Ingenieure bauen eine Prototyp-Roboterfabrik, die Wasser, Sauerstoff und Kraftstoff auf der Marsoberfläche erzeugt
Marsmenschen: Die Vision des Künstlers von Baggerrobotern, die eines Tages auf dem Mars verdient werden können, lange bevor die ersten Menschen den Planeten betreten2038 Jahre. Nach 18 Monaten Leben und Arbeiten auf der Marsoberfläche stürzt sich ein Team von sechs Forschern in eine Weltraumtransportrakete und reist zur Erde. Die Menschen bleiben nicht, aber die Arbeit geht ohne sie weiter: Autonome Roboter werden den Bergbau und die chemische Synthese fortsetzen, die sie viele Jahre vor der Landung dieser ersten bemannten Mission auf dem Planeten begonnen haben. Die Fabrik liefert Wasser, Sauerstoff und Heizöl aus lokalen Ressourcen und wird methodisch alle notwendigen Materialien für die nächste Marsmission herstellen, die in zwei Jahren eintreffen wird.
Diese Roboterfabrik ist keine Science-Fiction. Viele NASA-Teams beteiligen sich an seiner Entwicklung. Eines davon ist das Swamp Works-Labor im
Kennedy Space Center in Florida, dessen Leiter ich bin. Offiziell ist es als In-situ-System zur Ressourcennutzung (ISRU) bekannt, aber wir nennen es gerne eine „Staub-zu-Schub“ -Fabrik, weil es einfachen Staub in Raketentreibstoff verwandelt. Eines Tages wird diese Technologie es den Menschen ermöglichen, auf dem Mars zu leben und zu arbeiten - und zur Erde zurückzukehren, um darüber zu sprechen.
Aber warum Substanzen auf dem Mars synthetisieren, ist es nicht einfacher, sie von der Erde zu liefern? Die NASA erklärt dies als "Übersetzungsproblem". Nach einigen Schätzungen müssen die heutigen Raketen 225 kg Treibstoff pro Flug verbrennen, um ein Kilogramm Treibstoff von der Erde zum Mars zu transportieren - um in die niedrige Erdumlaufbahn zu gelangen, zum Mars zu fliegen, langsamer zu werden, um in die Marsumlaufbahn zu gelangen, und langsamer, um sicher zu landen. Wir beginnen mit 226 kg Kraftstoff und erhalten 1 kg, dh das Übersetzungsverhältnis beträgt 226: 1. Und diese Zahl ändert sich nicht, unabhängig davon, was wir transportieren. Wir brauchen 225 Tonnen Kraftstoff, um Tonnen Wasser, Tonnen Sauerstoff und Tonnen Ausrüstung zu transportieren. Der einzige Weg, um diese grausame Arithmetik zu umgehen, besteht darin, Wasser, Sauerstoff und Kraftstoff an Ort und Stelle zu erzeugen.
Verschiedene Forschungs- und Entwicklungsteams der NASA arbeiten an verschiedenen Teilen dieses Problems. Vor kurzem hat unser
Swamp Works- Team begonnen, viele einzelne Arbeitsmodule zu integrieren, um das gesamte System mit geschlossenem Regelkreis zu demonstrieren. Dies ist immer noch ein Prototyp, aber er zeigt alle Teile, die notwendig sind, um unsere Staubfabrik Wirklichkeit werden zu lassen. Und obwohl der langfristige Plan ein Flug zum Mars ist, wird der Mond ein Zwischenschritt. Die meisten Geräte werden zuerst auf der Mondoberfläche getestet und angepasst, wodurch die Risiken verringert werden, die mit dem sofortigen Versand zum Mars verbunden sind.
Schmutz oder Staub auf einem Himmelskörper wird üblicherweise als
Regolith bezeichnet . Meistens ist es einfach ein Vulkanstein, der zerstört oder erodiert wurde und sich im Laufe der Zeit in feinen Staub verwandelt. Auf dem Mars befindet sich unter einer Schicht rostender eisenhaltiger Mineralien, die dem Planeten seinen berühmten roten Farbton verleihen, eine dickere Schicht von Silikaten wie Feldspat, Pyroxenen und Olivinen - alle bestehen aus Silizium- und Sauerstoffstrukturen, die mit Metallen wie Eisen, Aluminium und Magnesium verbunden sind .
