exista calciu sulfat și pietre de nisip, care pot conține până la aproximativ 8 la sută de apă din masa totală a masivului.
După condensare, regulitul cheltuit este aruncat înapoi la suprafață, unde RASSOR îl poate ridica și duce într-un loc mai îndepărtat de la fabrică. Aceste „deșeuri” sunt de fapt un material foarte valoros, deoarece vor fi folosite pentru a crea structuri defensive pentru așezări, precum și drumuri și locuri de aterizare folosind tehnologii de imprimare 3D, care sunt de asemenea dezvoltate la NASA.
Schema mineritului pe Marte în imagini:
Dezvoltare: Un robot cu roți ridică regulit cu găleți rotative cu găuri de prelevare.
Transport: gălețile de tambur rotativ invers descarcă regulitul în brațul robotic al fabricii.
Prelucrare: Pentru a extrage apa din regulit, aceasta este încălzită într-un cuptor, unde are loc electroliza hidrogenului și oxigenului.
Transfer: după ce a primit un anumit volum de substanță, un alt braț robot, echipat cu un sistem special de protecție închis, îl încarcă pe cisterna robotizată mobil.
Livrare: Cisterna livrează apă, oxigen și metan în casele oamenilor și le descarcă în rezervoare de depozitare pe termen lung.
Utilizare și depozitare: Astronauții vor folosi apă și oxigen pentru a respira și a cultiva plante; combustibilul va fi depozitat sub formă de lichide criogenice pentru utilizare viitoare.
Toată apa care va fi extrasă din regulit va fi purificată complet. Modulul de purificare va consta dintr-un sistem de filtrare multifazică, precum și mai multe substraturi deionizante.
Lichidul nu va fi utilizat doar pentru băut. Va deveni o componentă esențială pentru producția de rachetă. Atunci când moleculele H2O sunt împărțite prin electroliză în molecule cu hidrogen (H2) și oxigen (O2), apoi comprimate și transformate într-un lichid, va fi posibilă sintetizarea combustibilului și oxidantului, care sunt cel mai des utilizate în motoarele cu rachete cu propulsor lichid.
Provocarea constă în faptul că hidrogenul lichid trebuie păstrat la temperaturi extrem de scăzute. Pentru a face acest lucru, NASA vrea să transforme hidrogenul în combustibilul cel mai ușor de depozitat: metanul (CH4). Această substanță poate fi obținută combinând hidrogenul și carbonul. Unde să obțineți carbon pe Marte?
Din fericire, există o mulțime de lucruri pe Planeta Roșie. Atmosfera marțiană este de 96 la sută molecule de dioxid de carbon. Captarea acestui carbon este sarcina unui congelator dedicat. În termeni simpli, va crea gheață uscată în aer.
După ce au primit hidrogen prin electroliză și extras gaz de carbon din atmosferă, folosind un proces chimic - reacția Sabatier - ele pot fi combinate în metan. Pentru aceasta, NASA dezvoltă un reactor special. Va crea presiunea și temperatura necesară pentru a sprijini conversia hidrogenului și dioxidului de carbon în metan și apă ca produs secundar.
Un alt detaliu interesant al instalației de prelucrare este brațul robotizat ombilical pentru transferul lichidelor în cisterna unui cistern mobil. Lucrul neobișnuit al acestui sistem este faptul că este protejat în mod special de mediul extern și, în special, de praf. Praful regolitic este foarte fin și poate pătrunde aproape peste tot. Deoarece regulitul în sine constă dintr-o rocă vulcanică prăbușită, este foarte abraziv (se agață de literalmente totul), ceea ce poate crea probleme grave pentru funcționarea echipamentelor. Misiunile lunare ale NASA în trecut au arătat cât de periculoasă este această substanță. Acesta a încălcat citirile electronice, a dus la blocarea mecanismelor și a devenit, de asemenea, cauza defecțiunilor regulatoarelor de temperatură. Protecția canalelor electrice și de transmisie a lichidului brațului robot, precum și a oricărei electronice extrem de sensibile,este una dintre cele mai înalte priorități pentru oamenii de știință.
Programarea unui braț robot ombilical pentru conectarea la un cistern mobil. Manipulatorul va fi folosit pentru alimentarea cisternelor cu combustibil lichid, apă și oxigen.
