Het jaar is 2038. Na 18 maanden leven en werken op het oppervlak van Mars, gaat een team van zes onderzoekers aan boord van het ruimtevaartuig en keren terug naar de aarde. Er is geen enkele levende ziel meer op de planeet, maar het werk stopt hier geen minuut. Autonome robots gaan door met het delven van mineralen en leveren ze voor verwerking aan een fabriek voor chemische synthese die enkele jaren voordat mensen voor het eerst voet op Mars zetten, werd gebouwd. De fabriek produceert water, zuurstof en raketbrandstof uit lokale bronnen en bereidt routinematig voorraden voor de volgende expeditie, die hier over twee jaar zal aankomen.
Deze robotfabriek is geen sciencefiction. Dit is een project waar verschillende wetenschappelijke teams van het NASA-lucht- en ruimtevaartagentschap momenteel aan werken. Een van hen, Swamp Works, werkt in het Kennedy Space Center in Florida. De faciliteit die ze officieel aan het ontwikkelen zijn, wordt een In Situ Resource Utilization System (ISRU) genoemd, maar de mensen die eraan werken, noemen het een stoffabriek omdat het gewoon stof omzet in raketbrandstof. Met dit systeem kunnen mensen op een dag op Mars leven en werken, en indien nodig ook terugkeren naar de aarde.
Waarom zou je überhaupt iets op Mars synthetiseren? Waarom breng je niet gewoon alles wat je nodig hebt van de aarde mee? Het probleem zijn de kosten van dit plezier. Volgens sommige schattingen zal de levering van één kilogram nuttige lading (bijvoorbeeld brandstof) van de aarde naar Mars - dat wil zeggen, deze kilogram in een lage baan om de aarde brengen, naar Mars sturen, het ruimtevaartuig vertragen wanneer het de baan van de planeet binnengaat en uiteindelijk veilig op het oppervlak landen - vereist 225 kilo raketbrandstof verbranden. De verhouding 225: 1 is nog steeds van kracht. In dit geval zullen dezelfde cijfers typisch zijn bij het gebruik van een ruimtevaartuig. Dat wil zeggen, om dezelfde ton water, zuurstof of technische apparatuur naar de Rode Planeet te brengen, moet 225 ton raketbrandstof worden verbrand. De enige manier om uzelf van zulke kostbare rekenkunde te besparen, is door uw eigen water te produceren,zuurstof of dezelfde brandstof op zijn plaats.
Verschillende onderzoeks- en engineeringgroepen bij NASA werken aan het oplossen van verschillende aspecten van dit probleem. Zo is het Swamp Works-team van Kennedy Space Center onlangs begonnen met het samenstellen van alle afzonderlijke modules voor een mijnbouwsysteem. De installatie is een vroeg prototype, maar combineert alle details die nodig zijn om een stofopvanginstallatie te laten werken.
NASA's langetermijnplan is gericht op het koloniseren van Mars, maar nu concentreert het bureau al zijn energie en aandacht op de maan. De verificatie van de meeste van de ontwikkelde apparatuur zal dus eerst op het maanoppervlak worden uitgevoerd, wat op zijn beurt alle mogelijke problemen zal oplossen om ze in de toekomst te vermijden bij gebruik van de installatie op Mars.
Stof en vuil op een buitenaards ruimtelichaam wordt gewoonlijk regolith genoemd. In algemene zin hebben we het over een vulkanisch gesteente dat gedurende enkele miljoenen jaren onder invloed van verschillende weersomstandigheden is veranderd in een fijn poeder. Op Mars, onder een laag corrosieve ijzermineralen die de planeet zijn beroemde roodachtige tint geven, ligt een dikke laag silicium- en zuurstofstructuren gecombineerd met ijzer, aluminium en magnesium. De winning van deze materialen is een zeer moeilijke taak, aangezien de reserves en concentratie van deze stoffen kunnen variëren van het ene gebied op de planeet tot het andere. Helaas wordt deze taak nog gecompliceerder door de lage zwaartekracht van Mars - graven in dergelijke omstandigheden, profiteren van het massavoordeel, is veel moeilijker. Op aarde gebruiken we meestal grote machines voor mijnbouw. Door hun grootte en gewicht kunt u voldoende moeite doen om in de grond te "bijten". Het zou volkomen ontoelaatbaar zijn om zo'n luxe naar Mars te brengen. Herinner je je het kostenprobleem nog? Met elke gram die naar Mars wordt gestuurd, zal de prijs van de hele lancering gestaag stijgen. Daarom werkt NASA aan het ontginnen van mineralen op de Rode Planeet met lichtgewicht apparatuur.
