L'anno è il 2038. Dopo 18 mesi di vita e lavoro sulla superficie di Marte, un team di sei ricercatori sale a bordo della navicella e torna sulla Terra. Non è rimasta una sola anima vivente sul pianeta, ma il lavoro non si ferma qui per un minuto. I robot autonomi continuano ad estrarre minerali e consegnarli per l'elaborazione a una fabbrica di sintesi chimica, che è stata costruita diversi anni prima che gli esseri umani mettessero piede per la prima volta su Marte. La fabbrica produce acqua, ossigeno e carburante per missili dalle risorse locali, preparando regolarmente i rifornimenti per la prossima spedizione, che arriverà qui tra due anni.
Questa fabbrica robotica non è fantascienza. Questo è un progetto a cui stanno attualmente lavorando diversi team scientifici dell'agenzia aerospaziale della NASA. Uno di loro, Swamp Works, lavora al Kennedy Space Center in Florida. L'impianto che stanno sviluppando ufficialmente è chiamato ISRU (In Situ Resource Utilization System), ma le persone che ci lavorano tendono a chiamarlo una fabbrica di polvere perché converte la polvere ordinaria in carburante per missili. Questo sistema un giorno consentirà agli esseri umani di vivere e lavorare su Marte, oltre a tornare sulla Terra se necessario.
Perché sintetizzare qualcosa su Marte? Perché non portare lì tutto ciò di cui hai bisogno dalla Terra? Il problema è il costo di questo piacere. Secondo alcune stime, sarà richiesta la consegna di un chilogrammo di carico utile (ad esempio, carburante) dalla Terra a Marte, ovvero mettere questo chilogrammo nell'orbita terrestre bassa, inviarlo su Marte, rallentare la navicella spaziale quando entra nell'orbita del pianeta e infine atterrare in sicurezza sulla superficie. bruciare 225 chilogrammi di carburante per missili. Il rapporto 225: 1 è ancora efficace. In questo caso, le stesse figure saranno tipiche quando si utilizza qualsiasi veicolo spaziale. Cioè, per fornire la stessa tonnellata di acqua, ossigeno o attrezzature tecniche al Pianeta Rosso, dovranno essere bruciate 225 tonnellate di carburante per missili. L'unico modo per salvarti da un'aritmetica così costosa è produrre la tua acqua,ossigeno o lo stesso carburante presente.
Diversi gruppi di ricerca e ingegneria della NASA stanno lavorando per risolvere vari aspetti di questo problema. Ad esempio, il team Swamp Works del Kennedy Space Center ha recentemente iniziato ad assemblare tutti i singoli moduli per un sistema minerario. L'impianto è un prototipo iniziale, ma combina tutti i dettagli necessari per far funzionare un impianto di raccolta delle polveri.
Il piano a lungo termine della NASA mira a colonizzare Marte, ma ora l'agenzia sta concentrando tutta la sua energia e attenzione sulla Luna. Pertanto, la verifica della maggior parte delle apparecchiature in fase di sviluppo verrà effettuata prima sulla superficie lunare, che a sua volta risolverà tutti i possibili problemi per evitarli in futuro quando si utilizza l'installazione su Marte.
La polvere e lo sporco su un corpo spaziale extraterrestre sono solitamente chiamati regolite. In senso generale, stiamo parlando di una roccia vulcanica, che nel corso di diversi milioni di anni, sotto l'influenza di varie condizioni meteorologiche, si è trasformata in una polvere fine. Su Marte, sotto uno strato di minerali di ferro corrosivi che conferiscono al pianeta la sua famosa tonalità rossastra, si trova uno spesso strato di strutture di silicio e ossigeno combinate con ferro, alluminio e magnesio. L'estrazione di questi materiali è un compito molto difficile, poiché le riserve e la concentrazione di queste sostanze possono variare da un'area all'altra del pianeta. Sfortunatamente, questo compito è ulteriormente complicato dalla bassa gravità di Marte: scavare in tali condizioni, sfruttando il vantaggio di massa, è molto più difficile. Sulla Terra, di solito usiamo grandi macchine per l'estrazione mineraria. Le loro dimensioni e il peso ti consentono di fare uno sforzo sufficiente per "mordere" il terreno. Portare un tale lusso su Marte sarebbe del tutto inammissibile. Ricordi il problema dei costi? Con ogni grammo inviato su Marte, il prezzo dell'intero lancio aumenterà costantemente. Pertanto, la NASA sta lavorando su come estrarre minerali sul Pianeta Rosso utilizzando attrezzature leggere.
