Los ingenieros están construyendo una fábrica robótica prototipo que creará agua, oxígeno y combustible en la superficie de Marte
Marcianos: la visión del artista de los robots excavadores que algún día pueden ganar en Marte, mucho antes de que los primeros humanos pisen el planeta2038 año. Después de 18 meses de vida y trabajo en la superficie de Marte, un equipo de seis investigadores se sumerge en un cohete de transporte espacial y viaja a la Tierra. La gente no se queda, pero el trabajo continúa sin ellos: los robots autónomos continuarán la minería y la síntesis química, que comenzaron muchos años antes de que esta primera misión tripulada aterrizara en el planeta. La fábrica suministra agua, oxígeno y aceite combustible utilizando recursos locales, y creará metódicamente todos los materiales necesarios para la próxima misión marciana, que llegará en dos años.
Esta fábrica robótica no es ciencia ficción. Muchos equipos de la NASA participan en su desarrollo. Uno de ellos es el laboratorio Swamp Works en el
Centro Espacial Kennedy en Florida, del cual soy el jefe. Oficialmente, se conoce como
un sistema de utilización de recursos in situ (ISRU), pero nos gusta llamarlo una "fábrica de polvo a empuje" porque convierte el polvo simple en combustible para cohetes. Algún día, esta tecnología permitirá a las personas vivir y trabajar en Marte, y regresar a la Tierra para hablar de ello.
Pero, ¿por qué sintetizar sustancias en Marte? ¿No es más fácil liberarlas de la Tierra? La NASA explica esto como un "problema de relación de transmisión". Según algunas estimaciones, para entregar un kilogramo de combustible de la Tierra a Marte, los cohetes de hoy necesitarán quemar 225 kg de combustible por vuelo: para ingresar a la órbita baja de la Tierra, volar a Marte, reducir la velocidad para ir a la órbita marciana y reducir la velocidad para aterrizar de manera segura. Comenzamos con 226 kg de combustible y obtenemos 1 kg, es decir, la relación de transmisión es 226: 1. Y este número no cambia, independientemente de lo que transportemos. Necesitaremos 225 toneladas de combustible para transportar toneladas de agua, toneladas de oxígeno, toneladas de equipos. La única forma de evitar esta cruel aritmética es crear agua, oxígeno y combustible en su lugar.
Varios equipos de investigación e ingeniería de la NASA están trabajando en diferentes partes de este problema. Recientemente, nuestro equipo de
Swamp Works comenzó a integrar muchos módulos de trabajo individuales para demostrar todo el sistema de circuito cerrado. Este sigue siendo un prototipo, pero muestra todas las piezas necesarias para hacer realidad nuestra fábrica de polvo. Y aunque el plan a largo plazo es un vuelo a Marte, la Luna se convertirá en un paso intermedio. La mayor parte del equipo se probará y ajustará primero en la superficie lunar, reduciendo así los riesgos asociados con el envío inmediato a Marte.
La suciedad o el polvo en cualquier cuerpo celeste se llama comúnmente
regolito . La mayoría de las veces es simplemente una piedra volcánica que fue destruida o erosionada, convirtiéndose en polvo fino con el tiempo. En Marte, debajo de una capa de minerales oxidados que contienen hierro que le dan al planeta su famoso tono rojo, hay una capa más gruesa de silicatos como feldespatos, piroxenos y olivinas; todos consisten en estructuras de silicio y oxígeno asociadas con metales como hierro, aluminio y magnesio. .
La extracción de estos materiales se complica por el hecho de que su densidad y compacidad varía según el lugar del planeta. Para complicar la tarea también está la baja gravedad marciana, lo que hace difícil empujar una pala al suelo sin usar su peso para contrarrestarla. En la Tierra, al excavar el suelo, a menudo utilizamos mecanismos grandes, ya que su gravedad reacciona en consecuencia a las fuerzas que actúan en un cubo mucho más pequeño. Sin embargo, recuerde las relaciones de transmisión: cada kilogramo lanzado en Marte es precioso y es muy costoso para nosotros. Por lo tanto, necesitamos descubrir cómo excavar la superficie de Marte utilizando equipos muy livianos.
