Rok je 2038. Po 18 mesiacoch života a práce na povrchu Marsu nastúpil tím šiestich vedcov na palubu kozmickej lode a vrátil sa na Zem. Na planéte nezostane jediná živá duša, ale práca sa tu nekončí ani minútu. Autonómne roboty pokračujú v ťažbe nerastných surovín a dodávajú ich na spracovanie do továrne na chemickú syntézu, ktorá bola postavená niekoľko rokov predtým, ako ľudia prvýkrát vstúpili na Mars. Továreň vyrába vodu, kyslík a raketové palivo z miestnych zdrojov a pravidelne pripravuje zásoby na ďalšiu expedíciu, ktorá sem dorazí o dva roky.
Táto robotická továreň nie je sci-fi. Na tomto projekte v súčasnosti pracuje niekoľko vedeckých tímov agentúry pre letectvo NASA. Jeden z nich, Swamp Works, pracuje v Kennedyho vesmírnom stredisku na Floride. Zariadenie, ktoré oficiálne vyvíja, sa nazýva systém využívania zdrojov v situáciách (ISRU), ale ľudia, ktorí na ňom pracujú, ho nazývajú prachovňou, pretože prevádza obyčajný prach na raketové palivo. Tento systém jedného dňa umožní ľuďom žiť a pracovať na Marse av prípade potreby sa vrátiť na Zem.
Prečo vôbec syntetizovať niečo na Marse? Prečo si zo Zeme neprinášate všetko, čo potrebujete? Problémom sú náklady na toto potešenie. Podľa niektorých odhadov sa bude vyžadovať dodanie jedného kilogramu užitočného zaťaženia (napríklad paliva) zo Zeme na Mars - to znamená uvedenie tohto kilogramu na obežnú dráhu Zeme, jeho odoslanie na Mars, spomalenie kozmickej lode pri vstupe na obežnú dráhu planéty a konečné pristátie bezpečne na povrch - bude potrebné. spáliť 225 kilogramov raketového paliva. Pomer 225: 1 je stále účinný. V takom prípade budú rovnaké čísla typické pri použití akejkoľvek kozmickej lode. To znamená, že na dodanie rovnakej tony vody, kyslíka alebo technického vybavenia do Červenej planéty bude potrebné spáliť 225 ton raketového paliva. Jediným spôsobom, ako sa ušetriť od tejto nákladnej aritmetiky, je vyrobiť si vlastnú vodu,kyslík alebo rovnaké palivo na svojom mieste.
Niekoľko výskumných a inžinierskych skupín v NASA pracuje na riešení rôznych aspektov tohto problému. Napríklad tím Swamp Works v Kennedyho vesmírnom stredisku nedávno začal zostavovať všetky jednotlivé moduly pre banský systém. Závod je prvotným prototypom, ale kombinuje všetky podrobnosti, ktoré budú potrebné na prevádzku zariadenia na zber prachu.
Dlhodobý plán agentúry NASA je zameraný na kolonizáciu Marsu, ale agentúra teraz sústreďuje všetku svoju energiu a pozornosť na Mesiac. Overenie väčšiny vyvíjaného zariadenia sa teda uskutoční najskôr na lunárnom povrchu, čo následne vyrieši všetky možné problémy, aby sa im v budúcnosti zabránilo pri použití inštalácie na Marse.
Prach a nečistoty na mimozemskom tele sa zvyčajne nazývajú regolit. Všeobecne sa hovorí o sopečnej hornine, ktorá sa vplyvom niekoľkých poveternostných podmienok zmenila na niekoľko miliónov rokov na jemný prášok. Na Marse, pod vrstvou korozívnych železných minerálov, ktoré dávajú planéte svoj slávny načervenalý odtieň, leží hrubá vrstva kremíkových a kyslíkových štruktúr v kombinácii so železom, hliníkom a horčíkom. Extrakcia týchto materiálov je veľmi náročná úloha, pretože zásoby a koncentrácia týchto látok sa môžu v jednotlivých oblastiach planéty líšiť. Bohužiaľ, táto úloha je ďalej komplikovaná nízkou gravitáciou Marsu - kopanie v takýchto podmienkach, využívajúce výhody hromadnej výhody, je oveľa ťažšie. Na Zemi obvykle používame na ťažbu veľké stroje. Ich veľkosť a hmotnosť vám umožňujú vynaložiť dostatočné úsilie na „uhryznutie“do zeme. Niesť taký luxus na Mars by bolo úplne neprípustné. Pamätáte si na problém s nákladmi? S každým gramom, ktorý sa posiela na Mars, sa cena celého spustenia neustále zvyšuje. NASA preto pracuje na tom, ako ťažiť nerasty na Červenej planéte pomocou ľahkého zariadenia.
