Gads ir 2038. gads. Pēc 18 mēnešu dzīves un darba uz Marsa virsmas sešu pētnieku komanda iekāpj kosmosa kuģī un atgriežas uz Zemes. Uz planētas nav palikusi neviena dzīva dvēsele, bet darbs šeit neaptur ne minūti. Autonomi roboti turpina iegūt minerālus un nodot tos pārstrādei ķīmiskās sintēzes rūpnīcā, kas tika uzcelta vairākus gadus pirms cilvēki pirmo reizi gāja uz Marsa. Rūpnīca ražo ūdeni, skābekli un raķešu degvielu no vietējiem resursiem, regulāri gatavojot krājumus nākamajai ekspedīcijai, kas šeit ieradīsies divu gadu laikā.
Šī robotizētā rūpnīca nav zinātniskā fantastika. Šis ir projekts, pie kura šobrīd strādā vairākas NASA kosmiskās aviācijas aģentūras zinātniskās grupas. Viens no tiem, Swamp Works, strādā Kenedija kosmosa centrā Floridā. Iekārtu, kuru viņi oficiāli izstrādā, sauc par In situ resursu utilizācijas sistēmu (ISRU), bet cilvēki, kas tajā strādā, ir pieraduši to dēvēt par putekļu rūpnīcu, jo tā pārvērš parastos putekļus raķešu degvielā. Šī sistēma kādu dienu ļaus cilvēkiem dzīvot un strādāt uz Marsa, kā arī nepieciešamības gadījumā atgriezties uz Zemes.
Kāpēc vispār kaut kas tiek sintezēts uz Marsa? Kāpēc ne tikai no Zemes atnest visu nepieciešamo? Problēma ir šī prieka izmaksas. Pēc dažām aplēsēm, būs nepieciešams piegādāt vienu kilogramu kravas (piemēram, degvielas) no Zemes uz Marsu - tas ir, nodot šo kilogramu zemā Zemes orbītā, nosūtīt to uz Marsu, palēnināt kosmosa kuģa ienākšanu planētas orbītā un visbeidzot droši nolaisties uz virsmas. sadedzināt 225 kilogramus raķešu degvielas. 225: 1 attiecība joprojām ir efektīva. Šajā gadījumā tie paši skaitļi būs raksturīgi, izmantojot jebkuru kosmosa kuģi. Tas ir, lai piegādātu to pašu tonnu ūdens, skābekļa vai tehnisko aprīkojumu uz Sarkano planētu, būs jāsadedzina 225 tonnas raķešu degvielas. Vienīgais veids, kā sevi glābt no tik dārgas aritmētikas, ir pašiem izgatavot ūdeni,skābeklis vai tāda pati degviela vietā.
Vairākas NASA pētniecības un inženiertehniskās grupas strādā pie šīs problēmas dažādo aspektu risināšanas. Piemēram, Kenedija kosmosa centra “Swamp Works” komanda nesen sāka montēt visus atsevišķos ieguves sistēmas moduļus. Iekārta ir agrīns prototips, taču tajā ir apvienotas visas detaļas, kas būs vajadzīgas putekļu savākšanas rūpnīcas darbībai.
NASA ilgtermiņa plāns ir vērsts uz Marsa kolonizēšanu, bet tagad aģentūra visu savu enerģiju un uzmanību koncentrē uz Mēness. Tādējādi lielākās daļas izstrādājamo iekārtu verifikācija vispirms tiks veikta uz Mēness virsmas, kas savukārt atrisinās visas iespējamās problēmas, lai nākotnē no tām izvairītos, lietojot instalāciju uz Marsa.
Putekļus un netīrumus uz ārpuszemes kosmosa korpusa parasti sauc par regolītu. Vispārīgā nozīmē mēs runājam par vulkānisko iežu, kas vairāku miljonu gadu laikā dažādu laika apstākļu ietekmē pārvērtās par smalku pulveri. Uz Marsa zem kodīgu dzelzs minerālu slāņa, kas piešķir planētai tās slaveno sarkano nokrāsu, atrodas biezs silīcija un skābekļa struktūru slānis, kas apvienots ar dzelzi, alumīniju un magniju. Šo materiālu ieguve ir ļoti grūts uzdevums, jo šo vielu rezerves un koncentrācija dažādos planētas apgabalos var atšķirties. Diemžēl šo uzdevumu vēl vairāk sarežģī Marsa zemā gravitācija - rakšana šādos apstākļos, izmantojot masu priekšrocības, ir daudz grūtāka. Uz Zemes ieguvei parasti izmantojam lielas mašīnas. Viņu izmērs un svars ļauj jums pielikt pietiekami daudz pūļu, lai "iekost" zemē. Šādas greznības nēsāšana uz Marsu būtu pilnīgi nepieņemama. Vai atceries izmaksu problēmu? Ar katru gramu, kas tiek nosūtīts uz Marsu, visa palaišanas cena vienmērīgi palielināsies. Tāpēc NASA strādā pie tā, kā, izmantojot vieglas iekārtas, minerāļus var mīnēt uz Sarkanās planētas.