Die Gewinnung dieser Materialien wird durch die Tatsache erschwert, dass ihre Dichte und Kompaktheit je nach Ort auf dem Planeten variiert. Die Aufgabe wird auch durch die geringe Schwerkraft des Mars erschwert, die es schwierig macht, eine Schaufel in den Boden zu treiben, ohne ihr Gewicht zu verwenden, um ihr entgegenzuwirken. Auf der Erde, wenn wir den Boden graben, verwenden wir oft große Mechanismen, da ihre Schwere entsprechend auf die Kräfte reagiert, die auf einen viel kleineren Eimer wirken. Denken Sie jedoch an die Übersetzungsverhältnisse: Jedes auf dem Mars abgefeuerte Kilogramm ist kostbar und für uns sehr teuer. Daher müssen wir herausfinden, wie man die Marsoberfläche mit sehr leichten Geräten gräbt.
Space Digger: Die NASA entwickelt einen Roboterbagger mit gegenüberliegenden Trommelschaufeln, die in den Boden beißen und sich in die entgegengesetzte Richtung drehen können. Dieser Ansatz eliminiert die meisten zum Graben erforderlichen Kräfte, wodurch der Roboter bei geringer Schwerkraft arbeiten kann.Und dann RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) [ein fortschrittlicher regolithischer Roboter für Oberflächenarbeiten; ausgesprochen als Rasiermesser (dt. Rasiermesser) / ca. übersetzt.]. Dies ist ein autonomes Bergbaugerät, das zum Ausgraben von Regolithen unter Bedingungen mit geringer Schwerkraft entwickelt wurde. Bei der Entwicklung von RASSOR haben die NASA-Ingenieure besonders auf das Energieübertragungssystem geachtet. Bei Robotern erfolgt die Übertragung mithilfe von Motoren, Getrieben und anderen Mechanismen, die einen großen Prozentsatz des Endgewichts des Systems ausmachen. In unserer Schaltung verwenden wir rahmenlose Motoren, elektromagnetische Bremsen und Titangehäuse, die auf einem 3D-Drucker gedruckt wurden, sowie vieles mehr, um Volumen und Gewicht zu minimieren. Die Bemühungen waren gerechtfertigt: Unser System hat ein halbes Gewicht weniger als kommerzielle Stromversorgungssysteme mit ähnlichen Eigenschaften.
RASSOR verwendet zwei gegenüberliegende Trommeleimer zum Graben, die mit mehreren kleinen Zahnschaufeln ausgestattet sind. Wenn sich die Trommeln drehen und die Hände, die sie halten, in den Boden beißen, nehmen sie eine kleine Menge Regolith in jeder Schaufel auf, wenn sie sich langsam vorwärts bewegt. Das Ergebnis ist eine flache Spur anstelle eines tiefen Lochs. Rotierende Grabtrommeln im Inneren sind leer, damit sie abgebauten Regolithen sammeln und lagern können. Ein weiteres wichtiges Merkmal von RASSOR ist, dass sich die Trommeln beim Graben in entgegengesetzte Richtungen drehen. Dieser Ansatz eliminiert die meisten zum Graben erforderlichen Kräfte, wodurch der Roboter bei geringer Schwerkraft arbeiten kann.
RASSOR füllt die Fässer, hebt die Hände und geht zur Verarbeitungsanlage. Um den Regolithen zu entladen, dreht der Roboter die Trommeln in die entgegengesetzte Richtung, und der Regolith wird aus denselben Schaufeln gegossen, die ihn gegraben haben. Ein spezieller Aufzug liefert einen Teil des Regolithen an die Fabrikplattform und überträgt ihn auf den Herd, der hermetisch geschlossen ist und sich aufzuwärmen beginnt. Mit Regolith verbundene Wassermoleküle werden von einem Ventilator abgeblasen und in einem Kondensatorrohr gesammelt.