Space Digger: la NASA está desarrollando una excavadora robot con cubos de tambor opuestos capaces de morder en el suelo, girando en la dirección opuesta. Este enfoque elimina la mayoría de las fuerzas necesarias para excavar, lo que permite que el robot trabaje a baja gravedad.Y luego RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) [un robot regolítico avanzado para trabajo de superficie; pronunciado como navaja (ing. navaja) / aprox. transl.]. Este es un dispositivo de minería autónomo diseñado para excavar el regolito en condiciones de baja gravedad. Al desarrollar RASSOR, los ingenieros de la NASA prestaron especial atención a su sistema de transferencia de energía. En los robots, la transmisión se realiza mediante motores, cajas de cambios y otros mecanismos que constituyen un gran porcentaje del peso final del sistema. En nuestro circuito, utilizamos motores sin marco, frenos electromagnéticos y cajas de titanio impresas en una impresora 3D, así como mucho más para minimizar el volumen y el peso. Los esfuerzos se justificaron: nuestro sistema tiene un peso medio menos que los sistemas de energía comerciales con características similares.
RASSOR utiliza dos cucharones de tambor opuestos para excavar, equipados con varias cucharadas de dientes pequeños. Cuando los tambores giran y las manos que los sostienen muerden el suelo, recogen una pequeña cantidad de regolito en cada cucharada cuando avanza lentamente. El resultado es una pista poco profunda en lugar de un hoyo profundo. Los tambores rotativos de excavación en el interior están vacíos, por lo que pueden recolectar y almacenar regolito extraído. Otra característica clave de RASSOR es que al excavar, los tambores giran en direcciones opuestas. Este enfoque elimina la mayoría de las fuerzas necesarias para excavar, lo que permite que el robot trabaje a baja gravedad.
Llenando los tambores, RASSOR levanta las manos y se dirige a la planta de procesamiento. Para descargar el regolito, el robot gira los tambores en la dirección opuesta, y el regolito se vierte de las mismas bolas que lo cavaron. Un elevador especial entrega una porción de regolito a la plataforma de la fábrica, transfiriéndola a la estufa, que está herméticamente cerrada y comienza a calentarse. Las moléculas de agua conectadas al regolito son expulsadas por un ventilador y recolectadas en una tubería de condensador.
Usted puede preguntar: "¿No está seco el regolito marciano?" La respuesta es que todo es complicado. Todo depende de dónde cavar y cómo cavar profundo. En algunas partes de Marte, aparentemente, solo unos pocos metros debajo de la superficie hay capas continuas de hielo de agua. En las latitudes más bajas hay dunas de arena de yeso, que contienen hasta 8% de agua.
El regolito liberado del agua se arroja al suelo para que RASSOR pueda recogerlo y llevárselo. Estos "desechos" se pueden utilizar para construir estructuras protectoras, e incluso carreteras y sitios de aterrizaje, utilizando técnicas de impresión 3D actualmente en desarrollo en la NASA.
Botín: un regolito de mineros robotizados con ruedas que usa tambores giratorios equipados con cucharadas de dientes
Transporte: girando los tambores en la dirección opuesta, el robot arroja la roca recolectada al elevador
Procesamiento: la estufa calienta el regolito para extraer agua, que se divide en H2 y O2 por electrólisis. Usando la reacción Sabatier, el H2 se combina con el CO 2 recogido en la atmósfera para dar combustible de metano.
Movimiento: un brazo robótico con una cámara equipada con puertas selladas que evitan que entre polvo, mueve líquidos al tanque móvil
Entrega: el tanque entrega agua, oxígeno y metano a hábitats humanos y tanques de almacenamiento a largo plazo.
Uso y almacenamiento: los astronautas consumen agua y oxígeno, también los usan para cultivar plantas. El combustible se almacena como líquidos criogénicos para uso futuro.El agua extraída del regolito se purifica. La planta de tratamiento utiliza un sistema de filtración de múltiples etapas junto con desionizadores.