Kosmosa ekskavators. NASA izstrādā robotizētu ekskavatoru ar diviem pretējiem trumuļa kausiem, kas rotē pretējos virzienos viens no otra. Šī pieeja ļaus mašīnai darboties zemas gravitācijas apstākļos un novērš vajadzību pēc lieliem spēkiem.
Iepazīstieties ar RASSOR (Regolith uzlaboto virszemes sistēmu darbības robotu) - autonomu kalnraci, kas paredzēts tikai un vienīgi rakšanai regolītu zemas gravitācijas apstākļos. Izstrādājot RASSOR (lasīt kā “skuveklis” - no angļu valodas “asmens”), NASA inženieri īpašu uzmanību pievērsa tā spēka piedziņas sistēmai. Pēdējie sastāv no motoriem, pārnesumkārbām un citiem mehānismiem, kas veido visas instalācijas lielāko daļu. Tas izmanto bez rāmja motorus, elektromagnētiskās bremzes un, cita starpā, 3D drukātus titāna futrāļus, lai samazinātu struktūras kopējo svaru un tilpumu. Tā rezultātā sistēmai ir aptuveni puse svara salīdzinājumā ar citiem diskdziņiem ar līdzīgām specifikācijām.
Reklāmas video:
Rakšanai RASSOR izmanto divus opozīcijas bungu spaiņus, katrs no tiem ir aprīkots ar vairākiem zobiem materiāla satveršanai. Kad mašīna pārvietojas, bungas kausi griežas. Izpildmehānismi, kas tos tur, tiek nolaisti, un mucas, kas ir dobās iekšpusē, burtiski nogriež virsmu virsējā slāņa regolīta. Citiem vārdiem sakot, kombains savāc tikai materiāla augšējo slāni, nevis rakt dziļāk. Vēl viena RASSOR galvenā iezīme ir boksera dizains - bungas rotē dažādos virzienos. Tas novērš vajadzību pēc lielām pūlēm, lai ievilktu augsni zemas gravitācijas apstākļos.
Tiklīdz RASSOR tvertnes ir pilnas, robots pārtrauc savākšanu un virzās uz pārstrādes rūpnīcu. Lai izkrautu regolītu, mašīna vienkārši pagriež bungas pretējā virzienā - materiāls izkrīt caur tiem pašiem urbumiem mucās, caur kuriem tas tika savākts. Rūpnīcai ir sava robotizētā celšanas roka, kas savāc piegādāto regolītu un nosūta to uz rūpnīcas iekraušanas jostu, kas savukārt piegādā materiālu vakuuma krāsnī. Tur regolīts tiks uzkarsēts līdz augstā temperatūrā. Ūdens molekulas, kas atrodas materiālā, izpūš ar sausas gāzes pūtēju un pēc tam savāc, izmantojot dzesēšanas termostatu.
Jums varētu rasties jautājums: "Vai Marsa regolīts sākotnēji nav sauss?" Sauss, bet ne visur. Viss atkarīgs no tā, kur un cik dziļi rakt. Dažos planētas apgabalos ir veseli ūdens ledus slāņi tikai dažus centimetrus zem virsmas. Vēl zemāk var būt sulfāta kaļķi un smilšakmeņi, kas var saturēt līdz aptuveni 8 procentiem ūdens no kopējās masīvas masas.
Pēc kondensācijas izlietoto regolītu izmet atpakaļ uz virsmas, kur RASSOR var to paņemt un aizvest uz vietu, kas atrodas tālāk no rūpnīcas. Šie “atkritumi” faktiski ir ļoti vērtīgs materiāls, jo tos izmantos, lai izveidotu aizsardzības struktūras apmetnēm, kā arī ceļiem un nosēšanās vietām, izmantojot 3D drukāšanas tehnoloģijas, kuras arī tiek izstrādātas NASA.
Kalnrūpniecības uz Marsa shēma attēlos:
Attīstība: Robots ar riteņiem uzņem regolith ar rotējošiem spaiņiem ar paraugu ņemšanas caurumiem.
Transports: Reversi rotējošie bungu kausi izvada regolītu rūpnīcas robotizētajā pusē.