Escavatore spaziale. La NASA sta sviluppando un escavatore robotico con due benne a tamburo contrapposte che ruotano in direzioni opposte l'una dall'altra. Questo approccio consentirà alla macchina di funzionare in condizioni di bassa gravità ed eliminerà la necessità di forze elevate.
Incontra RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), un minatore autonomo progettato con l'unico scopo di scavare la regolite in ambienti a bassa gravità. Durante lo sviluppo del RASSOR (letto come "rasoio" - dall'inglese "lama"), gli ingegneri della NASA hanno prestato particolare attenzione al suo sistema di propulsione. Questi ultimi sono costituiti da motori, riduttori e altri meccanismi che costituiscono la maggior parte dell'intera installazione. Utilizza motori senza telaio, freni elettromagnetici e, tra le altre cose, custodie in titanio stampate in 3D per ridurre al minimo il peso e il volume complessivi della struttura. Di conseguenza, il sistema ha circa la metà del peso rispetto ad altre unità con specifiche simili.
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Per lo scavo, RASSOR utilizza due benne a tamburo contrapposto, ciascuna dotata di più denti per afferrare il materiale. Quando la macchina è in movimento, le benne del tamburo ruotano. Gli attuatori che li trattengono si abbassano ed i tamburi, cavi all'interno, tagliano letteralmente lo strato superiore della regolite superficiale. In altre parole, la mietitrice raccoglie solo lo strato superiore di materiale, invece di scavare più in profondità. Un'altra caratteristica fondamentale di RASSOR è il design boxer: i tamburi ruotano in direzioni diverse. Ciò elimina la necessità di molto sforzo per tirare il terreno in condizioni di bassa gravità.
Non appena i fusti RASSOR sono pieni, il robot smette di raccogliere e si sposta verso l'impianto di riciclaggio. Per scaricare la regolite, la macchina fa semplicemente ruotare i tamburi in direzione opposta - il materiale cade attraverso gli stessi fori dei tamburi attraverso i quali è stato raccolto. Lo stabilimento dispone di un proprio braccio di sollevamento robotizzato che raccoglie la regolite erogata e la invia al nastro di carico dello stabilimento, che a sua volta consegna il materiale al forno a vuoto. Lì, la regolite verrà riscaldata a temperature elevate. Le molecole d'acqua contenute nel materiale verranno espulse da un soffiatore a gas secco e quindi raccolte mediante un termostato di raffreddamento.
Forse ti starai chiedendo: "La regolite marziana non è originariamente secca?" Secco, ma non ovunque. Tutto dipende da dove e quanto in profondità scavi. In alcune aree del pianeta, ci sono interi strati di ghiaccio d'acqua a pochi centimetri sotto la superficie. Ancora più in basso possono esserci calce solfato e arenarie, che possono contenere fino a circa l'8 percento di acqua dalla massa totale del massiccio.
Dopo la condensazione, la regolite esausta viene rigettata in superficie, dove RASSOR può raccoglierla e portarla in un luogo più lontano dalla fabbrica. Questo "rifiuto" è in realtà un materiale molto prezioso, perché verrà utilizzato per creare strutture difensive per gli insediamenti, nonché strade e siti di atterraggio utilizzando tecnologie di stampa 3D, anch'esse in fase di sviluppo presso la NASA.
Lo schema dell'estrazione mineraria su Marte in immagini:
Sviluppo: un robot su ruote preleva la regolite con secchi rotanti con fori di campionamento.
Trasporto: le benne a tamburo rotante inverso scaricano la regolite nel braccio robotico della fabbrica.
