Годината е 2038. След 18 месеца живот и работа на повърхността на Марс, екип от шест изследователи се качват на космическия кораб и се връщат на Земята. На планетата не е останала нито една жива душа, но работата не спира тук нито за минута. Автономните роботи продължават да добиват минерали и да ги доставят за преработка във фабрика за химически синтез, която е построена няколко години преди хората да стъпят за първи път на Марс. Фабриката произвежда вода, кислород и ракетно гориво от местни ресурси, като редовно подготвя доставки за следващата експедиция, която ще пристигне тук след две години.
Тази роботизирана фабрика не е научна фантастика. Това е проект, по който в момента работят няколко научни екипа на аерокосмическата агенция НАСА. Една от тях, Swamp Works, работи в космическия център Кенеди във Флорида. Съоръжението, което официално разработват, се нарича система за използване на ресурсите In Situ (ISRU), но хората, които работят върху него, са склонни да го наричат фабрика за прах, тъй като превръща обикновения прах в ракетно гориво. Тази система един ден ще позволи на хората да живеят и работят на Марс, както и да се върне на Земята, ако е необходимо.
Защо изобщо да синтезираме нещо на Марс? Защо просто не донесете всичко необходимо от Земята? Проблемът е цената на това удоволствие. Според някои оценки доставката на един килограм полезен товар (например гориво) от Земята до Марс - тоест поставянето на този килограм в ниска орбита на Земята, изпращането му до Марс, забавянето на космическия кораб при влизане в орбитата на планетата и накрая безопасно кацане на повърхността - изгори 225 килограма ракетно гориво. Съотношението 225: 1 все още е ефективно. В този случай едни и същи фигури ще бъдат характерни при използване на всеки космически кораб. Тоест, за да доставят същия тон вода, кислород или техническо оборудване на Червената планета, ще трябва да бъдат изгорени 225 тона ракетно гориво. Единственият начин да се спасите от такава скъпа аритметика е да произвеждате собствена вода,кислород или същото гориво на мястото си.
Няколко изследователски и инженерни групи в НАСА работят върху решаването на различни аспекти на този проблем. Например екипът на Swamp Works в Космическия център Кенеди наскоро започна да сглобява всички отделни модули за минна система. Растението е ранен прототип, но съчетава всички детайли, които ще са необходими за експлоатация на инсталация за събиране на прах.
Дългосрочният план на НАСА е насочен към колонизиране на Марс, но сега агенцията концентрира цялата си енергия и внимание върху Луната. Така проверката на повечето от разработеното оборудване ще се извърши първо на лунната повърхност, което от своя страна ще реши всички възможни проблеми, за да се избегнат в бъдеще при използване на инсталацията на Марс.
Прахът и мръсотията върху извънземно космическо тяло обикновено се наричат реголит. В общ смисъл говорим за вулканична скала, която за няколко милиона години под влияние на различни метеорологични условия се превърна във фин прах. На Марс под слой от корозивни минерали от желязо, които придават на планетата известния му червеникав оттенък, се намира дебел слой от силициеви и кислородни структури, комбинирани с желязо, алуминий и магнезий. Добивът на тези материали е много трудна задача, тъй като резервите и концентрацията на тези вещества могат да варират от една област на планетата до друга. За съжаление тази задача се усложнява допълнително от ниската гравитация на Марс - копаенето в такива условия, възползвайки се от масовото предимство, е много по-трудно. На Земята обикновено използваме големи машини за добив. Техният размер и тегло ви позволяват да положите достатъчно усилия, за да „захапете“в земята. Пренасянето на такъв лукс на Марс би било напълно недопустимо. Спомняте ли си проблема с разходите? С всеки грам, изпратен до Марс, цената на целия старт ще нараства постоянно. Следователно НАСА работи върху това как да добива минерали на Червената планета, използвайки леко оборудване.
Космически багер. НАСА разработва роботизиран багер с две противоположни кофи за барабани, въртящи се в противоположни посоки една от друга. Този подход ще позволи на машината да работи в условия на ниска гравитация и да премахне необходимостта от големи сили.