Vesmírne rýpadlo. NASA vyvíja robotické rýpadlo s dvoma protiľahlými bubnami, ktoré sa otáčajú v opačných smeroch od seba. Tento prístup umožní stroju pracovať v podmienkach s nízkou gravitáciou a eliminovať potrebu veľkých síl.
Zoznámte sa s robotom RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), autonómnym baníkom navrhnutým výlučne na účely kopania regolitu v prostredí s nízkou gravitáciou. Pri vývoji modelu RASSOR (čítaného ako „britva“- z anglického „čepele“) technici NASA venovali osobitnú pozornosť systému pohonu. Tieto sa skladajú z motorov, prevodoviek a iných mechanizmov, ktoré tvoria podstatnú časť celej inštalácie. Používa bezrámové motory, elektromagnetické brzdy a okrem iného 3D tlačené titánové puzdrá na minimalizáciu celkovej hmotnosti a objemu konštrukcie. Výsledkom je, že systém má asi polovičnú hmotnosť v porovnaní s ostatnými pohonmi s podobnými špecifikáciami.
Propagačné video:
Na kopanie používa RASSOR dve vedrá opozičných bubnov, z ktorých každá je vybavená viacerými zubami na uchopenie materiálu. Keď sa stroj pohybuje, lopaty valca sa otáčajú. Ovládače, ktoré ich držia, sú spustené a bubny, vo vnútri duté, doslova odrežú vrchnú vrstvu povrchového regolitu. Inými slovami, kombajn vyberie iba hornú vrstvu materiálu, a nie kopať hlbšie. Ďalším kľúčovým rysom RASSOR je dizajn boxera - bubny sa otáčajú rôznymi smermi. Toto vylučuje potrebu veľkého úsilia ťahať pôdu v podmienkach s nízkou gravitáciou.
Akonáhle sú bubny RASSOR plné, robot prestane zbierať odpad a pokračuje smerom k recyklačnej stanici. Na vyloženie regolitu stroj jednoducho otáča bubny v opačnom smere - materiál padá cez rovnaké otvory v bubnoch, cez ktoré bol zozbieraný. Továreň má vlastné robotické zdvíhacie rameno, ktoré zbiera dodaný regolit a odosiela ho do výrobného nakladacieho pásu, ktorý následne dodáva materiál do vákuovej pece. Tam bude regolit zahrievaný na vysoké teploty. Molekuly vody obsiahnuté v materiáli budú fúkané suchým dúchadlom a potom zhromaždené pomocou chladiaceho termostatu.
Možno vás zaujíma: „Nie je marťanský regol pôvodne suchý?“Suché, ale nie všade. Všetko záleží na tom, kde a ako hlboko kopáte. V niektorých oblastiach planéty sú celé vrstvy ľadu iba niekoľko centimetrov pod povrchom. Ešte nižšie môžu byť síranové vápno a pieskovce, ktoré môžu obsahovať až asi 8 percent vody z celkovej hmotnosti masívu.
Po kondenzácii sa použitý regolit odhodí späť na povrch, kde ho RASSOR môže vyzdvihnúť a odniesť na miesto ďalej od továrne. Tento „odpad“je v skutočnosti veľmi cenným materiálom, pretože sa použije na vytvorenie obranných štruktúr pre sídla, ako aj ciest a pristávacích plôch pomocou technológií 3D tlače, ktoré sa vyvíjajú aj v NASA.
Schéma ťažby na Marse na obrázkoch:
Vývoj: Kolesový robot sníma regolit s rotujúcimi vedierkami so vzorkovacími otvormi.