Se necesita agua no solo para beber: también es un ingrediente clave en el combustible para cohetes. Separando las moléculas de H2O por electrólisis en moléculas de hidrógeno H2 y oxígeno O2, y luego comprimiendo y licuando estos gases por separado, es posible sintetizar combustible y oxidante, que se usa con mayor frecuencia en motores de cohetes con combustible líquido.
El problema es que el hidrógeno líquido debe almacenarse a temperaturas extremadamente bajas. Por lo tanto, la NASA planea convertir el hidrógeno en combustible, que es mucho más fácil de almacenar: metano (CH
4 ). Se puede obtener combinando hidrógeno con carbono. ¿Pero dónde conseguir carbono en Marte?
Afortunadamente, Marte está lleno de carbono. La atmósfera marciana es de 96% de dióxido de carbono. El congelador de dióxido de carbono es responsable de recoger el carbono; esencialmente hace hielo seco del aire.
Habiendo recogido hidrógeno del electrolizador y dióxido de carbono de la atmósfera, podemos combinarlos en metano gracias a un proceso químico como la reacción Sabatier. Un reactor especial desarrollado por la NASA crea la presión y la temperatura necesarias para soportar la reacción, como resultado de lo cual el hidrógeno y el dióxido de carbono se convierten en metano, liberando agua como desecho.
La siguiente máquina en la fábrica es un brazo robótico con una cámara sellada que transfiere líquidos a un tanque externo. Lo que es inusual es que la cámara está especialmente diseñada para evitar la entrada de polvo. El polvo regolítico es muy fino y penetra en todas partes. Dado que el regolito consiste en piedra volcánica triturada, es muy abrasivo y dañino para el equipo. Las misiones lunares de la NASA
mostraron que el regolito era responsable de una serie de problemas, incluidas las lecturas incorrectas de los instrumentos, la contaminación de los mecanismos, la falla del aislamiento y la falla del control de temperatura. Por lo tanto, es de vital importancia no permitir que penetre en brazos robóticos, contactos eléctricos, tuberías conductoras de fluidos o dispositivos electrónicos sensibles.
Kurt Loyt está programando un brazo robot para conectar una manguera de llenado a un tanque móvil. La manguera está diseñada para llenar el tanque con combustible líquido, agua y oxígeno.A cada lado del roboruk hay un conjunto de puertas que funcionan como una esclusa de aire y no permiten que entre polvo. La conexión requiere tres etapas: en la primera etapa, las puertas cerradas, las puertas cerradas se presionan una contra la otra, y el sello alrededor del perímetro crea una barrera que es impermeable al polvo. En la segunda etapa, las puertas protegidas por un sellador se abren, exponiendo los conectores fijos en una plataforma móvil. En la última etapa, las plataformas se desplazan, conectando todos los conectores eléctricos y de fluido.
La fábrica de combustible Roboruka tomará la cámara y la bajará al tanque móvil, se conectará a ella y descargará los productos finales. En este sentido, el sistema de procesamiento es similar a las estaciones de servicio, pero en lugar de gasolina, puede verter agua. O oxígeno líquido. O metano líquido. O todo esto juntos!
Recientemente demostramos esta fábrica en el laboratorio Swamp Works. En este momento, tuvimos que simular una estufa y electrólisis para reducir el costo y la complejidad del proyecto. También simulamos productos finales utilizando agua en todos los casos. Pero para todas las demás partes, se utilizaron prototipos funcionales de hardware y software.
Al unir todos los subsistemas, estudiamos problemas y fallas, y aprendimos algunas lecciones importantes que nos hubieran eludido; ensamblamos todo nuestro sistema solo al final del desarrollo y las pruebas. Este es uno de los principios principales de Swamp Works: creación rápida de prototipos e integración temprana, que le permite probar rápidamente la eficiencia de los circuitos y detectar fallas en una etapa temprana.
