يقوم المهندسون ببناء مصنع نموذجي للروبوت الذي سيخلق الماء والأكسجين والوقود على سطح المريخ
المريخون: رؤية الفنان لروبوتات الحفارات التي يمكن أن تكسب يومًا ما على كوكب المريخ ، قبل وقت طويل من دخول البشر الأول على كوكب الأرض2038 سنة. بعد 18 شهرًا من الحياة والعمل على سطح المريخ ، يغرق فريق من ستة باحثين في صاروخ نقل فضائي ويسافر إلى الأرض. لا يبقى الناس ، لكن العمل يستمر بدونهم: ستواصل الروبوتات المستقلة التعدين والتوليف الكيميائي ، والتي بدأها قبل سنوات عديدة من هبوط هذه المهمة المأهولة الأولى على هذا الكوكب. يقوم المصنع بتزويد الماء والأكسجين وزيت الوقود باستخدام الموارد المحلية ، وسيعمل بشكل منهجي على إنشاء جميع المواد اللازمة لمهمة المريخ القادمة ، والتي ستصل في غضون عامين.
هذا المصنع الآلي ليس خيالًا علميًا. تشارك العديد من فرق ناسا في تطويرها. واحد منهم هو مختبر Swamp Works في مركز
كنيدي للفضاء في فلوريدا ، والذي أنا رئيسه. رسميًا ، يُعرف باسم
نظام استخدام الموارد في الموقع (ISRU) ، لكننا نود تسميته بمصنع "الغبار إلى الدفع" لأنه يحول الغبار البسيط إلى وقود صاروخي. يومًا ما ستسمح هذه التكنولوجيا للناس بالعيش والعمل على كوكب المريخ - والعودة إلى الأرض للحديث عنها.
لكن لماذا تركيب المواد على المريخ ، أليس من السهل إخراجها من الأرض؟ تشرح ناسا ذلك بأنه "مشكلة نسبة التروس". وفقًا لبعض التقديرات ، لإيصال كيلوجرام واحد من الوقود من الأرض إلى المريخ ، ستحتاج صواريخ اليوم إلى حرق 225 كجم من الوقود لكل رحلة - للدخول إلى مدار الأرض المنخفض ، والطيران إلى المريخ ، والإبطاء للذهاب إلى مدار المريخ ، وإبطاء الهبوط بأمان. نبدأ بـ 226 كجم من الوقود ونحصل على 1 كجم ، أي أن نسبة التروس هي 226: 1. وهذا الرقم لا يتغير بغض النظر عن ما ننقله. سنحتاج إلى 225 طنا من الوقود لنقل أطنان من الماء ، أطنان من الأكسجين ، أطنان من المعدات. الطريقة الوحيدة للتغلب على هذه العملية الحسابية القاسية هي إنشاء الماء والأكسجين والوقود في مكانه.
تعمل فرق بحث وهندسة مختلفة في وكالة ناسا على أجزاء مختلفة من هذه المشكلة. في الآونة الأخيرة ، بدأ فريق
Swamp Works في دمج العديد من وحدات العمل الفردية لإثبات نظام الحلقة المغلقة بالكامل. لا يزال هذا نموذجًا أوليًا ، ولكنه يوضح جميع الأجزاء اللازمة لجعل مصنع الغبار لدينا حقيقة. وعلى الرغم من أن الخطة طويلة المدى هي رحلة إلى المريخ ، فإن القمر سيصبح خطوة وسيطة. سيتم اختبار معظم المعدات وتعديلها أولاً على سطح القمر ، وبالتالي تقليل المخاطر المرتبطة بإرسالها على الفور إلى المريخ.
عادة ما يسمى الأوساخ أو الغبار على أي جسم سماوي
ريجوليث . في معظم الأحيان يكون ببساطة حجر بركاني تم تدميره أو تآكله ، وتحول إلى غبار ناعم بمرور الوقت. على سطح المريخ ، تحت طبقة من المعادن التي تحتوي على صدأ الحديد والتي تمنح الكوكب لونه الأحمر الشهير ، هناك طبقة أكثر سمكًا من السليكات مثل الفلسبار والبيروكسينات والأوليفينات - كلها تتكون من هياكل السيليكون والأكسجين المرتبطة بالمعادن مثل الحديد والألمنيوم والمغنيسيوم .
