Metai yra 2038 metai. Po 18 mėnesių gyvenimo ir darbo Marso paviršiuje šešių tyrėjų komanda įlipo į erdvėlaivį ir grįžta į Žemę. Planetoje nėra nė vienos gyvos sielos, tačiau darbas čia nesustoja nė minutės. Autonominiai robotai ir toliau iškasa mineralus ir tiekia juos perdirbti į cheminės sintezės gamyklą, kuri buvo pastatyta kelerius metus prieš žmonėms pirmą kartą žengiant koja į Marsą. Gamykla iš vietinių išteklių gamina vandenį, deguonį ir raketų kurą, reguliariai ruošdama atsargas kitai ekspedicijai, kuri čia atvyks po dvejų metų.
Šis robotų fabrikas nėra mokslinė fantastika. Tai projektas, prie kurio šiuo metu dirba kelios NASA kosmoso agentūros mokslinės grupės. Vienas iš jų, „Swamp Works“, dirba Kenedžio kosmoso centre Floridoje. Objektas, kurį jie oficialiai kuria, yra vadinama „In situ išteklių naudojimo sistema (ISRU)“, tačiau žmonės, dirbantys joje, linkę vadinti ją dulkių gamykla, nes ji paprastas dulkes paverčia raketų kuru. Ši sistema vieną dieną leis žmonėms gyventi ir dirbti Marse, taip pat prireikus grįžti į Žemę.
- „Salik.biz“
Kodėl iš viso nieko sintetinti Marse? Kodėl gi ne tik iš žemės parsivežti viską, ko reikia? Problema yra šio malonumo kaina. Remiantis kai kuriais skaičiavimais, reikės pristatyti vieną kilogramą naudingo krovinio (pavyzdžiui, kuro) iš Žemės į Marsą - tai yra, šį kilogramą iškelti į žemos Žemės orbitą, nusiųsti į Marsą, sulėtinti erdvėlaivio patekimą į planetos orbitą ir galiausiai saugiai nusileisti į paviršių. sudegino 225 kilogramus raketų kuro. 225: 1 santykis vis dar galioja. Tokiu atveju tie patys skaičiai bus tipiški naudojant bet kurį erdvėlaivį. Tai yra, norint pristatyti tą pačią toną vandens, deguonies ar techninę įrangą į Raudonąją planetą, reikės sudeginti 225 tonas raketų kuro. Vienintelis būdas išsigelbėti nuo tokios brangios aritmetikos yra pasigaminti savo vandens,deguonis arba tas pats kuras vietoje.
Kelios NASA tyrimų ir inžinerijos grupės dirba spręsdamos įvairius šios problemos aspektus. Pavyzdžiui, Kenedžio kosminio centro „Swamp Works“komanda neseniai pradėjo surinkti visus atskirus kasybos sistemos modulius. Augalas yra ankstyvasis prototipas, tačiau jis sujungia visas detales, kurių reikės dulkių surinkimo gamyklai eksploatuoti.
NASA ilgalaikis planas yra skirtas Marso kolonizavimui, tačiau dabar agentūra visą savo energiją ir dėmesį telkia į Mėnulį. Taigi daugumos sukurtų įrenginių tikrinimas pirmiausia bus atliekamas Mėnulio paviršiuje, o tai savo ruožtu išspręs visas įmanomas problemas, kad ateityje jų išvengtumėte naudodamiesi instaliacija Marse.
Dulkės ir nešvarumai ant nežemiškos kosminės kūno paprastai vadinami regolitais. Bendrąja prasme mes kalbame apie vulkaninę uolieną, kuri per keletą milijonų metų, veikiama įvairių oro sąlygų, virto smulkiais milteliais. Marse po korozinių geležies mineralų sluoksniu, suteikiančiu planetai garsų rausvą atspalvį, yra storas silicio ir deguonies struktūrų sluoksnis, sujungtas su geležimi, aliuminiu ir magniu. Šių medžiagų gavyba yra labai sunki užduotis, nes šių medžiagų atsargos ir koncentracija skirtinguose planetos plotuose gali skirtis. Deja, šią užduotį dar labiau apsunkina mažas Marso sunkis - kasti tokiomis sąlygomis, pasinaudojant masės pranašumu, yra daug sunkiau. Žemėje kasyboje dažniausiai naudojame dideles mašinas. Jų dydis ir svoris leidžia pakankamai stengtis „įkąsti“į žemę. Nešti tokią prabangą Marsui būtų visiškai nepriimtina. Prisimenate išlaidų problemą? Su kiekvienu gramu, siunčiamu į Marsą, viso starto kaina stabiliai didės. Todėl NASA dirba, kaip naudingoje įrangoje iškasti mineralus Raudonojoje planetoje.