La idea del laboratorio de combustible marciano es que se empacará en una caja ordenada, se enviará a Marte, se desplegará y se lanzará a la superficie del planeta mucho antes de la llegada de personas. Las misiones tripuladas a Marte dependerán del lanzamiento de la producción autónoma y el almacenamiento de combustible en el camino de regreso, incluso antes de que los astronautas sean lanzados desde la Tierra. La NASA también tiene equipos que piensan en cómo cultivar diferentes productos durante el vuelo y en Marte. Incluyendo papas.
¿Qué más debería pasar antes de este momento? Mucho
La NASA tiene muchos años de experiencia usando aterrizadores separados y vehículos todo terreno independientes que operan en la superficie de Marte. Los vehículos todo terreno recientes - Curiosity, que se hundió en la superficie en 2012, y el vehículo todo terreno Mars 2020, que se lanzará en 2020 - tienen un cierto grado de autonomía. Pero la complejidad de esta fábrica de combustible marciano, el largo tiempo de operación y el nivel de autonomía requerido por dicho sistema eleva la tarea a un nivel completamente nuevo.
Toneladas de polvo: la NASA utiliza un espacio cerrado con más de 100 toneladas de roca volcánica triturada para probar los robots excavadores. El material sirve como un análogo al polvo extremadamente fino y abrasivo ubicado en la superficie de Marte.Antes de comenzar una misión de este tipo, debemos superar muchos obstáculos técnicos. Una de las preguntas más críticas es si es posible escalar cada subsistema de nuestra fábrica de procesamiento para cumplir con los requisitos de una misión tripulada. Estudios recientes muestran que dicho sistema necesitaría producir alrededor de 7 toneladas de metano líquido y 22 toneladas de oxígeno líquido en 16 meses. Luego debe averiguar dónde necesita plantar el módulo y comenzar a procesar para maximizar la producción, cuántas excavadoras RASSOR necesitamos y cuántas horas al día tendrán que trabajar. También necesitamos averiguar los tamaños requeridos del congelador de dióxido de carbono y el reactor Sabatier y la cantidad de energía consumida por todos los equipos.
Además, es necesario anticipar posibles problemas, especificando exactamente qué fallas pueden interrumpir la misión de procesamiento, retrasando la llegada de la misión tripulada. Tendremos que evaluar la probabilidad de cada una de las fallas para agregar la redundancia y duplicación necesarias al sistema.
Para asegurarnos de que la robótica pueda funcionar durante años sin mantenimiento y reparación, necesitamos fabricarla de acuerdo con especificaciones muy precisas. Todas las partes móviles no deben exponerse a partículas destructivas de polvo regolítico ni resistirlo. Debe mejorar los sellos o fortalecer las piezas móviles, y esto agregará complejidad y peso al equipo, a menos que se nos ocurra una forma ingeniosa de solucionar este problema.
También necesitamos descubrir qué tan densa es la mezcla de regolito y hielo debajo de la superficie de Marte y desarrollar equipos de minería en consecuencia. Las excavadoras existentes funcionan mejor en regolito sólido mezclado con trozos de hielo. Pero tal esquema no es adecuado para romper grandes capas de hielo duro. Necesitaremos pruebas convincentes de la composición del hielo y el regolito debajo de la superficie de Marte para desarrollar la situación más adecuada y un equipo de minería eficiente. O tendremos que desarrollar herramientas más complejas y confiables que puedan hacer frente a diferentes densidades de suelo y hielo.
También necesitamos resolver los problemas de almacenamiento a largo plazo de líquidos muy fríos. Los tanques de almacenamiento de presión y el aislamiento se mejoran constantemente, pero ¿podrá la tecnología actual trabajar mucho en la superficie de Marte?
En los próximos años, la NASA estudiará todos estos problemas. Continuaremos aumentando las capacidades y la disponibilidad de todos los prototipos. Haremos que el robot RASSOR sea más fuerte y ligero, y lo probaremos en condiciones similares a las marcianas. Continuaremos probando e integrando la estufa y el electrolizador, e intentaremos escalar el congelador de dióxido de carbono y el reactor Sabatier para confirmar que puedan satisfacer las necesidades de la misión tripulada a Marte. Todo este trabajo continuará para que nuestro prototipo de fábrica de polvo pueda algún día convertirse en un sistema completamente operativo en Marte.