Sie fragen sich vielleicht: "Ist der Mars-Regolith nicht trocken?" Die Antwort ist, dass alles kompliziert ist. Es hängt alles davon ab, wo man gräbt und wie man tief gräbt. In einigen Teilen des Mars befinden sich offenbar nur wenige Meter unter der Oberfläche durchgehende Schichten von Wassereis. In den unteren Breiten gibt es Gips-Sanddünen, die bis zu 8% Wasser enthalten.
Der vom Wasser befreite Regolith wird zu Boden geworfen, damit RASSOR ihn einsammeln und wegnehmen kann. Diese "Abfälle" können verwendet werden, um Schutzstrukturen und sogar Straßen und Landeplätze unter Verwendung von 3D-Drucktechniken zu bauen, die derzeit bei der NASA entwickelt werden.
Beute: Ein Roboter-Regolith mit Rädern auf Rädern, der sich drehende Trommeln mit zahnigen Schaufeln verwendet
Transport: Der Roboter dreht die Trommeln in die entgegengesetzte Richtung und schüttet den gesammelten Stein in den Aufzug
Verarbeitung: Der Ofen erwärmt den Regolith, um Wasser zu extrahieren, das durch Elektrolyse in H 2 und O 2 aufgeteilt wird . Unter Verwendung der Sabatier-Reaktion wird H 2 mit in der Atmosphäre gesammeltem CO 2 kombiniert, um Methanbrennstoff zu ergeben.
Bewegen: Ein Roboterarm mit einer Kamera, die mit versiegelten Türen ausgestattet ist, die das Eindringen von Staub verhindern, bewegt Flüssigkeiten in den mobilen Tank
Lieferung: Der Tank liefert Wasser, Sauerstoff und Methan an menschliche Lebensräume und Langzeitlagertanks.
Verwendung und Lagerung: Astronauten verbrauchen Wasser und Sauerstoff und verwenden sie auch für den Anbau von Pflanzen. Kraftstoff wird als kryogene Flüssigkeit für die zukünftige Verwendung gespeichert.Das aus dem Regolith extrahierte Wasser wird gereinigt. Die Kläranlage verwendet ein mehrstufiges Filtersystem zusammen mit Entionisierern.
Wasser wird nicht nur zum Trinken benötigt, es ist auch ein wichtiger Bestandteil von Raketentreibstoff. Durch Trennen von H
2 O-Molekülen durch Elektrolyse in Wasserstoff-H
2 - und Sauerstoff-O
2 -Moleküle und anschließendes Komprimieren und Verflüssigen dieser Gase ist es möglich, Kraftstoff und Oxidationsmittel zu synthetisieren, die am häufigsten in Raketentriebwerken unter Verwendung von flüssigem Kraftstoff verwendet werden.
Das Problem ist, dass flüssiger Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen gespeichert werden muss. Daher plant die NASA, Wasserstoff in Kraftstoff umzuwandeln, der viel einfacher zu speichern ist: Methan (CH
4 ). Es kann durch Kombinieren von Wasserstoff mit Kohlenstoff erhalten werden. Aber wo bekommt man Kohlenstoff auf dem Mars?
Glücklicherweise ist der Mars voller Kohlenstoff. Die Marsatmosphäre besteht zu 96% aus Kohlendioxid. Der Kohlendioxid-Gefrierschrank ist für das Sammeln von Kohlenstoff verantwortlich. es macht im Wesentlichen Trockeneis aus Luft.
Nachdem wir Wasserstoff aus dem Elektrolyseur und Kohlendioxid aus der Atmosphäre gesammelt haben, können wir sie dank eines chemischen Prozesses wie der Sabatier-Reaktion zu Methan kombinieren. Ein von der NASA entwickelter Spezialreaktor erzeugt den zur Unterstützung der Reaktion erforderlichen Druck und die Temperatur, wodurch Wasserstoff und Kohlendioxid in Methan umgewandelt werden und Wasser als Abfall freigesetzt wird.