Apstrāde: lai iegūtu ūdeni no regolīta, tas tiek uzkarsēts krāsnī, kur notiek ūdeņraža un skābekļa elektrolīze.
Pārvietošana: Pēc noteikta apjoma vielas saņemšanas cita robotizēta roka, kas aprīkota ar speciālu aizvērtu aizsargājošu sistēmu, ielādē to mobilajā robotizētajā tankkuģī.
Piegāde: tankkuģis piegādā ūdeni, skābekli un metānu cilvēku mājām un izkrauj tos ilgtermiņa uzglabāšanas tvertnēs.
Lietošana un glabāšana: Astronauti izmantos ūdeni un skābekli, lai elpotu un audzētu augus; degviela tiks uzglabāta kā kriogēni šķidrumi turpmākai lietošanai.
Viss ūdens, kas tiks iegūts no regolīta, tiks rūpīgi attīrīts. Attīrīšanas modulis sastāvēs no daudzfāzu filtrēšanas sistēmas, kā arī no vairākiem dejonizējošiem substrātiem.
Šķidrumu izmantos ne tikai dzeršanai. Tas kļūs par būtisku sastāvdaļu raķešu degvielas ražošanā. Kad H2O molekulas elektrolīzes ceļā tiek sadalītas ūdeņraža (H2) un skābekļa (O2) molekulās, un pēc tam saspiestas un pārveidotas šķidrumā, būs iespējams sintezēt degvielu un oksidētāju, kas visbiežāk tiek izmantoti šķidro propelentu raķešu dzinējos.
Izaicinājums ir fakts, ka šķidrais ūdeņradis jāuzglabā ārkārtīgi zemā temperatūrā. Lai to izdarītu, NASA vēlas pārveidot ūdeņradi degvielā, kuru ir visvieglāk uzglabāt: metāns (CH4). Šo vielu var iegūt, apvienojot ūdeņradi un oglekli. Kur iegūt oglekli uz Marsa?
Par laimi, Sarkanajā planētā to ir daudz. Marsa atmosfērā ir 96 procenti oglekļa dioksīda molekulu. Šī oglekļa uztveršana ir speciāla saldētavas uzdevums. Vienkārši izsakoties, tas radīs sausu ledu no gaisa.
Saņemot ūdeņradi elektrolīzes rezultātā un no atmosfēras ekstrahējot oglekļa gāzi, izmantojot ķīmisku procesu - Sabatjē reakciju -, tos var apvienot metānā. Šim nolūkam NASA izstrādā īpašu reaktoru. Tas radīs nepieciešamo spiedienu un temperatūru, lai atbalstītu ūdeņraža un oglekļa dioksīda pārvēršanu metānā un ūdenī kā blakusproduktu.
Vēl viena interesanta pārstrādes rūpnīcas detaļa ir nabas robotu roka šķidrumu nodošanai pārvietojamā tankkuģa cisternā. Neparasta lieta šajā sistēmā ir tā, ka tā ir īpaši aizsargāta no ārējās vides un jo īpaši no putekļiem. Regolīta putekļi ir ļoti smalki un var iekļūt gandrīz visur. Tā kā pats regolīts sastāv no drupinātiem vulkāniskajiem iežiem, tas ir ļoti abrazīvs (tas pieķeras burtiski visam), kas var radīt nopietnas problēmas iekārtu darbībā. NASA Mēness misijas pagātnē ir parādījušas, cik šī viela ir bīstama. Tas pārkāpa elektronikas rādījumus, izraisīja mehānismu iestrēgšanu un arī kļuva par iemeslu temperatūras kontrolieru darbības traucējumiem. Robotiskās rokas elektrisko un šķidrumu pārraides kanālu, kā arī jebkuras ļoti jutīgas elektronikas aizsardzība,ir viena no zinātnieku augstākajām prioritātēm.
Nabas robotizētās rokas programmēšana, lai izveidotu savienojumu ar mobilo tankkuģi. Manipulatoru izmantos tankkuģu uzpildīšanai ar šķidro degvielu, ūdeni un skābekli.
Nabas kameras katrā pusē, kas piestiprināta pie robotizētās rokas, ir durvis, kas darbojas kā gaisa slēdzenes, lai putekļi neiekļūtu no visiem iekšējiem kanāliem. Lai savienotu kameru ar tankkuģa mehānismu, jāveic trīs posmi: Pirmkārt, pēc kameras piepildīšanas durvīm jābūt droši aizvērtām no abām pusēm, lai izveidotu aizsargājošu pretputekļu barjeru. Otrkārt, katrā no nabas kameras durvīm ir jāatver mazi blīvējuma caurumi, caur kuriem tiks nodrošināta piekļuve resursu pārvietošanas kanāliem, kas uzstādīti uz īpašas kustīgas plāksnes. Treškārt, ir nepieciešams izlīdzināt nabas kameras un kanālu materiāla saņemšanas kanālu stāvokli ar tankkuģa mehānismu, precīzi savienojot gan elektriskos, gan šķidruma savienotājus.