Запознайте се с RASSOR (Regolith Advanced Surface System Operations Robot), автономен миньор, проектиран с единствената цел да копае regolith в среда с ниска гравитация. При разработването на RASSOR (чете се като "бръснач" - от английския "острие") инженерите на NASA обърнаха специално внимание на неговата система за задвижване на мощност. Последните се състоят от двигатели, скоростни кутии и други механизми, които съставляват по-голямата част от цялата инсталация. Той използва безрамкови двигатели, електромагнитни спирачки и, наред с други неща, 3D печатани калъфи от титан, за да намали общото тегло и обем на конструкцията. В резултат на това системата има около половината от теглото си в сравнение с други устройства със сходни спецификации.
Промоционално видео:
За копаене RASSOR използва две противоположни кофи за барабани, всяка от които е снабдена с множество зъби, за да вземе материал. Когато машината се движи, кофите на барабана се въртят. Задвижващите механизми, които ги държат, се спускат и барабаните, кухи вътре, буквално отрязват горния слой на повърхностния реголит. С други думи, комбайнът набира само горния слой материал, а не копае по-дълбоко. Друга ключова характеристика на RASSOR е дизайнът на боксера - барабаните се въртят в различни посоки. Това елиминира необходимостта от много усилия за издърпване на почвата при условия на ниска гравитация.
Щом барабаните RASSOR се напълнят, роботът спира да събира и се придвижва към завода за рециклиране. За да разтовари реголита, машината просто върти барабаните в обратна посока - материалът пада през същите дупки в барабаните, през които е бил събран. Фабриката разполага със собствено роботизирано повдигащо рамо, което събира доставения реголит и го изпраща до товарния колан на фабриката, който от своя страна доставя материала до вакуумната пещ. Там реголитът ще се нагрява до високи температури. Водните молекули, съдържащи се в материала, ще бъдат издухани от сух газов вентилатор и след това събрани с помощта на охлаждащ термостат.
Може би се питате: „Не е ли първоначално марсианският реголит сух?“. Суха, но не навсякъде. Всичко зависи от това къде и колко дълбоко копаете. В някои области на планетата има цели слоеве воден лед само на няколко сантиметра под повърхността. Още по-ниско може да има сулфатна вар и пясъчници, които могат да съдържат до около 8 процента вода от общата маса на масива.
След кондензация отработеният реголит се изхвърля обратно на повърхността, където RASSOR може да го вземе и отнесе на място, по-далеч от фабриката. Този „отпадък“всъщност е много ценен материал, тъй като може да се използва за създаване на отбранителни структури за населени места, както и за пътища и площадки за кацане с помощта на технологии за 3D печат, които също се разработват в НАСА.
Схемата на добив на Марс в снимки:
Разработка: Робот с колела вдига regolith с въртящи се кофи с отвори за проби.
Транспорт: Кофите с въртящи се барабани изхвърлят regolith в роботизираното рамо на фабриката.
Обработка: За да се извлече вода от реголита, тя се нагрява в пещ, където се извършва електролиза на водород и кислород.
Прехвърляне: След получаване на определен обем на веществото, друга роботизирана рама, оборудвана със специална защитна затворена система, я зарежда върху мобилния роботизиран танкер.
Доставка: Танкерът доставя вода, кислород и метан до домовете на хората и ги разтоварва в резервоари за дългосрочно съхранение.
Употреба и съхранение: Астронавтите ще използват вода и кислород за дишане и отглеждане на растения; горивото ще се съхранява като криогенни течности за бъдеща употреба.
Цялата вода, която ще бъде извлечена от реголита, ще бъде добре пречистена. Пречиствателният модул ще се състои от многофазна филтрационна система, както и няколко дейонизиращи субстрата.
Течността няма да се използва само за пиене. Той ще се превърне в основен компонент за производството на ракетно гориво. Когато молекулите на H2O се разделят чрез електролиза на молекули водород (H2) и кислород (O2) и след това се компресират и превръщат в течност, ще бъде възможно да се синтезират гориво и окислител, които най-често се използват в ракетните двигатели с течно гориво.
Предизвикателството се крие във факта, че течният водород трябва да се съхранява при изключително ниски температури. За целта НАСА иска да превърне водорода в горивото, което е най-лесно за съхранение: метан (CH4). Това вещество може да бъде получено чрез комбиниране на водород и въглерод. Къде да вземем въглерод на Марс?
За щастие, на Червената планета има много. Марсианската атмосфера е 96 процента молекули въглероден диоксид. Захващането на този въглерод е задача на специализиран фризер. Казано по-просто, той ще създаде сух лед от въздуха.