Die nächste Maschine in der Fabrik ist ein Roboterarm mit einer abgedichteten Kammer, die Flüssigkeiten in einen externen Tank befördert. Das Ungewöhnliche daran ist, dass die Kamera speziell dafür ausgelegt ist, das Eindringen von Staub zu verhindern. Regolithischer Staub ist sehr fein und dringt überall ein. Da der Regolith aus zerkleinertem Vulkanstein besteht, ist er sehr abrasiv und schädlich für die Ausrüstung. Die Mondmissionen der NASA
zeigten, dass der Regolith für eine Vielzahl von Problemen verantwortlich war, darunter falsche Instrumentenablesungen, Kontamination der Mechanismen, Versagen der Isolierung und Versagen der Temperaturkontrolle. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass es nicht in Roboterarme, elektrische Kontakte, flüssigkeitsleitende Rohre oder empfindliche Elektronik eindringt.
Kurt Loyt programmiert einen Roboterarm, um einen Füllschlauch an einen mobilen Tank anzuschließen. Der Schlauch dient zum Befüllen des Tanks mit flüssigem Kraftstoff, Wasser und Sauerstoff.Auf jeder Seite des Roboruk befindet sich eine Reihe von Türen, die wie eine Luftschleuse funktionieren und keinen Staub hineinlassen. Die Verbindung erfordert drei Stufen: In der ersten Stufe werden geschlossene Türen und geschlossene Türen gegeneinander gedrückt, und die Dichtung um den Umfang bildet eine staubundurchlässige Barriere. In der zweiten Phase öffnen sich die durch ein Dichtmittel geschützten Türen und legen die auf einer mobilen Plattform befestigten Steckverbinder frei. In der letzten Phase werden die Plattformen verschoben und alle elektrischen und Fluidanschlüsse miteinander verbunden.
Die Roboruka-Kraftstofffabrik nimmt die Kamera und senkt sie in den mobilen Tank, schließt sie an und entlädt die Endprodukte. In diesem Sinne ähnelt das Verarbeitungssystem Tankstellen, kann jedoch anstelle von Benzin Wasser einfüllen. Oder flüssiger Sauerstoff. Oder flüssiges Methan. Oder das alles zusammen!
Wir haben diese Fabrik kürzlich im Swamp Works Labor demonstriert. Im Moment mussten wir einen Ofen und eine Elektrolyse simulieren, um die Kosten und die Komplexität des Projekts zu reduzieren. In allen Fällen haben wir auch Endprodukte mit Wasser simuliert. Für alle anderen Teile wurden jedoch funktionierende Prototypen von Hardware und Software verwendet.
Wenn wir alle Subsysteme zusammenfügen, haben wir Probleme und Fehler untersucht und einige wichtige Lektionen gelernt, die uns entgangen wären. Wir bauen unser gesamtes System erst am Ende der Entwicklung und des Testens zusammen. Dies ist eines der Hauptprinzipien von Swamp Works: Rapid Prototyping und frühzeitige Integration, mit denen Sie die Effizienz von Schaltkreisen schnell nachweisen und Fehler frühzeitig erkennen können.
Die Idee des Mars-Treibstofflabors ist, dass es in einer ordentlichen Schachtel verpackt, zum Mars geschickt, lange vor der Ankunft der Menschen auf der Oberfläche des Planeten eingesetzt und gestartet wird. Bemannte Missionen zum Mars werden vom Start der autonomen Produktion und Speicherung von Treibstoff auf dem Rückweg abhängen, noch bevor die Astronauten von der Erde aus gestartet werden. Die NASA hat auch Teams, die darüber nachdenken, wie sie während des Fluges und auf dem Mars verschiedene Produkte anbauen können. Einschließlich Kartoffeln.
Was sollte vor diesem Moment noch passieren? Viel.
Die NASA verfügt über langjährige Erfahrung mit separaten Landern und unabhängigen Geländefahrzeugen, die auf der Marsoberfläche eingesetzt werden. Neuere Geländefahrzeuge - Curiosity, das 2012 an die Oberfläche kam, und das Geländefahrzeug Mars 2020, das 2020 auf den Markt kommen wird - haben ein gewisses Maß an Autonomie. Die Komplexität dieser marsianischen Kraftstofffabrik, die lange Betriebszeit und die Autonomie, die ein solches System erfordert, heben die Aufgabe jedoch auf ein völlig neues Niveau.