Ruimte graafmachine. NASA ontwikkelt een robotgraafmachine met twee tegenover elkaar liggende trommelbakken die in tegengestelde richting van elkaar draaien. Door deze aanpak kan de machine onder omstandigheden met een lage zwaartekracht werken en zijn er geen grote krachten nodig.
Maak kennis met RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), een autonome mijnwerker die is ontworpen met als enig doel regolith te graven in omgevingen met een lage zwaartekracht. Bij het ontwikkelen van de RASSOR (gelezen als "scheermes" - van het Engelse "mes"), hebben NASA-ingenieurs speciale aandacht besteed aan het aandrijfsysteem. Deze laatste bestaan uit motoren, versnellingsbakken en andere mechanismen die het grootste deel van de hele installatie uitmaken. Het maakt gebruik van frameloze motoren, elektromagnetische remmen en, onder andere, 3D-geprinte titanium koffers om het totale gewicht en volume van de constructie te minimaliseren. Als gevolg hiervan weegt het systeem ongeveer de helft van het gewicht in vergelijking met andere schijven met vergelijkbare specificaties.
Promotie video:
Voor het graven gebruikt RASSOR twee bakjes met tegenoverliggende trommels, elk uitgerust met meerdere tanden om materiaal te grijpen. Als de machine in beweging is, draaien de trommelbakken. De actuatoren die ze vasthouden, worden neergelaten en de trommels, hol van binnen, snijden letterlijk de bovenste laag van de oppervlakte-regoliet af. Met andere woorden, de rooier pakt alleen de bovenste laag materiaal op, in plaats van dieper te graven. Een ander belangrijk kenmerk van RASSOR is het boxerdesign: de trommels draaien in verschillende richtingen. Dit elimineert de noodzaak van veel inspanning om grond te trekken bij lage zwaartekracht.
Zodra de RASSOR-vaten vol zijn, stopt de robot met verzamelen en gaat hij richting de recyclingfabriek. Om regolith te lossen, draait de machine de vaten gewoon in de tegenovergestelde richting - het materiaal valt door dezelfde gaten in de vaten waardoor het werd verzameld. De fabriek heeft een eigen robothefarm die de geleverde regoliet ophaalt en naar de laadband van de fabriek stuurt, die op zijn beurt het materiaal aan de vacuümoven levert. Daar wordt de regoliet verwarmd tot hoge temperaturen. De watermoleculen in het materiaal worden uitgeblazen door een droge gasblazer en vervolgens verzameld met behulp van een koelthermostaat.
Je vraagt je misschien af: "Is de regoliet van Mars niet oorspronkelijk droog?" Droog, maar niet overal. Het hangt allemaal af van waar en hoe diep je graaft. In sommige delen van de planeet bevinden zich hele lagen waterijs op slechts enkele centimeters onder het oppervlak. Nog lager kunnen er sulfaatkalk en zandsteen zijn, die tot ongeveer 8 procent water kunnen bevatten van de totale massa van het massief.
Na condensatie wordt de verbruikte regoliet terug naar de oppervlakte gegooid, waar RASSOR het kan oppakken en naar een plaats verder van de fabriek kan brengen. Dit "afval" is eigenlijk een zeer waardevol materiaal omdat het kan worden gebruikt om verdedigingsstructuren voor nederzettingen te creëren, evenals wegen en landingsplaatsen met behulp van 3D-printtechnologieën, die ook worden ontwikkeld bij NASA.
Het schema van mijnbouw op Mars in afbeeldingen:
Ontwikkeling: Een robot op wielen pakt regolith op met roterende emmers met bemonsteringsgaten.
Transport: Omgekeerd roterende trommelbakken lossen de regoliet in de robotarm van de fabriek.
Verwerking: om water uit de regoliet te halen, wordt het verwarmd in een oven, waar elektrolyse van waterstof en zuurstof plaatsvindt.