Kosminis ekskavatorius. NASA kuria robotizuotą ekskavatorių su dviem priešingais būgnų kaušais, besisukančiais priešingomis kryptimis vienas nuo kito. Šis požiūris leis mašinai veikti mažo sunkio sąlygomis ir pašalins didelių jėgų poreikį.
Susipažinkite su „RASSOR“(„Regolith“pažengusių paviršiaus sistemų eksploatavimo robotu) - autonominiu šachtininku, skirtu vien tik kasti regolitą žemo sunkio sąlygomis. Kurdami RASSOR (skaitykite kaip „skustuvas“- iš angliško „blade“), NASA inžinieriai atkreipė ypatingą dėmesį į jo galios pavaros sistemą. Pastarąsias sudaro varikliai, greičių dėžės ir kiti mechanizmai, kurie sudaro didžiąją viso įrenginio dalį. Tam naudojami berėmiai varikliai, elektromagnetiniai stabdžiai ir, be kita ko, 3D atspausdinti titano dėklai, siekiant sumažinti bendrą konstrukcijos svorį ir tūrį. Dėl to sistema turi maždaug pusę svorio, palyginti su kitais diskais, kurių specifikacijos yra panašios.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kasymui „RASSOR“naudoja du priešingus būgno kaušus, kiekviename iš jų yra keli dantys, kad būtų galima patraukti medžiagą. Kai mašina juda, būgno kaušai sukasi. Juos sulaikančios pavaros nuleidžiamos, o būgnai, tuščiaviduriai, pažodžiui nupjauna viršutinį paviršiaus regolito sluoksnį. Kitaip tariant, kombainas renka tik viršutinį medžiagos sluoksnį, o ne kasa giliau. Kitas pagrindinis „RASSOR“bruožas yra boksininko dizainas - būgnai sukasi skirtingomis kryptimis. Tai nereikalauja didelių pastangų dirvožemiui traukti žemo sunkio sąlygomis.
Kai tik RASSOR būgnai būna pilni, robotas nustoja rinkti ir juda perdirbimo įmonės link. Norėdami iškrauti regolitą, mašina tiesiog suka būgnus priešinga kryptimi - medžiaga patenka per tas pačias būgnų skylutes, per kurias ji buvo surinkta. Gamykla turi savo robotą kėlimo ranką, kuri surenka pristatytą regolitą ir siunčia jį į gamyklos pakrovimo diržą, kuris savo ruožtu tiekia medžiagą į vakuuminę krosnį. Čia regolitas bus įkaitintas iki aukštos temperatūros. Medžiagoje esančios vandens molekulės bus išpūstos sausų dujų pūstuvu ir surinktos naudojant aušinimo termostatą.
Jums gali kilti klausimas: "Ar iš pradžių Marso regolitas nėra sausas?" Sausi, bet ne visur. Viskas priklauso nuo to, kur ir kaip giliai kasiesi. Kai kuriose planetos vietose vos keli centimetrai po paviršiumi yra ištisi vandens ledo sluoksniai. Dar žemiau gali būti sulfatinės kalkės ir smiltainiai, kuriuose gali būti iki maždaug 8 procentų vandens nuo visos masyvo masės.
Po kondensacijos panaudotas regolitas išmetamas atgal į paviršių, kur RASSOR gali jį pasiimti ir nuvežti į vietą toliau nuo gamyklos. Šios „atliekos“iš tikrųjų yra labai vertinga medžiaga, nes bus naudojamos kuriant gynybines gyvenviečių struktūras, taip pat kelius ir nusileidimo vietas naudojant 3D spausdinimo technologijas, kurios taip pat kuriamos NASA.
Kalnakasybos Marse schema paveikslėliuose:
Tobulinimas: Ratinis robotas renka regolitą su besisukančiais kaušais su mėginių ėmimo skylėmis.
Transportavimas: Atbulinės eigos besisukantys būgnų kaušai išleidžia regolitą į gamyklos robotą.