Kurināmā pārstrādes rūpnīcas robotizētā daļa nabas kameru novietos uz pārvietojamā robotizētā tankkuģa un pēc tam izkraus saražotos materiālus. Uzpildes sistēma šajā gadījumā būs ļoti līdzīga uzpildes stacijām uz Zemes, taču kopā ar benzīnu tā sūknēs ūdeni. Vai šķidrs skābeklis. Vai šķidrs metāns. Vai visi uzreiz.
Nesen šī projekta izstrādē iesaistītie inženieri Floridā veica instalācijas pārbaudes demonstrāciju. Šajā posmā zinātniekiem nācās ķerties pie elektrolīzes procesu un pašas krāsns modelēšanas, lai samazinātu uzstādīšanas izmaksas un sarežģītību. Turklāt tika veikta trīs apstrādātu produktu iegūšanas simulācija, izmantojot ūdeni. Bet šajā gadījumā gan aparatūras, gan programmatūras prototipi jau ir izmantoti visām instalācijas daļām.
Saliekot visus gabalus, Swamp Works inženieri varēja noskaidrot, vai nav kādas dizaina problēmas, kā arī identificēt dažas svarīgas detaļas, kuras nebūtu iespējams noteikt, vai šādi testi tika veikti jau pēdējos attīstības un integrācijas posmos. Pēc izstrādātāju domām, ātra prototipēšana un agrīna integrācija ir atšķirīga pieeja viņu komandas darbam. Pateicoties tam, jūs varat ātri uzzināt idejas izpildi, kā arī agrīnā stadijā identificēt visus esošos trūkumus.
Marsa raķešu degvielas rūpnīcas būtība ir tāda, ka viss šis aprīkojums tiks iesaiņots nelielā ērtā kastē, piegādāts uz Sarkano planētu un pēc tam pats iesaiņots un savu uzdevumu sāks izpildīt ilgi pirms pirmo cilvēku ierašanās Marsā. Pilnvaroto misiju attīstība uz Marsu būs atkarīga no šīs autonomās rūpnīcas efektivitātes. Galu galā bez tā cilvēki pulksteņa beigās nevarēs atgriezties uz Zemes. Turklāt NASA ir arī komandas, kas strādā pie visa veida pārtikas (ieskaitot kartupeļus) audzēšanas. Jauno ražu ir plānots audzēt atkal autonomā veidā, sūtot cilvēkus uz Marsu un viņu lidojumus atpakaļ uz Zemi, lai cilvēkiem vienmēr būtu svaiga raža.
Kopumā projekts ir patiesi gigantisks un prasa rūpīgu sagatavošanos.
NASA ir liela pieredze ar autonomajiem braucējiem un kravas automašīnām uz Marsa. Piemēram, visjaunākajiem Marsa braucējiem - Curiosity, kas 2012. gadā nolaidās uz Sarkanās planētas un Mars 2020, kas dosies tur 2020. gadā - ir un būs augsts autonomijas līmenis. Tomēr Marsa raķešu degvielas rūpnīcas izveidošanai, piegādei un izmantošanai ilgtermiņā un ar maksimālu autonomijas pakāpi būs jāizmanto tehnoloģijas, kas kosmosa inženieriju pacels pilnīgi jaunā līmenī.
Robota ekskavatora pārbaudei NASA izmanto norobežotu teritoriju, kas piepildīta ar vairāk nekā simts tonnu sasmalcinātu vulkānisko iežu. Minerāli kalpo kā ekvivalents smalkākajiem un abrazīvākajiem Marsa putekļiem.
Lai sāktu kosmosa kolonizāciju, zinātniekiem un inženieriem ir jāatrisina daudzas tehniskas problēmas. Piemēram, ir ļoti svarīgi noteikt, vai katra apakšsistēma, kas tiek izstrādāta Marsa dabas resursu ieguves iekārtā, ir piemērota palielināšanai. Vai viņa spēs apmierināt visas vajadzības un sasniegt tādu kapacitātes līmeni, kāds būs nepieciešams komandētu komandējumu laikā uz Sarkano planētu.