Lavorazione: Per estrarre l'acqua dalla regolite, viene riscaldata in un forno, dove avviene l'elettrolisi dell'idrogeno e dell'ossigeno.
Trasferimento: dopo aver ricevuto un certo volume di sostanza, un altro braccio robotico, dotato di uno speciale sistema di protezione chiuso, lo carica sull'autocisterna robotica mobile.
Consegna: la nave cisterna fornisce acqua, ossigeno e metano alle case delle persone e le scarica in serbatoi di stoccaggio a lungo termine.
Utilizzo e conservazione: gli astronauti useranno acqua e ossigeno per respirare e far crescere le piante; il carburante sarà immagazzinato come liquidi criogenici per un uso futuro.
Tutta l'acqua che verrà estratta dalla regolite sarà completamente purificata. Il modulo di purificazione sarà costituito da un sistema di filtrazione multifase e da diversi substrati deionizzanti.
Il liquido non verrà utilizzato solo per bere. Diventerà una componente essenziale per la produzione di carburante per missili. Quando le molecole di H2O vengono divise per elettrolisi in molecole di idrogeno (H2) e ossigeno (O2), quindi compresse e convertite in un liquido, sarà possibile sintetizzare carburante e ossidante, che sono più spesso utilizzati nei motori a razzo a propellente liquido.
La sfida sta nel fatto che l'idrogeno liquido deve essere immagazzinato a temperature estremamente basse. Per fare questo, la NASA vuole convertire l'idrogeno nel carburante più facile da immagazzinare: il metano (CH4). Questa sostanza può essere ottenuta combinando idrogeno e carbonio. Dove trovare il carbonio su Marte?
Fortunatamente, ce ne sono molti sul Pianeta Rosso. L'atmosfera marziana è composta al 96% da molecole di anidride carbonica. Catturare questo carbonio è il compito di un congelatore dedicato. In termini semplici, creerà ghiaccio secco dall'aria.
Avendo ricevuto idrogeno per elettrolisi ed estratto gas di carbonio dall'atmosfera, utilizzando un processo chimico - la reazione di Sabatier - possono essere combinati in metano. Per questo, la NASA sta sviluppando un reattore speciale. Creerà la pressione e la temperatura necessarie per supportare la conversione di idrogeno e anidride carbonica in metano e acqua come sottoprodotto.
Un altro dettaglio interessante dell'impianto di lavorazione è il braccio robotico ombelicale per il trasferimento di liquidi all'autocisterna di un'autocisterna mobile. La cosa insolita di questo sistema è che è particolarmente protetto dall'ambiente esterno e, in particolare, dalla polvere. La polvere regolitica è molto fine e può penetrare quasi ovunque. Poiché la regolite stessa è costituita da roccia vulcanica sbriciolata, è molto abrasiva (si aggrappa letteralmente a tutto), il che può creare seri problemi al funzionamento delle apparecchiature. Le missioni lunari della NASA in passato hanno dimostrato quanto sia pericolosa questa sostanza. Ha violato le letture dell'elettronica, ha portato al blocco dei meccanismi ed è diventato anche la causa di malfunzionamenti nei regolatori di temperatura. Protezione dei canali di trasmissione elettrica e dei liquidi del braccio robotico, nonché di qualsiasi elettronica altamente sensibile,è una delle massime priorità per gli scienziati.
Programmazione di un braccio robotico ombelicale per il collegamento a una nave cisterna mobile. Il manipolatore verrà utilizzato per rifornire le navi cisterna con carburante liquido, acqua e ossigeno.
Su ogni lato della camera ombelicale, montata su un braccio robotico, ci sono porte che fungono da serrande per mantenere la polvere fuori da tutti i canali interni. Sono necessari tre passaggi per collegare la camera al meccanismo dell'autocisterna: in primo luogo, dopo aver riempito la camera, le porte devono essere chiuse saldamente su entrambi i lati per creare una barriera protettiva antipolvere. In secondo luogo, in ciascuna delle porte della camera ombelicale, è necessario aprire piccoli fori di tenuta attraverso i quali verrà fornito l'accesso ai canali di trasferimento delle risorse installati su una speciale piastra mobile. In terzo luogo, è necessario allineare la posizione dei canali di trasmissione della camera ombelicale e dei canali per ricevere il materiale dal meccanismo dell'autocisterna, collegando accuratamente sia i connettori elettrici che quelli del liquido.