Apdorojimas: Norint ištraukti vandenį iš regolito, jis kaitinamas krosnyje, kur vyksta vandenilio ir deguonies elektrolizė.
Perkėlimas: gavęs tam tikrą medžiagos kiekį, kita robotinė rankena, turinti specialią apsauginę uždarą sistemą, pakrauna ją į mobilųjį robotų tanklaivį.
Pristatymas: tanklaivis tiekia vandenį, deguonį ir metaną į žmonių namus ir iškrauna juos į ilgalaikio saugojimo rezervuarus.
Naudojimas ir saugojimas: Astronautai sunaudos vandenį ir deguonį, kad kvėpuotų ir augtų augalai; degalai bus saugomi kaip kriogeniniai skysčiai ateityje.
Visas vanduo, kuris bus išgaunamas iš regolito, bus kruopščiai išvalytas. Valymo modulį sudarys daugiafazė filtravimo sistema, taip pat keli dejonizuojantys substratai.
Skystis bus naudojamas ne tik gerti. Tai taps svarbiu raketų kuro gamybos komponentu. Kai H2O molekulės dalijamos elektrolizės būdu į vandenilio (H2) ir deguonies (O2) molekules, o po to suspaudžiamos ir paverčiamos skysčiu, bus galima susintetinti kurą ir oksidatorių, kurie dažniausiai naudojami raketų varikliuose su skysčiu.
Iššūkis yra tas, kad skystas vandenilis turi būti laikomas ypač žemoje temperatūroje. Norėdami tai padaryti, NASA nori vandenilį paversti lengviausiai sandėliuojamu kuru: metanu (CH4). Šią medžiagą galima gauti derinant vandenilį ir anglį. Kur gauti anglies iš Marso?
Laimei, to yra daug Raudonojoje planetoje. Marso atmosferoje yra 96 procentai anglies dioksido molekulių. Užfiksuoti šią anglį yra tam skirto šaldiklio užduotis. Paprastai tariant, tai sukuria sausą ledą iš oro.
Elektrolizės būdu gavę vandenilį ir iš atmosferos ištraukę anglies dujas, naudodami cheminį procesą - Sabatier'io reakciją - jie gali būti sujungti į metaną. Tam NASA kuria specialų reaktorių. Tai sukurs reikiamą slėgį ir temperatūrą, kad būtų galima vandenilį ir anglies dioksidą paversti metanu ir vandeniu kaip šalutiniu produktu.
Kita įdomi perdirbimo įmonės detalė yra virkštelinė robotinė ranka, skirta skysčiams perpilti į mobiliojo tanklaivio tanklaivį. Neįprastas šios sistemos dalykas yra tai, kad ji yra specialiai apsaugota nuo išorinės aplinkos ir ypač nuo dulkių. Regolitinės dulkės yra labai smulkios ir gali prasiskverbti beveik visur. Kadangi patį regolitą sudaro susmulkintos vulkaninės uolienos, jis yra labai abrazyvus (priglunda prie visko), todėl gali kilti rimtų problemų dėl įrangos eksploatavimo. Praeityje vykusios NASA mėnulio misijos parodė, kokia pavojinga ši medžiaga. Tai pažeidė elektronikos rodmenis, privertė užstrigti mechanizmus, taip pat tapo temperatūros reguliatorių gedimų priežastimi. Roboto rankos elektrinių ir skysčių perdavimo kanalų, taip pat bet kurios labai jautrios elektronikos, apsauga,yra vienas aukščiausių mokslininkų prioritetų.
Programuojamas bambos robotas, kad būtų galima prisijungti prie mobiliojo tanklaivio. Manipuliatorius bus naudojamas tanklaiviams papildyti skystu kuru, vandeniu ir deguonimi.
Kiekvienoje virkštelės kameros pusėje, pritvirtintoje prie roboto rankos, yra durys, veikiančios kaip oro užraktai, kad nepatektų dulkių iš visų vidinių kanalų. Norint sujungti kamerą su tanklaivio mechanizmu, reikia atlikti tris veiksmus: Pirmiausia, užpildę kamerą, durys turi būti patikimai uždarytos iš abiejų pusių, kad būtų sukurta apsauginė apsauga nuo dulkių. Antra, kiekvienoje iš virkštelės kameros durų reikia atidaryti mažas sandarinimo skylutes, per kurias bus suteikta prieiga prie išteklių perdavimo kanalų, įrengtų ant specialios judančios plokštės. Trečia, būtina suderinti virkštelės kameros perdavimo kanalų ir medžiagų priėmimo kanalų tanklaivio mechanizme padėtį, tiksliai sujungiant tiek elektros, tiek skysčio jungtis.