Saskaņā ar NASA speciālistu nesenajiem aprēķiniem šādai sistēmai apmēram 16 mēnešos vajadzētu ražot apmēram 7 tonnas šķidrā metāna un apmēram 22 tonnas šķidrā ūdeņraža. Balstoties uz to, lai iegūtu maksimālu atdevi, ir ļoti precīzi jānosaka vispiemērotākās vietas rūpnīcas izvietošanai resursu savākšanai un apstrādei. Turklāt ir jāaprēķina, cik RASSOR ekskavatoru vajadzēs nogādāt uz Marsu, kā arī cik stundas dienā viņiem būs jāstrādā, lai sasniegtu doto ražošanas plānu. Galu galā jums ir jāsaprot, cik lielam ir oglekļa saldētavam, kādam jābūt Sabatier reaktoram, un cik daudz enerģijas visi šie materiāli patērēs.
Zinātniekiem arī jāparedz iespējamās nepārvaramas varas problēmas, kas var traucēt resursu ieguvei un apstrādei, potenciāli aizkavējot nākamās ekspedīcijas nosūtīšanu uz Sarkano planētu. Jānovērtē visi iespējamie riski, kas saistīti ar šīm problēmām, un iepriekš jāizstrādā pareizi un ātri paņēmieni to risināšanai, iespējams, aprīkojot sistēmu ar liekiem elementiem, lai īslaicīgi aizstātu neveiksmīgo aprīkojumu.
Ir nepieciešams nodrošināt, ka robotizētās tehnoloģijas var uzturēt operatīvās darbības bez pārtraukumiem un nepieciešamību pēc apkopes vairākus gadus, tāpēc to izstrāde tiks veikta stingri saskaņā ar noteiktajiem standartiem. Piemēram, būs jāsamazina izmantoto kustīgo daļu daudzums. Tādējādi būs iespējams samazināt regolīta putekļu ietekmi uz visas sistēmas efektivitāti. Ja jūs pievērsīsities problēmai no otras puses un sāksit attīstīt kustīgas detaļas ar lielāku putekļu izturību, tas ne tikai sarežģīs visu sistēmu kopumā, bet arī tai piešķirs papildu svaru, kas, kā jau minēts, ir līdzvērtīgs zeltam.
Zinātniekiem ir arī jāizdomā, kā un kādās proporcijās smalkais un cietais regolīts tiek sajaukts ar ledu zem Marsa virsmas. Šie dati palīdzēs jums efektīvāk sagatavot ekskavatorus resursu ieguvei. Piemēram, pašreizējā RASSOR kausa versija ir vispiemērotākā, lai savāktu regolītu, kas sajaukts ar vienreizēju ledu. Tomēr šī konstrukcija būs mazāk efektīva, ja būs nepieciešams "iekost" lielākos cietā ledus slāņos. Lai izstrādātu piemērotāku aprīkojumu, ir jāiegūst precīza izpratne par ledus izplatību Marē. Vēl viena iespēja ir attīstīt spēcīgāku, sarežģītāku, smagāku un daudzpusīgāku aprīkojumu, kas izturētu jebkura veida augsni un ledus blīvumu. Bet tas atkal ir papildu atkritumi.
Joprojām ir jāatrisina jautājumi, kas saistīti ar ilgstoši atdzesētu šķidrumu glabāšanu. Vielu un materiālu glabāšanas tehnoloģijas zem augsta spiediena tiek pastāvīgi pilnveidotas, bet vai mūsdienu tehnoloģijas spēs ilgstoši darboties uz Marsa virsmas?
Kopumā nākamajos gados NASA zinātnieki risinās visus šos problemātiskos jautājumus. Savukārt Swamp Works inženieri turpinās uzlabot savas sistēmas visu izstrādāto komponentu efektivitāti un pieejamību. Plānots, ka ekskavatori būs vēl spēcīgāki un vieglāki. Pēc tam plānots sākt to testēšanu mākslīgi izveidotos un pēc iespējas tuvāk Marsa apstākļiem. Zinātnieki arī vēlas uzlabot kurtuves, elektrolīzes sistēmas kvalitāti un efektivitāti un izstrādāt Sabatier reaktora un saldēšanas iekārtas mērogojamu modeli oglekļa ieguvei. Izstrādātāji ir pārliecināti, ka šo un daudzu citu problēmu risinājums novedīs pie tā, ka putekļu savākšanas prototips vairs nebūs prototips un galu galā iesaistīsies reālā darbībā uz Marsa virsmas.nākamo kolonistu nodrošināšana ar visiem dzīvībai nepieciešamajiem resursiem.
Nikolajs Khizhnyak