Pe fiecare parte a camerei ombilicale, montată pe un braț robot, există uși care acționează ca niște încuietori de aer pentru a păstra praful din toate canalele interne. Pentru conectarea camerei la mecanismul cisternă sunt necesare trei pași: În primul rând, după umplerea camerei, ușile trebuie să fie închise bine pe ambele părți pentru a crea o barieră de protecție anti-praf. În al doilea rând, în fiecare dintre ușile camerei ombilicale, este necesar să se deschidă mici găuri de etanșare prin care să fie asigurat accesul la canalele de transfer de resurse instalate pe o placă mobilă specială. În al treilea rând, este necesar să se alinieze poziția canalelor de transmisie a camerei ombilicale și a canalelor pentru primirea materialului prin mecanismul cisternă, conectând cu precizie atât conectori electrici cât și lichizi.
Brațul robot al instalației de procesare a combustibilului va plasa camera ombilicală pe cisterna robotizată mobil și apoi va descărca materialele produse. Sistemul de umplere în acest caz va fi foarte asemănător cu stațiile de alimentare pe Pământ, dar, împreună cu benzina, va pompa apa. Sau oxigen lichid. Sau metan lichid. Sau toate deodată.
Recent, inginerii implicați în dezvoltarea acestui proiect au efectuat o demonstrație de testare a instalației în Florida. În această etapă, oamenii de știință au fost nevoiți să recurgă la modelarea proceselor de electroliză și a cuptorului în sine pentru a reduce costurile și complexitatea instalației. În plus, a fost efectuată o simulare a obținerii a trei produse procesate cu apă. Dar în acest caz, atât prototipurile hardware, cât și software-ul au fost deja utilizate pentru toate părțile instalării.
Combinând toate piesele împreună, inginerii Swamp Works au putut afla dacă există probleme în proiectare, precum și să identifice unele detalii importante care nu ar fi posibil să stabilească dacă astfel de teste au fost efectuate deja în ultimele etape de dezvoltare și integrare. Potrivit dezvoltatorilor, prototiparea rapidă și integrarea timpurie reprezintă o abordare distinctivă a muncii echipei lor. Datorită acestui fapt, puteți afla rapid performanța unei idei, precum și identifica toate deficiențele existente într-o etapă timpurie.
Esența fabricii de rachete și combustibili marțieni este că toate aceste echipamente vor fi ambalate într-o cutie convenabilă mică, livrată pe Planeta Roșie, apoi despachetată pe cont propriu și va începe să își îndeplinească sarcina cu mult înainte ca primii oameni să ajungă pe Marte. Dezvoltarea misiunilor cu echipaj pe Marte va depinde de eficiența acestei fabrici autonome. La urma urmei, fără ea, oamenii nu se vor mai putea întoarce înapoi pe Pământ la sfârșitul ceasului lor. În plus, NASA are și echipe care lucrează la creșterea tuturor tipurilor de alimente (inclusiv cartofi). Noua recoltă este planificată să fie cultivată, din nou într-un mod autonom, în timpul trimiterii oamenilor pe Marte și zborurile lor înapoi pe Pământ, astfel încât oamenii să aibă mereu o recoltă proaspătă.
În general, proiectul este cu adevărat gigantic și necesită o pregătire atentă.
NASA are o experiență vastă cu rovers autonomi și aterizatori pe Marte. De exemplu, cele mai recente rovers Marte - Curiozitatea, care a aterizat pe Planeta Roșie în 2012 și Marte 2020, care va merge acolo în 2020 - au și vor avea un nivel ridicat de autonomie. Cu toate acestea, crearea, livrarea și utilizarea fabricii de rachete marțiene pe termen lung și cu un nivel maxim de autonomie va necesita utilizarea tehnologiilor care vor duce ingineria spațială la un nivel complet nou.
Pentru a testa excavatorul robot, NASA folosește o zonă închisă plină cu mai mult de o sută de tone de rocă vulcanică strivită. Mineralele servesc drept contrapartidă la cele mai fine și mai abrazive praf marțian.
Pentru a începe colonizarea spațiului, oamenii de știință și inginerii trebuie să rezolve multe probleme tehnice. De exemplu, este foarte important să se stabilească dacă fiecare subsistem dezvoltat într-o instalație de extracție a resurselor naturale marțiene este potrivit pentru extinderea la scară. Va putea să răspundă tuturor nevoilor și să atingă nivelul de capacitate care va fi necesar în cadrul misiunilor cu echipaj pe Planeta Roșie.