Overdracht: Na ontvangst van een bepaald volume van de stof, laadt een andere robotarm, uitgerust met een speciaal beschermend gesloten systeem, deze op de mobiele robottanker.
Levering: De tanker levert water, zuurstof en methaan aan de huizen van mensen en laadt ze in opslagtanks voor de lange termijn.
Gebruik en opslag: Astronauten gebruiken water en zuurstof om te ademen en planten te laten groeien; de brandstof wordt opgeslagen als cryogene vloeistoffen voor toekomstig gebruik.
Al het water dat uit de regolith wordt gewonnen, wordt grondig gezuiverd. De zuiveringsmodule zal bestaan uit een meerfasig filtersysteem en verschillende deïoniserende substraten.
De vloeistof wordt niet alleen gebruikt om te drinken. Het wordt een essentieel onderdeel voor de productie van raketbrandstof. Wanneer H2O-moleculen door elektrolyse worden gesplitst in waterstof- (H2) en zuurstof- (O2) -moleculen, en vervolgens worden gecomprimeerd en omgezet in een vloeistof, is het mogelijk om brandstof en oxidatiemiddel te synthetiseren, die meestal worden gebruikt in raketmotoren met vloeibare stuwstof.
De uitdaging zit 'm in het feit dat vloeibare waterstof bij extreem lage temperaturen moet worden opgeslagen. Hiervoor wil NASA waterstof omzetten in de brandstof die het gemakkelijkst kan worden opgeslagen: methaan (CH4). Deze stof kan worden verkregen door waterstof en koolstof te combineren. Waar haal je koolstof op Mars?
Gelukkig is er veel op de Rode Planeet. De atmosfeer van Mars bestaat voor 96 procent uit koolstofdioxidemoleculen. Het opvangen van deze koolstof is de taak van een speciale vriezer. Simpel gezegd, het zal droogijs uit de lucht creëren.
Nadat ze waterstof hebben verkregen door elektrolyse en koolstofgas uit de atmosfeer hebben gehaald, met behulp van een chemisch proces - de Sabatier-reactie - kunnen ze worden gecombineerd tot methaan. Hiervoor ontwikkelt NASA een speciale reactor. Het zal de nodige druk en temperatuur creëren om de omzetting van waterstof en kooldioxide in methaan en water als bijproduct te ondersteunen.
Een ander interessant onderdeel van de verwerkingsfabriek is de umbilical robotarm voor het overbrengen van vloeistoffen naar de tankwagen van een mobiele tankwagen. Het bijzondere aan dit systeem is dat het speciaal is beschermd tegen de externe omgeving en in het bijzonder stof. Regolithisch stof is erg fijn en kan bijna overal doordringen. Omdat de regoliet zelf uit afgebrokkeld vulkanisch gesteente bestaat, is het zeer schurend (het kleeft aan letterlijk alles), wat ernstige problemen kan veroorzaken bij de werking van apparatuur. De maanmissies van NASA in het verleden hebben aangetoond hoe gevaarlijk deze stof is. Het schond de meetwaarden van de elektronica, leidde tot het vastlopen van mechanismen en werd ook de oorzaak van storingen in de temperatuurregelaars. Bescherming van elektrische en vloeistoftransmissiekanalen van de robotarm, evenals alle zeer gevoelige elektronica,is een van de hoogste prioriteiten voor wetenschappers.
Een umbilical robotarm programmeren om verbinding te maken met een mobiele tankwagen. De manipulator zal worden gebruikt om tankwagens te tanken met vloeibare brandstof, water en zuurstof.
Aan elke kant van de navelstrengkamer, gemonteerd op een robotarm, bevinden zich deuren die fungeren als luchtsluizen om stof uit alle interne kanalen te houden. Er zijn drie stappen nodig om de kamer met het tankmechanisme te verbinden: Ten eerste, na het vullen van de kamer, moeten de deuren aan beide zijden stevig worden gesloten om een beschermende anti-stofbarrière te creëren. Ten tweede is het in elk van de deuren van de navelstrengkamer noodzakelijk om kleine afdichtingsgaten te openen waardoor toegang wordt verschaft tot de bronnenoverdrachtkanalen die zijn geïnstalleerd op een speciale bewegende plaat. Ten derde is het vereist om de positie van de transmissiekanalen van de navelstrengkamer en de kanalen voor het ontvangen van materiaal door het tankmechanisme uit te lijnen, waarbij zowel elektrische als vloeistofconnectoren nauwkeurig worden verbonden.