След като получат водород чрез електролиза и извлекат въглероден газ от атмосферата, използвайки химичен процес - реакцията на Sabatier, те могат да бъдат комбинирани в метан. За това НАСА разработва специален реактор. Той ще създаде необходимите налягане и температура, за да подпомогне превръщането на водород и въглероден диоксид в метан и вода като страничен продукт.
Друг интересен детайл на преработвателното предприятие е пъпната роботизирана рамо за пренасяне на течности в цистерна на мобилен танкер. Необичайното при тази система е, че тя е специално защитена от външната среда и по-специално от прах. Реголитният прах е много фин и може да проникне почти навсякъде. Тъй като самият реголит се състои от натрошена вулканична скала, той е много абразивен (прилепва буквално към всичко), което може да създаде сериозни проблеми при работата на оборудването. Лунните мисии на НАСА в миналото показаха колко опасно е това вещество. Той наруши показанията на електрониката, доведе до задръстване на механизмите, а също така стана причина за неизправности в регулаторите на температурата. Защита на електрически и течни канали за предаване на роботизираното рамо, както и всяка силно чувствителна електроника,е един от най-високите приоритети за учените.
Програмиране на пъпна роботизирана ръка за свързване с мобилен танкер. Манипулаторът ще се използва за зареждане на цистерни с течно гориво, вода и кислород.
От всяка страна на пъпната камера, монтирана върху роботизирано рамо, има врати, които действат като въздушни брави, за да не се допуска прах от всички вътрешни канали. Необходими са три стъпки за свързване на камерата към механизма на цистерна: Първо, след като запълнете камерата, вратите трябва да бъдат затворени от двете страни, за да се създаде защитна бариера срещу прах. На второ място, във всяка от вратите на пъпната камера е необходимо да се отворят малки уплътнителни отвори, през които ще бъде осигурен достъп до каналите за пренос на ресурси, инсталирани на специална подвижна плоча. На трето място, необходимо е да се приведе в съответствие позицията на каналите за предаване на пъпната камера и каналите за приемане на материал от механизма на цистерната, като се свързват точно електрическите и течните съединители.
Роботизираното рамо на инсталацията за преработка на гориво ще постави пъпната камера върху мобилния роботизиран танкер и след това ще разтовари произведените материали. Системата за пълнене в този случай ще бъде много подобна на бензиностанциите на Земята, но заедно с бензин тя ще изпомпва вода. Или течен кислород. Или течен метан. Или всички наведнъж.
Наскоро инженерите, участващи в разработването на този проект, проведоха тестова демонстрация на инсталацията във Флорида. На този етап учените трябваше да прибегнат до моделиране на процесите на електролиза и самата пещ, за да намалят разходите и сложността на инсталацията. Освен това беше проведена симулация на получаване на три преработени продукта с помощта на вода. Но в този случай, както хардуерните, така и софтуерните прототипи вече са използвани за всички части на инсталацията.
Чрез комбиниране на всички части заедно, инженерите на Swamp Works успяха да установят дали има някакви проблеми в дизайна, както и да идентифицират някои важни подробности, които не биха могли да се определят дали такива тестове са били извършени вече в последните етапи на развитие и интеграция. Според разработчиците, бързото прототипиране и ранната интеграция е отличителен подход към работата на техния екип. Благодарение на това можете бързо да разберете изпълнението на дадена идея, както и да идентифицирате всички съществуващи недостатъци на ранен етап.
Същността на марсианската фабрика за ракети и горива е, че цялото това оборудване ще бъде опаковано в малка удобна кутия, доставено до Червената планета, след което ще бъде разопаковано самостоятелно и ще започне да изпълнява задачата си много преди първите хора да пристигнат на Марс. Развитието на пилотирани мисии до Марс ще зависи от ефективността на тази автономна фабрика. В крайна сметка без него хората няма да могат да се върнат обратно на Земята в края на часовника си. Освен това НАСА разполага и с екипи, които работят върху отглеждането на всякакви храни (включително картофи). Новата реколта се планира да се отглежда отново по автономен начин по време на изпращането на хора на Марс и полетите им обратно на Земята, така че хората винаги да имат свежа реколта.
Като цяло проектът е наистина гигантски и изисква внимателна подготовка.
НАСА има богат опит с автономни роувъри и кацане на Марс. Например, най-новите марсоходци - Curiosity, които кацнаха на Червената планета през 2012 г. и Марс 2020, които ще отидат там през 2020 г. - имат и ще имат високо ниво на автономност. Въпреки това, създаването, доставката и използването на марсианската ракетно-горивна фабрика в дългосрочен план и с максимално ниво на автономност ще изисква използването на технологии, които ще изведат космическата техника на напълно ново ниво.