Preprava: Reverzné rotujúce vedrá bubna vypúšťajú regolit do robotického ramena továrne.
Spracovanie: Na extrakciu vody z regolitu sa zohrieva v peci, kde prebieha elektrolýza vodíka a kyslíka.
Prevod: Po prijatí určitého objemu látky naloží ďalšie robotické rameno vybavené špeciálnym ochranným uzavretým systémom na mobilný robotický tanker.
Dodávka: Cisterna dodáva vodu, kyslík a metán do domovov ľudí a vykladá ich do dlhodobých skladovacích nádrží.
Použitie a skladovanie: Astronauti budú používať vodu a kyslík na dýchanie a pestovanie rastlín; palivo sa bude skladovať ako kryogénne kvapaliny pre budúce použitie.
Všetka voda, ktorá bude extrahovaná z regolitu, bude dôkladne vyčistená. Purifikačný modul bude pozostávať z viacfázového filtračného systému a niekoľkých deionizačných substrátov.
Kvapalina sa nebude používať iba na pitie. Stane sa nevyhnutnou súčasťou výroby raketového paliva. Keď sa molekuly H2O elektrolýzou rozdelia na molekuly vodíka (H2) a kyslíka (O2) a potom sa stlačia a premenia na kvapalinu, bude možné syntetizovať palivo a oxidačné činidlo, ktoré sa najčastejšie používajú v raketových motoroch na kvapalné palivo.
Výzva spočíva v tom, že kvapalný vodík sa musí skladovať pri extrémne nízkych teplotách. NASA chce na tento účel premeniť vodík na palivo, ktoré sa najľahšie ukladá: metán (CH4). Túto látku je možné získať kombináciou vodíka a uhlíka. Kde získať uhlík na Marse?
Našťastie je toho veľa na Červenej planéte. Marťanská atmosféra je 96 percent molekúl oxidu uhličitého. Zachytávanie tohto uhlíka je úlohou špecializovanej mrazničky. Jednoducho povedané, vytvorí suchý ľad zo vzduchu.
Po prijatí vodíka elektrolýzou a extrahovania plynného uhlíka z atmosféry pomocou chemického procesu - Sabatierovej reakcie - sa môžu zlúčiť do metánu. NASA preto vyvíja špeciálny reaktor. Vytvorí potrebný tlak a teplotu na podporu premeny vodíka a oxidu uhličitého na metán a vodu ako vedľajší produkt.
Ďalším zaujímavým detailom spracovateľského závodu je umbilické robotické rameno na prenos tekutín do tankera mobilného tankera. Neobvyklá vec tohto systému je, že je špeciálne chránený pred vonkajším prostredím a najmä prachom. Regolitický prach je veľmi jemný a môže preniknúť takmer všade. Pretože samotný regolit pozostáva z rozpadnutej sopečnej horniny, je veľmi drsný (prilieha doslova na všetko), čo môže spôsobiť vážne problémy s prevádzkou zariadenia. Lunárne misie NASA v minulosti ukázali, aká nebezpečná je táto látka. Porušilo to čítanie elektroniky, viedlo k rušeniu mechanizmov a tiež sa stalo príčinou porúch v regulátoroch teploty. Ochrana elektrických a kvapalných prenosových kanálov robotického ramena, ako aj akejkoľvek vysoko citlivej elektroniky,je jednou z najvyšších priorít pre vedcov.
Programovanie umbilikálnej robotickej ruky na pripojenie k mobilnému tankeru. Manipulátor sa použije na tankovanie tankerov kvapalným palivom, vodou a kyslíkom.
Na každej strane pupočnej komory namontovanej na robotickom ramene sú dvere, ktoré pôsobia ako vzduchové uzávery, aby zabránili prachu zo všetkých vnútorných kanálov. Na pripojenie komory k mechanizmu cisternového vozidla sú potrebné tri kroky: Najskôr musia byť dvere po naplnení komory bezpečne uzavreté na oboch stranách, aby sa vytvorila ochranná protiprachová bariéra. Po druhé, v každom z dverí pupočnej komory je potrebné otvoriť malé tesniace otvory, cez ktoré bude zabezpečený prístup k kanálom na prenos zdrojov inštalovaným na špeciálnej pohyblivej doske. Po tretie, je potrebné vyrovnať polohu prenosových kanálov pupočnej komory a kanálov na prijímanie materiálu tankerovým mechanizmom, pričom sa presne spoja elektrické aj kvapalinové konektory.