Il braccio robotico dell'impianto di trattamento del combustibile posizionerà la camera ombelicale sull'autocisterna robotica mobile e quindi scaricherà i materiali prodotti. Il sistema di riempimento in questo caso sarà molto simile alle stazioni di servizio sulla Terra, ma insieme alla benzina pomperà acqua. O ossigeno liquido. O metano liquido. O tutto in una volta.
Recentemente, gli ingegneri coinvolti nello sviluppo di questo progetto hanno condotto una dimostrazione di prova dell'installazione in Florida. In questa fase, gli scienziati hanno dovuto ricorrere alla modellazione dei processi di elettrolisi e del forno stesso per ridurre i costi e la complessità dell'installazione. Inoltre, è stata eseguita una simulazione per ottenere tre prodotti lavorati utilizzando acqua. Ma in questo caso sono già stati utilizzati prototipi hardware e software per tutte le parti dell'installazione.
Mettendo insieme tutti i pezzi, gli ingegneri di Swamp Works sono stati in grado di capire se c'erano problemi di progettazione, nonché di identificare alcuni dettagli importanti che non sarebbero stati possibili per determinare se tali test fossero stati effettuati già nelle ultime fasi di sviluppo e integrazione. Secondo gli sviluppatori, la prototipazione rapida e l'integrazione iniziale sono un approccio distintivo al lavoro del loro team. Grazie a ciò, puoi scoprire rapidamente la performance di un'idea e identificare tutte le carenze esistenti in una fase iniziale.
L'essenza della fabbrica di razzi e carburanti marziani è che tutta questa attrezzatura sarà imballata in una piccola scatola conveniente, consegnata al Pianeta Rosso, quindi disimballata da sola e inizierà a svolgere il suo compito molto prima che le prime persone arrivino su Marte. Lo sviluppo di missioni con equipaggio su Marte dipenderà dall'efficienza di questa fabbrica autonoma. Dopotutto, senza di esso, le persone non saranno in grado di tornare sulla Terra alla fine del loro turno di guardia. Inoltre, la NASA ha anche team che lavorano alla coltivazione di tutti i tipi di cibo (comprese le patate). Il nuovo raccolto è pianificato per essere coltivato di nuovo in modo autonomo durante l'invio di persone su Marte e i loro voli di ritorno sulla Terra, in modo che le persone abbiano sempre un raccolto fresco.
In generale, il progetto è davvero gigantesco e richiede un'attenta preparazione.
La NASA ha una vasta esperienza con rover e lander autonomi su Marte. Ad esempio, i più recenti rover su Marte - Curiosity, che è atterrato sul Pianeta Rosso nel 2012 e Mars 2020, che andrà lì nel 2020 - hanno e avranno un alto livello di autonomia. Tuttavia, la creazione, la consegna e l'uso della fabbrica di razzi e carburanti marziani a lungo termine e con il massimo livello di autonomia richiederà l'uso di tecnologie che porteranno l'ingegneria spaziale a un livello completamente nuovo.
Per testare l'escavatore robotico, la NASA utilizza un'area chiusa riempita con oltre cento tonnellate di roccia vulcanica frantumata. I minerali fungono da controparte della polvere marziana più fine e abrasiva.
Per iniziare la colonizzazione spaziale, scienziati e ingegneri devono risolvere molti problemi tecnici. Ad esempio, è molto importante determinare se ogni sottosistema in fase di sviluppo in un impianto di estrazione di risorse naturali marziane è adatto per lo scale-up. Riuscirà a soddisfare tutte le esigenze e raggiungere il livello di capacità che sarà richiesto nell'ambito delle missioni con equipaggio sul Pianeta Rosso.