Kuro perdirbimo įmonės robotinė ranka uždės virkštelės kamerą ant mobiliojo robotų tanklaivio ir iškraus pagamintas medžiagas. Įpylimo sistema šiuo atveju bus labai panaši į degalines Žemėje, tačiau kartu su benzinu ji siurbia vandenį. Arba skystas deguonis. Arba skystas metanas. Arba visi iš karto.
Neseniai inžinieriai, įtraukti į šio projekto plėtrą, atliko bandomąją įrenginio demonstraciją Floridoje. Šiame etape mokslininkams teko modeliuoti elektrolizės procesus ir pačią krosnį, kad būtų sumažintos įrengimo išlaidos ir sudėtingumas. Be to, buvo imituojamas trijų perdirbtų produktų gavimas naudojant vandenį. Bet šiuo atveju tiek aparatūros, tiek programinės įrangos prototipai jau buvo naudojami visose diegimo dalyse.
Sujungdami visas dalis, „Swamp Works“inžinieriai sugebėjo išsiaiškinti, ar nėra kokių nors dizaino problemų, taip pat nustatyti keletą svarbių detalių, kurių nebūtų įmanoma nustatyti, ar tokie bandymai buvo atlikti jau paskutiniuose kūrimo ir integracijos etapuose. Kūrėjų teigimu, greitas prototipų kūrimas ir ankstyva integracija yra savitas požiūris į jų komandos darbą. Dėl to galite greitai sužinoti idėjos įgyvendinimą, taip pat ankstyvame etape nustatyti visus esamus trūkumus.
„Marso“raketinių degalų gamyklos esmė yra ta, kad visa ši įranga bus supakuota į nedidelę patogią dėžę, pristatoma į „Raudonąją planetą“, o po to atskirai išpakuota ir pradės vykdyti savo užduotį gerokai anksčiau nei pirmieji žmonės atvyks į Marsą. Pilotuojamų misijų į Marsą vystymas priklausys nuo šios autonominės gamyklos efektyvumo. Galų gale, be jo, žmonės negalės grįžti į Žemę pasibaigus budėjimui. Be to, NASA taip pat turi komandas, kurios dirba augindamos visų rūšių maistą (įskaitant bulves). Naują derlių ketinama auginti ir vėl autonominiu būdu siunčiant žmones į Marsą ir jų skrydžius atgal į Žemę, kad žmonės visada turėtų naują derlių.
Apskritai projektas yra tikrai milžiniškas ir reikalauja kruopštaus pasiruošimo.
NASA turi didelę patirtį su autonominiais roveriais ir tūpimo mašina ant Marso. Pavyzdžiui, naujausi Marso roveriai - „Curiosity“, nusileidę ant Raudonosios planetos 2012 m., Ir „Mars 2020“, kuris vyks ten 2020 m. - turi ir turės aukšto lygio autonomiją. Tačiau norint sukurti, pristatyti ir naudoti Marso raketų ir degalų gamyklą per ilgą laiką ir esant maksimaliam savarankiškumui, reikės naudoti technologijas, kurios kosmoso inžineriją pakels į visiškai naują lygį.
Roboto ekskavatoriaus išbandymui NASA naudoja uždarą teritoriją, užpildytą daugiau nei šimtu tonų susmulkintos vulkaninės uolienos. Mineralai tarnauja kaip smulkiosios ir abrazyviausios Marso dulkės.
Norėdami pradėti kolonizuoti kosmosą, mokslininkai ir inžinieriai turi išspręsti daugelį techninių problemų. Pavyzdžiui, labai svarbu nustatyti, ar kiekvienas Marso gamtinių išteklių gavybos įrenginyje kuriamas posistemis yra tinkamas mastelio padidinimui. Ar ji sugebės patenkinti visus poreikius ir pasiekti tokio lygio pajėgumus, kokių reikės vykdant įgaliotąsias misijas Raudonojoje planetoje.