إن استخراج هذه المواد معقد بسبب حقيقة أن كثافتها وضغطها يختلف باختلاف المكان على الكوكب. ومما يضاعف المهمة أيضًا هو جاذبية المريخ المنخفضة ، مما يجعل من الصعب دفع مجرفة إلى الأرض دون استخدام وزنها لمواجهتها. على الأرض ، عند حفر التربة ، غالبًا ما نستخدم آليات كبيرة ، لأن شدتها تتفاعل وفقًا لذلك مع القوى التي تعمل على دلو أصغر بكثير. ومع ذلك ، تذكر نسب التروس: كل كيلوغرام يتم إطلاقه على كوكب المريخ ثمين ومكلف للغاية بالنسبة لنا. لذلك ، نحتاج إلى معرفة كيفية حفر سطح المريخ باستخدام معدات خفيفة للغاية.
Space Digger: تقوم وكالة ناسا بتطوير حفارة روبوت مع دلاء أسطوانية متعارضة قادرة على العض في التربة ، وتدور في الاتجاه المعاكس. هذا النهج يلغي معظم القوى اللازمة للحفر ، مما يسمح للروبوت بالعمل في الجاذبية المنخفضة.ثم RASSOR (روبوت Regolith Advanced Systems Systems Robot) [إنسان آلي متقدم حديث للعمل السطحي ؛ تنطق كحلاقة (ماكينة حلاقة) / تقريبا. ترجم.]. هذا هو جهاز تعدين مستقل مصمم لحفر القداس في ظروف الجاذبية المنخفضة. عند تطوير RASSOR ، أولى مهندسو وكالة ناسا اهتمامًا خاصًا لنظام نقل الطاقة الخاص بها. في الروبوتات ، يتم النقل عن طريق المحركات وعلب التروس وغيرها من الآليات التي تشكل نسبة كبيرة من الوزن النهائي للنظام. في دارتنا ، نستخدم المحركات بدون إطار ، والفرامل الكهرومغناطيسية وحافظات التيتانيوم المطبوعة على طابعة ثلاثية الأبعاد ، بالإضافة إلى المزيد لتقليل الحجم والوزن. تم تبرير الجهود: نظامنا لديه نصف وزن أقل من أنظمة الطاقة التجارية ذات الخصائص المماثلة.
يستخدم RASSOR دلاء اسطوانية متعاكسة للحفر ، ومجهز بالعديد من المجارف المسننة الصغيرة. عندما تدور الطبول ، والأيدي التي تمسكها تلدغ في التربة ، تلتقط كمية صغيرة من الرجولة في كل مغرفة عندما تتحرك ببطء. والنتيجة هي مسار ضحل بدلاً من حفرة عميقة. براميل الحفر الدوارة في الداخل فارغة ، بحيث يمكنهم جمع وتخزين regolith الملغومة. ميزة رئيسية أخرى لـ RASSOR هي أنه أثناء الحفر ، تدور الأسطوانات في اتجاهين متعاكسين. هذا النهج يلغي معظم القوى اللازمة للحفر ، مما يسمح للروبوت بالعمل في الجاذبية المنخفضة.
يملأ RASSOR يديه في الطبول ويذهب إلى مصنع المعالجة. لتفريغ regolith ، يقوم الروبوت بتدوير الطبول في الاتجاه المعاكس ، ويتم سكب regolith من نفس المجارف التي حفرته. يرفع المصعد الخاص جزءًا من regolith إلى منصة المصنع ، وينقله إلى الموقد ، وهو مغلق بإحكام ويبدأ في التسخين. يتم تفجير جزيئات الماء المتصلة بـ regolith بواسطة مروحة ويتم تجميعها في أنبوب مكثف.
قد تسأل ، "أليست الحكمة المريخية جافة؟" الجواب هو أن كل شيء معقد. كل هذا يتوقف على مكان الحفر وكيفية الحفر العميق. في بعض أجزاء المريخ ، على ما يبدو ، على بعد أمتار قليلة فقط من السطح توجد طبقات مستمرة من جليد الماء. في خطوط العرض السفلى توجد كثبان رملية جبسية تحتوي على ما يصل إلى 8٪ من الماء.