Secondo recenti stime degli specialisti della NASA, un tale sistema in circa 16 mesi dovrebbe produrre circa 7 tonnellate di metano liquido e circa 22 tonnellate di idrogeno liquido. Sulla base di ciò, per la massima efficienza è necessario determinare con estrema precisione i luoghi più adatti per la distribuzione di una fabbrica per la raccolta e l'elaborazione delle risorse. Inoltre, è necessario calcolare quanti escavatori RASSOR dovranno essere consegnati su Marte e quante ore al giorno dovranno lavorare per raggiungere un determinato piano di produzione. Alla fine, devi capire quanto dovrebbe essere grande un congelatore per il carbonio, il reattore Sabatier, e quanta energia consumerà tutta questa roba.
Gli scienziati devono anche anticipare possibili problemi di forza maggiore che possono interferire con l'estrazione e l'elaborazione delle risorse, ritardando potenzialmente l'invio della prossima spedizione sul Pianeta Rosso. È necessario valutare tutti i possibili rischi associati a questi problemi e sviluppare preventivamente le modalità corrette e rapide per risolverli, eventualmente dotando il sistema di elementi ridondanti per sostituire temporaneamente le apparecchiature guaste.
È necessario garantire che le tecnologie robotiche possano mantenere le attività operative senza interruzioni e la necessità di manutenzione per diversi anni, quindi il loro sviluppo sarà effettuato in stretta conformità con gli standard stabiliti. Ad esempio, sarà necessario ridurre al minimo la quantità di parti mobili usate. In questo modo sarà possibile ridurre al minimo l'effetto della polvere di regolite sull'efficienza dell'intero sistema. Se affrontiamo il problema dall'altra parte e iniziamo a sviluppare parti mobili con una maggiore resistenza alla polvere, ciò non solo complicherà l'intero sistema nel suo insieme, ma aggiungerà anche un peso extra, che, come già accennato, è equivalente all'oro.
Gli scienziati devono anche capire come e in quali proporzioni la regolite fine e solida è mescolata con il ghiaccio sotto la superficie di Marte. Questi dati ti aiuteranno a preparare in modo più efficiente gli escavatori per l'estrazione delle risorse. Ad esempio, l'attuale versione del secchio RASSOR è la più adatta per la raccolta della regolite mista a grumi di ghiaccio. Tuttavia, questo design sarà meno efficace quando è necessario "mordere" strati più grandi di ghiaccio solido. Al fine di sviluppare attrezzature più adeguate, è necessario ottenere una conoscenza accurata della distribuzione del ghiaccio sulla giumenta. Un'altra opzione è sviluppare attrezzature più forti, più complesse, più pesanti e più versatili in grado di gestire qualsiasi tipo di suolo e densità di ghiaccio. Ma, ancora una volta, questo è uno spreco in più.
Tuttavia è necessario risolvere i problemi legati alla lunga conservazione dei liquidi super raffreddati. Le tecnologie per lo stoccaggio di sostanze e materiali ad alta pressione sono in costante miglioramento, ma le moderne tecnologie saranno in grado di lavorare a lungo sulla superficie di Marte?
In generale, nei prossimi anni, gli scienziati della NASA si occuperanno di tutte queste problematiche. Gli ingegneri di Swamp Works, a loro volta, continueranno a migliorare l'efficienza e la disponibilità di tutti i componenti sviluppati del loro sistema. Gli escavatori dovrebbero essere resi ancora più resistenti e leggeri. Dopodiché, si prevede di iniziare a testarli in condizioni create artificialmente e il più vicino possibile alle condizioni marziane. Gli scienziati vogliono anche migliorare la qualità e l'efficienza del forno, del sistema di elettrolisi e sviluppare un modello scalabile del reattore Sabatier e dell'impianto di refrigerazione per la produzione di carbonio. Gli sviluppatori sono fiduciosi che la soluzione di questi e molti altri problemi porterà al fatto che il prototipo raccogli polvere cesserà di essere un prototipo e, alla fine, si impegnerà in un vero lavoro sulla superficie di Marte.fornire ai futuri coloni tutte le risorse necessarie per la vita.
Nikolay Khizhnyak