Remiantis naujausiais NASA specialistų skaičiavimais, tokia sistema per maždaug 16 mėnesių turėtų pagaminti apie 7 tonas skysto metano ir apie 22 tonas skysto vandenilio. Remiantis tuo, siekiant maksimalios grąžos, būtina labai tiksliai nustatyti tinkamiausias vietas gamyklos dislokavimui, kad būtų galima rinkti ir apdoroti išteklius. Be to, reikia apskaičiuoti, kiek RASSOR ekskavatorių reikės pristatyti į Marsą, taip pat kiek valandų per dieną jiems reikės dirbti, kad būtų pasiektas duotas gamybos planas. Galų gale jūs turite suprasti, koks didelis anglies šaldiklis turėtų būti „Sabatier“reaktorius ir kiek energijos sunaudos visos šios medžiagos.
Mokslininkai taip pat turi numatyti galimas force majeure problemas, kurios gali trukdyti išgauti ir apdoroti išteklius, todėl gali būti atidėtas kitos ekspedicijos išsiuntimas į Raudonąją planetą. Būtina įvertinti visus galimus pavojus, susijusius su šiomis problemomis, ir iš anksto sukurti teisingus ir greitus jų sprendimo būdus, galbūt aprūpinti sistemą pertekliniais elementais, kad laikinai pakeistų sugedusią įrangą.
Būtina užtikrinti, kad robotizuotos technologijos galėtų palaikyti operacinę veiklą be trikdžių ir priežiūros poreikį kelerius metus, todėl jų kūrimas bus vykdomas griežtai laikantis nustatytų standartų. Pavyzdžiui, reikės kuo mažiau naudoti judančių dalių. Taigi bus įmanoma sumažinti regolito dulkių poveikį visos sistemos efektyvumui. Jei mes kreipsimės į problemą iš kitos pusės ir pradėsime kurti judančias dalis, pasižyminčias didesniu atsparumu dulkėms, tai ne tik apsunkins visą sistemą kaip visumą, bet ir padidins jos svorį, kuris, kaip jau minėta, prilygsta auksui.
Mokslininkai taip pat turi išsiaiškinti, kaip ir kokiomis proporcijomis smulkusis ir kietasis regolitas maišomas su ledu po Marso paviršiumi. Šie duomenys padės efektyviau paruošti ekskavatorius ištekliams išgauti. Pavyzdžiui, dabartinė „RASSOR“kaušo versija yra tinkamiausia reolitui, sumaišytam su vienkartiniu ledu, rinkti. Tačiau šis dizainas bus mažiau efektyvus, kai reikės „įkąsti“į didesnius kieto ledo sluoksnius. Norint sukurti tinkamesnę įrangą, reikia tiksliai suprasti ledo pasiskirstymą ant maros. Kitas variantas yra sukurti stipresnę, sudėtingesnę, sunkesnę ir įvairiapusiškesnę įrangą, galinčią valdyti bet kokio tipo dirvožemį ir ledo tankį. Bet tai vėlgi yra papildomas švaistymas.
Vis dėlto būtina išspręsti klausimus, susijusius su ilgu perkaitintų skysčių laikymu. Medžiagų ir medžiagų laikymo dideliame slėgyje technologijos nuolat tobulinamos, tačiau ar šiuolaikinės technologijos ilgą laiką galės veikti Marso paviršiuje?
Apskritai, ateinančiais metais NASA mokslininkai spręs visas šias problemines problemas. Savo ruožtu „Swamp Works“inžinieriai toliau tobulins visų sukurtų savo sistemos komponentų efektyvumą ir prieinamumą. Ekskavatorius planuojama padaryti dar tvirtesnius ir lengvesnius. Po to planuojama juos išbandyti dirbtinai sukurtuose ir kuo arčiau Marso sąlygų. Mokslininkai taip pat nori pagerinti krosnies, elektrolizės sistemos kokybę ir efektyvumą, sukurti „Sabatier“reaktoriaus ir šaldymo įrenginio, kuris būtų naudojamas anglies gamyboje, keičiamąjį modelį. Kūrėjai įsitikinę, kad šių ir daugelio kitų problemų sprendimas lems tai, kad dulkių surinkimo prototipas nustos būti prototipu ir, galų gale, užsiims realiais darbais Marso paviršiuje.aprūpindami būsimus kolonistus visais gyvenimui reikalingais ištekliais.
Nikolajus Khizhnyak