Tonnenweise Staub: Die NASA nutzt einen geschlossenen Raum mit über 100 Tonnen zerkleinertem Vulkangestein, um Baggerroboter zu testen. Das Material dient als Analogon zu extrem feinem und abrasivem Staub auf der Marsoberfläche.Bevor wir eine solche Mission starten, müssen wir viele technische Hindernisse überwinden. Eine der kritischsten Fragen ist, ob es möglich ist, jedes Subsystem unserer Verarbeitungsfabrik so zu skalieren, dass es den Anforderungen einer bemannten Mission entspricht. Jüngste Studien zeigen, dass ein solches System in 16 Monaten etwa 7 Tonnen flüssiges Methan und 22 Tonnen flüssigen Sauerstoff produzieren müsste. Dann müssen Sie herausfinden, wo Sie das Modul einsetzen und mit der Verarbeitung beginnen müssen, um die Leistung zu maximieren, wie viele RASSOR-Bagger wir benötigen und wie viele Stunden pro Tag sie arbeiten müssen. Wir müssen auch die erforderlichen Größen des Kohlendioxid-Gefrierschranks und des Sabatier-Reaktors sowie den Energieverbrauch aller Geräte ermitteln.
Darüber hinaus ist es notwendig, mögliche Probleme zu antizipieren und genau anzugeben, welche Fehler die Verarbeitungsmission unterbrechen und die Ankunft der bemannten Mission verzögern können. Wir müssen die Wahrscheinlichkeit jedes Fehlers bewerten, um dem System die erforderliche Redundanz und Duplizierung hinzuzufügen.
Um sicherzustellen, dass die Robotik jahrelang ohne Wartung und Reparatur funktioniert, müssen wir sie nach sehr genauen Spezifikationen herstellen. Alle beweglichen Teile dürfen entweder keinen zerstörerischen Partikeln aus regolithischem Staub ausgesetzt sein oder diesen standhalten. Sie müssen entweder die Dichtungen verbessern oder die beweglichen Teile verstärken. Dies erhöht die Komplexität und das Gewicht der Ausrüstung, es sei denn, wir haben einen ausgeklügelten Weg gefunden, um dieses Problem zu umgehen.
Wir müssen auch herausfinden, wie dicht die Mischung aus Regolith und Eis unter der Marsoberfläche ist, und entsprechend Bergbaumaschinen entwickeln. Bestehende Bagger funktionieren am besten auf festem Regolith, der mit Eisstücken gemischt ist. Ein solches Schema ist jedoch nicht zum Brechen großer Schichten von hartem Eis geeignet. Wir brauchen überzeugende Beweise für die Zusammensetzung von Eis und Regolith unter der Marsoberfläche, um die am besten geeignete und effizienteste Bergbaumaschine zu entwickeln. Oder wir müssen komplexere und zuverlässigere Werkzeuge entwickeln, die mit unterschiedlichen Boden- und Eisdichten umgehen können.
Wir müssen auch die Probleme der Langzeitlagerung sehr kalter Flüssigkeiten lösen. Druckspeichertanks und Isolierungen werden ständig verbessert, aber wird die derzeitige Technologie auf der Marsoberfläche lange funktionieren können?
In den nächsten Jahren wird die NASA all diese Themen untersuchen. Wir werden die Fähigkeiten und Verfügbarkeit aller Prototypen weiter verbessern. Wir werden den RASSOR-Roboter stärker und leichter machen und ihn unter ähnlichen Bedingungen wie Mars testen. Wir werden weiterhin den Ofen und den Elektrolyseur testen und integrieren und versuchen, den Kohlendioxid-Gefrierschrank und den Sabatier-Reaktor zu skalieren, um zu bestätigen, dass sie die Anforderungen der bemannten Mission zum Mars erfüllen können. All diese Arbeiten werden fortgesetzt, damit unsere Prototyp-Staubfabrik eines Tages ein voll funktionsfähiges System auf dem Mars werden kann.