يتم إلقاء regolith المحررة من الماء على الأرض حتى يتمكن RASSOR من جمعها وإخراجها. يمكن استخدام هذه "النفايات" لبناء هياكل واقية ، وحتى الطرق ومواقع الهبوط ، باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد قيد التطوير حاليًا في وكالة ناسا.
لوت: عمال مناجم روبوتي ذو عجلات يتجددون باستخدام براميل دوارة مجهزة بمغرف أسنان
النقل: تدوير البراميل في الاتجاه المعاكس ، يقوم الروبوت بإلقاء الصخور المجمعة في المصعد
المعالجة: يسخن الموقد regolith لاستخراج الماء ، والذي ينقسم إلى H 2 و O 2 عن طريق التحليل الكهربائي. باستخدام تفاعل Sabatier ، يتم دمج H2 مع ثاني أكسيد الكربون المجمّع في الغلاف الجوي لإعطاء وقود الميثان.
نقل: ذراع آلي مزود بكاميرا مزودة بأبواب محكمة الغلق تمنع دخول الغبار ، وتنقل السوائل إلى الخزان المتحرك
التسليم: يوفر الخزان الماء والأكسجين والميثان للموائل البشرية وخزانات التخزين طويلة المدى.
الاستخدام والتخزين: يستهلك رواد الفضاء الماء والأكسجين ، ويستخدمونها أيضًا في زراعة النباتات. يتم تخزين الوقود كسوائل مبردة للاستخدام في المستقبل.يتم تنقية المياه المستخرجة من regolith. تستخدم محطة المعالجة نظام ترشيح متعدد المراحل مع مزيلات deionizers.
لا يحتاج الماء للشرب فقط: فهو أيضًا عنصر رئيسي في وقود الصواريخ. فصل جزيئات H
2 O عن طريق التحليل الكهربائي إلى جزيئات الهيدروجين H
2 والأكسجين O
2 ، ثم ضغط وتسييل هذه الغازات بشكل منفصل ، من الممكن تجميع الوقود والمؤكسد ، والذي يستخدم غالبًا في محركات الصواريخ باستخدام الوقود السائل.
المشكلة هي أنه يجب تخزين الهيدروجين السائل في درجات حرارة منخفضة للغاية. لذلك ، تخطط وكالة ناسا لتحويل الهيدروجين إلى وقود ، وهو أسهل بكثير في التخزين: الميثان (CH
4 ). يمكن الحصول عليه عن طريق الجمع بين الهيدروجين والكربون. ولكن من أين تحصل على الكربون على سطح المريخ؟
لحسن الحظ ، المريخ مليء بالكربون. الغلاف الجوي للمريخ هو 96٪ من ثاني أكسيد الكربون. الفريزر ثاني أكسيد الكربون هو المسؤول عن جمع الكربون. فإنه يجعل أساسا من الثلج الجاف من الهواء.
بعد جمع الهيدروجين من المحلل الكهربائي وثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي ، يمكننا دمجها في غاز الميثان بفضل عملية كيميائية مثل تفاعل Sabatier. يخلق مفاعل خاص طورته وكالة ناسا الضغط ودرجة الحرارة اللازمة لدعم التفاعل ، ونتيجة لذلك يتحول الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون إلى غاز الميثان ، مما يطلق الماء كمخلفات.
الآلة التالية في المصنع هي ذراع آلي مع غرفة محكمة الغلق تنقل السوائل إلى خزان خارجي. الشيء غير المعتاد في ذلك هو أن الكاميرا مصممة خصيصًا لمنع دخول الغبار. الغبار المتجمد هو جيد للغاية ، ويخترق في كل مكان. نظرًا لأن regolith يتكون من الحجر البركاني المسحوق ، فهو جلخ للغاية وضار للمعدات.