De robotarm van de brandstofverwerkingsfabriek zal de navelstrengkamer op de mobiele robottanker plaatsen en vervolgens de geproduceerde materialen lossen. Het vulsysteem zal in dit geval erg lijken op tankstations op aarde, maar samen met benzine zal het water pompen. Of vloeibare zuurstof. Of vloeibaar methaan. Of allemaal tegelijk.
Onlangs hebben de ingenieurs die betrokken waren bij de ontwikkeling van dit project een testdemonstratie van de installatie in Florida uitgevoerd. In dit stadium moesten de wetenschappers hun toevlucht nemen tot het modelleren van de elektrolyseprocessen en de oven zelf om de kosten en complexiteit van de installatie te verminderen. Daarnaast is een simulatie uitgevoerd om met water drie bewerkte producten te verkrijgen. Maar in dit geval zijn zowel hardware- als softwareprototypes al gebruikt voor alle onderdelen van de installatie.
Door alle onderdelen samen te voegen, konden de ingenieurs van Swamp Works de aanwezigheid van bepaalde problemen in het ontwerp achterhalen en enkele belangrijke details identificeren die niet mogelijk zouden zijn om te bepalen of dergelijke tests al in de laatste stadia van ontwikkeling en integratie werden uitgevoerd. Volgens de ontwikkelaars is snelle prototyping en vroege integratie een onderscheidende benadering van het werk van hun team. Hierdoor kunt u snel de uitvoering van een idee achterhalen en alle bestaande tekortkomingen in een vroeg stadium identificeren.
De essentie van de raketbrandstoffabriek op Mars is dat al deze apparatuur wordt verpakt in een kleine, handige doos, wordt afgeleverd op de Rode Planeet en vervolgens vanzelf wordt uitgepakt en zijn taak zal beginnen lang voordat de eerste mensen op Mars aankomen. De ontwikkeling van bemande missies naar Mars zal afhangen van de efficiëntie van deze autonome fabriek. Zonder dat kunnen mensen aan het einde van hun wacht niet terug naar de aarde. Daarnaast heeft NASA ook teams die werken aan het verbouwen van allerlei soorten voedsel (inclusief aardappelen). Het is de bedoeling dat het nieuwe gewas, wederom autonoom, wordt geteeld tijdens het sturen van mensen naar Mars en hun vluchten terug naar de aarde, zodat mensen altijd een nieuwe oogst hebben.
Over het algemeen is het project echt gigantisch groot en vereist het een zorgvuldige voorbereiding.
NASA heeft uitgebreide ervaring met autonome rovers en lander op Mars. De meest recente Mars-rovers - Curiosity, die in 2012 op de Rode Planeet landde en Mars 2020, die daar in 2020 naartoe gaat - hebben en zullen bijvoorbeeld een hoge mate van autonomie hebben. De creatie, levering en het gebruik van de raket- en brandstoffabriek van Mars op de lange termijn en met het maximale niveau van autonomie vereist echter het gebruik van technologieën die ruimtevaarttechniek naar een volledig nieuw niveau zullen tillen.
Om de robotgraafmachine te testen, gebruikt NASA een afgesloten ruimte gevuld met meer dan honderd ton verpletterd vulkanisch gesteente. Mineralen dienen als tegenhanger van het fijnste en meest schurende Marsstof.
Om de kolonisatie van de ruimte te beginnen, moeten wetenschappers en ingenieurs veel technische problemen oplossen. Het is bijvoorbeeld erg belangrijk om te bepalen of elk subsysteem dat wordt ontwikkeld in een faciliteit voor winning van natuurlijke hulpbronnen op Mars geschikt is voor opschaling. Zal ze in staat zijn om aan alle behoeften te voldoen en het capaciteitsniveau te bereiken dat vereist is in het kader van bemande missies naar de Rode Planeet?