Robotické rameno zariadenia na spracovanie paliva umiestni umbilikálnu komoru na mobilný robotický tanker a potom vyloží vyrobené materiály. Plniaci systém bude v tomto prípade veľmi podobný čerpacím staniciam na Zemi, ale spolu s benzínom bude čerpať vodu. Alebo tekutý kyslík. Alebo tekutý metán. Alebo naraz.
Inžinieri podieľajúci sa na vývoji tohto projektu nedávno vykonali skúšobnú ukážku inštalácie na Floride. V tejto fáze sa vedci museli uchýliť k modelovaniu elektrolytických procesov a samotnej pece, aby sa znížili náklady a zložitosť zariadenia. Okrem toho sa uskutočnila simulácia získavania troch spracovaných produktov pomocou vody. V tomto prípade sa však hardvérové aj softvérové prototypy už použili pre všetky súčasti inštalácie.
Zostavením všetkých kúskov inžinieri spoločnosti Swamp Works dokázali zistiť, či sa vyskytli nejaké problémy s dizajnom, ako aj identifikovať niektoré dôležité podrobnosti, ktoré by nebolo možné určiť, či sa takéto skúšky vykonali už v posledných fázach vývoja a integrácie. Podľa vývojárov je rýchlym prototypovaním a včasnou integráciou charakteristický prístup k práci ich tímu. Vďaka tomu môžete rýchlo zistiť výkonnosť nápadu a včas zistiť všetky existujúce nedostatky.
Podstatou marťanskej továrne na raketové palivo je to, že všetko toto vybavenie bude zabalené v malej praktickej krabici, dodané Červenej planéte a potom rozbalené samo o sebe a začne plniť svoju úlohu dlho predtým, ako prví ľudia prídu na Mars. Vývoj misií s posádkou na Mars bude závisieť od efektívnosti tejto autonómnej továrne. Koniec koncov, bez toho, ľudia sa nebudú môcť vrátiť naspäť na Zem na konci svojich hodiniek. NASA má tiež tímy, ktoré pracujú na pestovaní všetkých druhov potravín (vrátane zemiakov). Nová plodina sa plánuje pestovať opäť autonómnym spôsobom počas posielania ľudí na Mars a ich letov späť na Zem, aby ľudia mali vždy čerstvú úrodu.
Vo všeobecnosti je projekt skutočne obrovský a vyžaduje si dôkladnú prípravu.
NASA má bohaté skúsenosti s autonómnymi rovermi a pristávacími stanicami na Marse. Napríklad najnovšie Mars rovery - zvedavosť, ktoré pristáli na Červenej planéte v roku 2012 a Mars 2020, ktoré tam pôjdu v roku 2020 - majú a budú mať vysokú mieru autonómie. Vytvorenie, dodávka a použitie marťanského závodu na výrobu raketového paliva však bude z dlhodobého hľadiska as maximálnou úrovňou autonómie vyžadovať použitie technológií, ktoré posunú vesmírne inžinierstvo na úplne novú úroveň.
Na testovanie robotického rýpadla používa NASA uzavretý priestor plný viac ako sto ton rozdrvenej vulkanickej horniny. Minerály slúžia ako náprotivok k najjemnejšiemu a najdrsnejšiemu marťanskému prachu.
Aby vedci a inžinieri začali s kolonizáciou vesmíru, musia vyriešiť mnoho technických problémov. Napríklad je veľmi dôležité určiť, či je každý subsystém vyvíjaný v zariadení na ťažbu prírodných zdrojov na Marse vhodný na zväčšovanie. Bude schopná uspokojiť všetky potreby a dosiahnuť úroveň kapacity, ktorá bude potrebná v rámci misií s posádkou pri Červenej planéte.