وأظهرت مهمات القمر في وكالة ناسا أن اللغم يعود إلى مجموعة من المشاكل ، بما في ذلك قراءات الأدوات غير الصحيحة ، وتلوث الآليات ، وفشل العزل ، وفشل التحكم في درجة الحرارة. لذلك ، من المهم للغاية عدم السماح لها بالاختراق في الأذرع الروبوتية أو الاتصالات الكهربائية أو الأنابيب الموصلة للسوائل أو الإلكترونيات الحساسة.
تقوم Kurt Loyt ببرمجة ذراع آلي لتوصيل خرطوم تعبئة بخزان متنقل. تم تصميم الخرطوم لملء الخزان بالوقود السائل والماء والأكسجين.على كل جانب من جوانب roboruk هناك مجموعة من الأبواب التي تعمل بطريقة قفل الهواء ولا تسمح للغبار بالداخل. يتطلب الاتصال ثلاث مراحل: في المرحلة الأولى ، يتم الضغط على الأبواب المغلقة والأبواب المغلقة ضد بعضها البعض ، ويخلق الختم حول المحيط حاجزًا منيعًا ضد الغبار. في المرحلة الثانية ، تفتح الأبواب المحمية بواسطة مادة مانعة للتسرب ، وتعرض الموصلات المثبتة على منصة متحركة. في المرحلة الأخيرة ، يتم تغيير المنصات ، وتوصيل جميع الموصلات الكهربائية والسوائل.
سيأخذ مصنع Roboruka للوقود الكاميرا ويخفضها إلى الخزان المتحرك ، ويتصل بها ويفرغ المنتجات النهائية. بهذا المعنى ، يشبه نظام المعالجة محطات الوقود ، ولكن بدلاً من البنزين ، يمكنه صب الماء. أو الأكسجين السائل. أو الميثان السائل. أو كل هذا معًا!
لقد أظهرنا هذا المصنع مؤخرًا في مختبر Swamp Works. في الوقت الحالي ، كان علينا محاكاة موقد والتحليل الكهربائي من أجل تقليل تكلفة وتعقيد المشروع. كما قمنا بمحاكاة المنتجات النهائية باستخدام المياه في جميع الحالات. ولكن بالنسبة لجميع الأجزاء الأخرى ، تم استخدام نماذج أولية للأجهزة والبرامج.
من خلال وضع جميع الأنظمة الفرعية معًا ، درسنا المشكلات والإخفاقات ، وتعلمنا بعض الدروس المهمة التي كان من الصعب مراوغتنا ؛ فنحن لا نجمع نظامنا بالكامل إلا في نهاية التطوير والاختبار. هذا هو أحد المبادئ الرئيسية لـ Swamp Works: النماذج الأولية السريعة والتكامل المبكر ، والذي يسمح لك بإثبات كفاءة الدوائر والتقاط الفشل بسرعة في مرحلة مبكرة.
إن فكرة مختبر وقود المريخ هي أنه سيتم تعبئته في صندوق أنيق ، وإرساله إلى المريخ ، ونشره وإطلاقه على سطح الكوكب قبل وصول الناس بوقت طويل. ستعتمد المهمات المأهولة إلى المريخ على إطلاق الإنتاج المستقل وتخزين الوقود في طريق العودة حتى قبل إطلاق رواد الفضاء من الأرض. لدى ناسا أيضًا فرق تفكر في كيفية زراعة منتجات مختلفة أثناء الرحلة والتواجد على كوكب المريخ. بما في ذلك البطاطس.
ماذا يجب أن يحدث قبل هذه اللحظة؟ كثيرًا.
لدى وكالة ناسا سنوات عديدة من الخبرة في استخدام مركبات الهبوط المنفصلة والمركبات المستقلة لجميع التضاريس التي تعمل على سطح المريخ. المركبات الحديثة لجميع التضاريس - Curiosity ، التي نزلت إلى السطح في عام 2012 ، والمركبة الصالحة لجميع التضاريس Mars 2020 ، والتي سيتم إطلاقها في عام 2020 - تتمتع بدرجة معينة من الاستقلالية. لكن تعقيد مصنع الوقود المريخي هذا ، ووقت التشغيل الطويل ومستوى الاستقلال الذاتي الذي يتطلبه هذا النظام يرفع المهمة إلى مستوى جديد تمامًا.