Volgens recente schattingen van NASA-specialisten zou een dergelijk systeem in ongeveer 16 maanden ongeveer 7 ton vloeibaar methaan en ongeveer 22 ton vloeibare waterstof moeten produceren. Op basis hiervan is het voor maximaal rendement noodzakelijk om zeer nauwkeurig de meest geschikte plaatsen te bepalen voor het inzetten van een fabriek voor het inzamelen en verwerken van middelen. Bovendien is het nodig om te berekenen hoeveel RASSOR-graafmachines er op Mars moeten worden afgeleverd, en hoeveel uur per dag ze moeten werken om een bepaald productieplan te halen. Uiteindelijk moet je begrijpen hoe groot een vriezer voor koolstof moet zijn, de Sabatier-reactor zou moeten zijn en hoeveel energie al dit spul zal verbruiken.
Wetenschappers moeten ook anticiperen op mogelijke overmachtsproblemen die de winning en verwerking van hulpbronnen kunnen verstoren, waardoor het verzenden van de volgende expeditie naar de Rode Planeet mogelijk kan worden vertraagd. Het is noodzakelijk om alle mogelijke risico's die aan deze problemen zijn verbonden te beoordelen en van tevoren de juiste en snelle manieren te ontwikkelen om ze op te lossen, eventueel door het systeem uit te rusten met redundante elementen om de defecte apparatuur tijdelijk te vervangen.
Het is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat robottechnologieën de operationele activiteiten zonder onderbreking en de noodzaak van onderhoud gedurende meerdere jaren kunnen handhaven, zodat hun ontwikkeling zal worden uitgevoerd in strikte overeenstemming met de vastgestelde normen. Het zal bijvoorbeeld nodig zijn om het aantal gebruikte bewegende onderdelen te minimaliseren. Het zal dus mogelijk zijn om het effect van regolith-stof op de efficiëntie van het gehele systeem te minimaliseren. Als je het probleem van de andere kant benadert en bewegende delen gaat ontwikkelen met een hogere stofbestendigheid, dan zal dit niet alleen het hele systeem als geheel gecompliceerd maken, maar er ook extra gewicht aan toevoegen, wat, zoals eerder vermeld, gelijk staat aan goud.
Wetenschappers moeten ook uitzoeken hoe en in welke verhoudingen fijne en vaste regoliet wordt gemengd met ijs onder het oppervlak van Mars. Met deze gegevens kunt u graafmachines efficiënter voorbereiden op het winnen van hulpbronnen. De huidige versie van de RASSOR-emmer is bijvoorbeeld het meest geschikt voor het verzamelen van regoliet gemengd met klontijs. Dit ontwerp zal echter minder effectief zijn wanneer het nodig is om in grotere lagen vast ijs te "bijten". Om geschiktere uitrusting te ontwikkelen, is het noodzakelijk om een nauwkeurig inzicht te krijgen in de verdeling van ijs op de merrie. Een andere optie is om sterkere, complexere, zwaardere en veelzijdigere apparatuur te ontwikkelen die elk type bodem en ijsdichtheid aankan. Maar nogmaals, dit is een extra verspilling.
Toch is het nodig om problemen op te lossen die verband houden met de lange opslag van onderkoelde vloeistoffen. Technologieën om stoffen en materialen onder hoge druk op te slaan worden voortdurend verbeterd, maar kunnen moderne technologieën nog lang op het oppervlak van Mars werken?
Over het algemeen zullen NASA-wetenschappers de komende jaren al deze problematische kwesties aanpakken. De ingenieurs van Swamp Works zullen op hun beurt de efficiëntie en beschikbaarheid van alle ontwikkelde componenten van hun systeem blijven verbeteren. Het is de bedoeling dat graafmachines nog sterker en lichter worden gemaakt. Daarna is het de bedoeling om ze te testen in kunstmatig gecreëerde en zo dicht mogelijk bij de omstandigheden van Mars. Wetenschappers willen ook de kwaliteit en efficiëntie van de oven, het elektrolysesysteem verbeteren en een schaalbaar model ontwikkelen van de Sabatier-reactor en -koelinstallatie voor koolstofproductie. De ontwikkelaars zijn ervan overtuigd dat de oplossing van deze en vele andere problemen ertoe zal leiden dat het stofverzamelende prototype niet langer een prototype is en uiteindelijk echt werk zal gaan verrichten op het oppervlak van Mars.toekomstige kolonisten voorzien van alle middelen die nodig zijn voor het leven.
Nikolay Khizhnyak