Podľa posledných odhadov odborníkov NASA by taký systém mal za približne 16 mesiacov produkovať asi 7 ton tekutého metánu a asi 22 ton tekutého vodíka. Na základe toho je pre maximálnu efektívnosť potrebné veľmi presne určiť najvhodnejšie miesta na nasadenie závodu na zhromažďovanie a spracovanie zdrojov. Ďalej je potrebné vypočítať, koľko rýpadiel RASSOR bude potrebné dodať na Mars, a koľko hodín denne budú musieť pracovať, aby dosiahli daný výrobný plán. Nakoniec musíte pochopiť, aký veľký by mal byť mraziaci box na uhlík, reaktor Sabatier a koľko energie všetky tieto veci spotrebujú.
Vedci musia tiež predvídať možné problémy vyššej moci, ktoré môžu zasahovať do ťažby a spracovania zdrojov, čo môže oneskoriť odoslanie ďalšej expedície na Červenú planétu. Je potrebné vyhodnotiť všetky možné riziká spojené s týmito problémami a vopred vyvinúť správne a rýchle spôsoby ich riešenia, prípadne vybaviť systém redundantnými prvkami na dočasnú výmenu chybného zariadenia.
Je potrebné zabezpečiť, aby robotické technológie mohli udržiavať prevádzkové činnosti bez prerušenia a potreby údržby niekoľko rokov, aby sa ich vývoj vykonával v prísnom súlade so stanovenými normami. Napríklad bude potrebné minimalizovať množstvo použitých pohyblivých častí. Takto bude možné minimalizovať účinok regolitového prachu na účinnosť celého systému. Ak sa k tejto otázke priblížime z druhej strany a začneme vyvíjať pohyblivé časti s vyššou odolnosťou proti prachu, nebude to len komplikovať celý systém ako celok, ale bude to tiež zvyšovať váhu, čo, ako už bolo spomenuté, je rovnaké ako zlato.
Vedci musia tiež zistiť, ako a v akom pomere sa jemný a pevný regolit zmieša s ľadom pod povrchom Marsu. Tieto údaje vám pomôžu efektívnejšie pripraviť rýpadlá na ťažbu surovín. Napríklad aktuálna verzia vedra RASSOR je najvhodnejšia na zber regolitu zmiešaného s kusovým ľadom. Táto konštrukcia však bude menej účinná, keď bude potrebné "zahryznúť" do väčších vrstiev tuhého ľadu. Aby bolo možné vyvinúť vhodnejšie vybavenie, je potrebné získať presné pochopenie distribúcie ľadu na Mare. Ďalšou možnosťou je vyvinúť silnejšie, zložitejšie, ťažšie a univerzálnejšie vybavenie, ktoré zvládne akýkoľvek druh pôdy a hustoty ľadu. Ale opäť je to ďalší odpad.
Stále je potrebné vyriešiť problémy týkajúce sa dlhodobého skladovania podchladených tekutín. Technológie na skladovanie látok a materiálov pod vysokým tlakom sa neustále zdokonaľujú, ale budú moderné technológie schopné dlhodobo pracovať na povrchu Marsu?
Všeobecne sa v nasledujúcich rokoch budú vedci NASA zaoberať všetkými týmito problémovými otázkami. Inžinieri spoločnosti Swamp Works zase budú naďalej zvyšovať efektívnosť a dostupnosť všetkých vyvinutých komponentov svojho systému. Rýpadlá sa plánujú vyrobiť ešte silnejšie a ľahšie. Potom sa plánuje ich testovanie v umelo vytvorených a čo najbližšie k marťanským podmienkam. Vedci tiež chcú zlepšiť kvalitu a efektívnosť pece, elektrolytického systému a vyvinúť škálovateľný model reaktora a chladiaceho zariadenia Sabatier na výrobu uhlíka. Vývojári sú presvedčení, že riešenie týchto a mnohých ďalších problémov povedie k tomu, že prototyp na zachytávanie prachu prestane byť prototypom a nakoniec sa zapojí do skutočnej práce na povrchu Marsu.poskytovaním budúcich kolonistov všetky zdroje potrebné pre život.
Nikolay Khizhnyak