Conform estimărilor recente ale specialiștilor NASA, un astfel de sistem în aproximativ 16 luni ar trebui să producă aproximativ 7 tone de metan lichid și aproximativ 22 tone de hidrogen lichid. Pe baza acestui lucru, pentru o rentabilitate maximă, este necesar să se determine foarte precis locurile cele mai potrivite pentru desfășurarea unei fabrici pentru colectarea și procesarea resurselor. În plus, este necesar să se calculeze câte excavatoare RASSOR vor trebui livrate pe Marte, precum și câte ore pe zi vor trebui să lucreze pentru a atinge un plan de producție dat. La final, trebuie să înțelegeți cât de mare ar trebui să fie un congelator pentru carbon, reactorul Sabatier și câtă energie va consuma toate aceste lucruri.
Oamenii de știință trebuie, de asemenea, să anticipeze posibile probleme de forță majoră care pot interfera cu extragerea și procesarea resurselor, putând întârzia trimiterea următoarei expediții pe Planeta Roșie. Este necesar să evaluați toate riscurile posibile asociate acestor probleme și să dezvoltați în avans modalitățile corecte și rapide de soluționare a acestora, echipând eventual sistemul cu elemente redundante pentru a înlocui temporar echipamentul defectat.
Este necesar să se asigure că tehnologiile robotice pot menține activități operaționale fără întrerupere și necesitatea întreținerii timp de câțiva ani, astfel încât dezvoltarea lor va fi realizată în conformitate cu standardele stabilite. De exemplu, va fi necesară reducerea cantității de piese mobile folosite. Astfel, va fi posibil să se minimizeze efectul prafului de regite asupra eficienței întregului sistem. Dacă abordați problema din partea cealaltă și începeți să dezvoltați piese în mișcare cu o rezistență mai mare la praf, atunci aceasta nu va numai să complice întregul sistem în ansamblu, dar va adăuga și o greutate suplimentară, ceea ce, așa cum am menționat deja, este echivalent cu aurul.
Oamenii de știință trebuie, de asemenea, să își dea seama cum și în ce proporții este amestecat regulitul fin și solid cu gheața de sub suprafața lui Marte. Aceste date vă vor ajuta să pregătiți mai eficient excavatoarele pentru extragerea resurselor. De exemplu, versiunea actuală a cupei RASSOR este cea mai potrivită pentru colectarea regulitului amestecat cu gheață plină. Cu toate acestea, acest design va fi mai puțin eficient atunci când este necesar să „mușcați” în straturi mai mari de gheață solidă. Pentru a dezvolta echipamente mai potrivite, este necesară obținerea unei înțelegeri corecte a distribuției gheții pe Mare. O altă opțiune este să dezvolți echipamente mai puternice, mai complexe, mai grele și mai versatile, care să poată gestiona orice tip de sol și densitate de gheață. Dar, din nou, aceasta este o pierdere suplimentară.
Totuși, este necesar să se rezolve probleme legate de depozitarea îndelungată a lichidelor supraîncărcate. Tehnologiile de stocare a substanțelor și a materialelor sub presiune ridicată se îmbunătățesc constant, dar tehnologiile moderne vor putea să funcționeze mult timp pe suprafața planetei Marte?
În general, în anii următori, oamenii de știință NASA se vor ocupa de toate aceste probleme problematice. La rândul lor, inginerii Swamp Works vor continua să îmbunătățească eficiența și disponibilitatea tuturor componentelor dezvoltate ale sistemului lor. Excavatoarele sunt planificate să fie și mai puternice și mai ușoare. După aceea, este planificat să înceapă testarea lor în condiții create artificial și cât mai aproape de condițiile marțiene. Oamenii de știință doresc, de asemenea, să îmbunătățească calitatea și eficiența cuptorului, a sistemului de electroliză și să dezvolte un model scalabil al reactorului Sabatier și al instalației frigorifice pentru producția de carbon. Dezvoltatorii sunt încrezători că soluția acestor probleme și a multor alte probleme va duce la faptul că prototipul de colectare a prafului va înceta să mai fie un prototip și, în final, va face lucrări reale pe suprafața lui Marte.oferind viitorilor coloniști toate resursele necesare vieții.
Nikolay Khizhnyak