За да изпробва робота багер, НАСА използва затворена зона, пълна с повече от сто тона натрошена вулканична скала. Минералите служат като контра на най-финия и абразивен марсиански прах.
За да започнат колонизацията в космоса, учените и инженерите трябва да решат много технически проблеми. Например, много важно е да се определи дали всяка подсистема, която се разработва в марсианско съоръжение за извличане на природни ресурси, е подходяща за мащабиране. Ще успее ли тя да отговори на всички нужди и да достигне нивото на капацитет, което ще се изисква в рамките на командированите мисии до Червената планета.
Според последните оценки на специалисти от НАСА, такава система за около 16 месеца би трябвало да произвежда около 7 тона течен метан и около 22 тона течен водород. Въз основа на това за максимална възвръщаемост е необходимо много точно да се определят най-подходящите места за разполагане на фабрика за събиране и обработка на ресурси. Освен това е необходимо да се изчисли колко багери RASSOR ще трябва да бъдат доставени до Марс, както и колко часа на ден ще трябва да работят, за да достигнат даден производствен план. В крайна сметка трябва да разберете колко голям трябва да бъде фризерът за въглерод, реакторът Sabatier и колко енергия ще изразходват всички тези неща.
Учените също трябва да предвидят възможни проблеми с непреодолима сила, които могат да пречат на добиването и обработката на ресурси, което потенциално ще забави изпращането на следващата експедиция до Червената планета. Необходимо е да се оценят всички възможни рискове, свързани с тези проблеми, и да се разработят предварително правилните и бързи начини за тяхното разрешаване, евентуално оборудването на системата с излишни елементи за временно заместване на повреденото оборудване.
Необходимо е да се гарантира, че роботизираните технологии могат да поддържат оперативни дейности без прекъсване и нужда от поддръжка в продължение на няколко години, така че тяхното разработване ще се извършва в стриктно съответствие с установените стандарти. Например, ще е необходимо да се сведе до минимум количеството на използваните движещи се части. По този начин ще бъде възможно да се сведе до минимум въздействието на праха от regolith върху ефективността на цялата система. Ако подходим към въпроса от другата страна и започнем да разработваме движещи се части с по-висока устойчивост на прах, тогава това не само ще усложни цялата система като цяло, но и ще добави допълнителна тежест към нея, което, както вече споменахме, е еквивалентно на златото.
Учените също трябва да установят как и в какви пропорции финият и твърд реголит се смесва с лед под повърхността на Марс. Тези данни ще ви помогнат по-ефективно да подготвите багери за извличане на ресурси. Например, текущата версия на кофата RASSOR е най-подходяща за събиране на regolith, смесен с бучка лед. Този дизайн обаче ще бъде по-малко ефективен, когато е необходимо да се "захапете" в по-големи слоеве от твърд лед. За да се разработи по-подходящо оборудване, е необходимо да се получи точно разбиране за разпределението на леда върху кобилата. Друг вариант е да се разработи по-силна, по-сложна, по-тежка и по-универсална техника, която да може да се справи с всякакъв тип почви и плътност на леда. Но, отново, това е допълнителна загуба.
Все пак е необходимо да се разрешат проблеми, свързани с дългото съхранение на преохладени течности. Технологиите за съхраняване на вещества и материали под високо налягане постоянно се подобряват, но дали съвременните технологии ще могат да работят на повърхността на Марс дълго време?
Като цяло в следващите години учените от НАСА ще се справят с всички тези проблемни въпроси. От своя страна инженерите на Swamp Works ще продължат да подобряват ефективността и наличността на всички разработени компоненти на тяхната система. Планира се багерите да бъдат направени още по-здрави и леки. След това се планира да започне тестването им в изкуствено създадени и възможно най-близки до марсианските условия. Учените също искат да подобрят качеството и ефективността на пещта, системата за електролиза и да разработят мащабируем модел на реактора и хладилната инсталация Sabatier за производство на въглерод. Разработчиците са уверени, че решаването на тези и много други проблеми ще доведе до факта, че прототипът за събиране на прах ще престане да бъде прототип и в крайна сметка ще се заеме с истинска работа на повърхността на Марс.осигуряване на бъдещите колонисти с всички ресурси, необходими за живота.
Николай Хижняк