طن من الغبار: تستخدم وكالة ناسا مساحة مغلقة مع أكثر من 100 طن من الصخور البركانية المسحوقة لاختبار روبوتات الحفارات. تعمل المادة كنظير للغبار الدقيق والكاشط الموجود على سطح المريخ.قبل البدء في مثل هذه المهمة ، نحتاج إلى التغلب على العديد من العقبات التقنية. أحد الأسئلة الأكثر أهمية هو ما إذا كان من الممكن توسيع نطاق كل نظام فرعي من مصنع المعالجة لدينا لتلبية متطلبات المهمة المأهولة. تظهر الدراسات الحديثة أن مثل هذا النظام سيحتاج إلى إنتاج حوالي 7 أطنان من الميثان السائل و 22 طنًا من الأكسجين السائل في 16 شهرًا. ثم تحتاج إلى معرفة المكان الذي تحتاج إليه لزرع الوحدة وبدء المعالجة من أجل زيادة الناتج إلى أقصى حد ، وعدد الحفارات RASSOR التي سنحتاجها ، وعدد الساعات التي يجب أن تعمل فيها يوميًا. نحتاج أيضًا إلى معرفة الأحجام المطلوبة لمجمد ثاني أكسيد الكربون ومفاعل Sabatier وكمية الطاقة التي تستهلكها جميع المعدات.
بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري توقع المشاكل المحتملة ، وتحديد بالضبط أي حالات الفشل يمكن أن تعطل مهمة المعالجة ، مما يؤخر وصول المهمة المأهولة. سيتعين علينا تقييم احتمالية كل من حالات الفشل من أجل إضافة التكرار والازدواج الضروريين إلى النظام.
للتأكد من أن الروبوتات يمكن أن تعمل لسنوات دون صيانة وإصلاح ، نحتاج إلى تصنيعها وفقًا لمواصفات دقيقة للغاية. يجب ألا تتعرض جميع الأجزاء المتحركة لجزيئات مدمرة من الغبار المتراكم ، أو تحملها. تحتاج إلى تحسين الأختام أو تقوية الأجزاء المتحركة ، وهذا سيضيف تعقيدًا ووزنًا للمعدات ، ما لم نتوصل إلى طريقة بارعة للتغلب على هذه المشكلة.
نحتاج أيضًا إلى معرفة مدى كثافة خليط regolith والجليد تحت سطح المريخ وتطوير معدات التعدين وفقًا لذلك. تعمل الحفارات الحالية بشكل أفضل على regolith الصلبة الممزوجة بقطع من الجليد. لكن مثل هذا المخطط غير مناسب لكسر طبقات كبيرة من الجليد الصلب. سنحتاج إلى دليل مقنع لتكوين الجليد والحجرة المتساقطة تحت سطح المريخ من أجل تطوير الوضع الأنسب ومعدات التعدين الفعالة. أو سيتعين علينا تطوير أدوات أكثر تعقيدًا وموثوقية يمكنها التعامل مع كثافات التربة والجليد المختلفة.
نحتاج أيضًا إلى حل مشاكل التخزين طويل المدى للسوائل الباردة جدًا. يتم تحسين صهاريج تخزين الضغط والعزل باستمرار ، ولكن هل ستتمكن التكنولوجيا الحالية من العمل لفترة طويلة على سطح المريخ؟
على مدى السنوات القليلة المقبلة ، ستدرس وكالة ناسا كل هذه القضايا. سنستمر في زيادة قدرات وتوافر جميع النماذج الأولية. سنجعل الروبوت RASSOR أقوى وأخف وزنا ، واختباره في ظروف مماثلة لتلك المريخية. سنستمر في اختبار ودمج الموقد والمحلل الكهربائي ، ومحاولة توسيع حجم مجمّد ثاني أكسيد الكربون ومفاعل Sabatier للتأكد من أنهما قادران على تلبية احتياجات المهمة المأهولة إلى المريخ. سيستمر كل هذا العمل حتى يصبح مصنع الغبار النموذجي الخاص بنا يومًا ما نظامًا كامل التشغيل على كوكب المريخ.