Les ingénieurs construisent un prototype d'usine robotique qui créera de l'eau, de l'oxygène et du carburant à la surface de Mars
Martiens: la vision de l'artiste de robots excavateurs qui pourront un jour gagner sur Mars, bien avant que les premiers humains ne mettent le pied sur la planète2038 ans. Après 18 mois de vie et de travail à la surface de Mars, une équipe de six chercheurs plonge dans une fusée de transport spatial et se rend sur Terre. Les gens ne restent pas, mais le travail continue sans eux: les robots autonomes continueront l'exploitation minière et la synthèse chimique, qu'ils ont commencées de nombreuses années avant que cette première mission habitée n'atterrisse sur la planète. L'usine fournit de l'eau, de l'oxygène et du mazout en utilisant les ressources locales, et elle créera méthodiquement tous les matériaux nécessaires pour la prochaine mission martienne, qui arrivera dans deux ans.
Cette usine robotique n'est pas de la science-fiction. De nombreuses équipes de la NASA participent à son développement. L'un d'eux est le laboratoire Swamp Works du
Kennedy Space Center en Floride, dont je suis le chef. Officiellement, il est connu comme
un système d'utilisation des ressources in situ (ISRU), mais nous aimons l'appeler une «usine de poussières à poussées» car il transforme les poussières simples en carburant de fusée. Un jour, cette technologie permettra aux gens de vivre et de travailler sur Mars - et de revenir sur Terre pour en parler.
Mais pourquoi synthétiser des substances sur Mars, n'est-il pas plus facile de les délivrer de la Terre? La NASA explique cela comme un "problème de rapport de démultiplication". Selon certaines estimations, pour livrer un kilogramme de carburant de la Terre à Mars, les fusées d'aujourd'hui devront brûler 225 kg de carburant par vol - pour entrer dans l'orbite basse de la Terre, voler vers Mars, ralentir pour se rendre sur l'orbite martienne et ralentir pour atterrir en toute sécurité. Nous commençons avec 226 kg de carburant et obtenons 1 kg, c'est-à-dire que le rapport de transmission est de 226: 1. Et ce nombre ne change pas, peu importe ce que nous transportons. Nous aurons besoin de 225 tonnes de carburant pour transporter des tonnes d'eau, des tonnes d'oxygène, des tonnes d'équipements. La seule façon de contourner cette arithmétique cruelle est de créer de l'eau, de l'oxygène et du carburant en place.
Diverses équipes de recherche et d'ingénierie de la NASA travaillent sur différentes parties de ce problème. Récemment, notre équipe
Swamp Works a commencé à intégrer de nombreux modules de travail individuels pour démontrer l'ensemble du système en boucle fermée. Ceci est encore un prototype, mais il démontre toutes les pièces nécessaires pour faire de notre usine de poussière une réalité. Et bien que le plan à long terme soit un vol vers Mars, la Lune deviendra une étape intermédiaire. La plupart des équipements seront testés et ajustés d'abord sur la surface lunaire, réduisant ainsi les risques associés à son envoi immédiat sur Mars.
La saleté ou la poussière sur tout corps céleste est communément appelée
régolithe . Le plus souvent, il s'agit simplement d'une pierre volcanique qui a été détruite ou érodée, se transformant en fine poussière au fil du temps. Sur Mars, sous une couche de minéraux rouillés contenant du fer qui donnent à la planète sa célèbre teinte rouge, il y a une couche plus épaisse de silicates tels que les feldspaths, les pyroxènes et les olivines - ils sont tous constitués de structures de silicium et d'oxygène associées à des métaux tels que le fer, l'aluminium et le magnésium .
L'extraction de ces matériaux est compliquée par le fait que leur densité et leur compacité varient en fonction de l'endroit sur la planète. La faible gravité martienne complique également la tâche, ce qui rend difficile de conduire une pelle dans le sol sans utiliser son poids pour la contrer. Sur Terre, en creusant le sol, nous utilisons souvent de grands mécanismes, car leur gravité réagit en conséquence aux forces agissant sur un seau beaucoup plus petit. Mais souvenez-vous des rapports de démultiplication: chaque kilogramme lancé sur Mars est précieux et nous coûte très cher. Par conséquent, nous devons trouver comment creuser la surface de Mars à l'aide d'un équipement très léger.
Space Digger: la NASA développe un robot-pelle avec des godets de tambour opposés capables de mordre dans le sol et de tourner dans la direction opposée. Cette approche élimine la plupart des forces nécessaires pour creuser, ce qui permet au robot de travailler à faible gravité.Et puis RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) [un robot régolithique avancé pour le travail de surface; prononcé comme rasoir (rasoir eng.) / env. trad.]. Il s'agit d'un appareil d'exploitation minière autonome conçu pour creuser le régolithe dans des conditions de faible gravité. Lors du développement de RASSOR, les ingénieurs de la NASA ont accordé une attention particulière à son système de transfert de puissance. Dans les robots, la transmission est effectuée au moyen de moteurs, de boîtes de vitesses et d'autres mécanismes qui constituent un pourcentage important du poids final du système. Dans notre circuit, nous utilisons des moteurs sans cadre, des freins électromagnétiques et des boîtiers en titane imprimés sur une imprimante 3D, et bien plus encore pour minimiser le volume et le poids. Les efforts étaient justifiés: notre système a un demi-poids de moins que les systèmes d'alimentation commerciaux aux caractéristiques similaires.
RASSOR utilise deux godets de tambour opposés pour creuser, équipés de plusieurs petites pelles à dents. Lorsque les tambours tournent et que les mains qui les tiennent mordent dans le sol, ils ramassent une petite quantité de régolithe dans chaque godet lorsqu'il avance lentement. Le résultat est une piste peu profonde au lieu d'un trou profond. Les tambours de creusage rotatifs à l'intérieur sont vides, de sorte qu'ils peuvent collecter et stocker le régolithe extrait. Une autre caractéristique clé de RASSOR est que pendant le creusement, les tambours tournent dans des directions opposées. Cette approche élimine la plupart des forces nécessaires pour creuser, ce qui permet au robot de travailler à faible gravité.
Remplissant les fûts, RASSOR lève la main et se rend à l'usine de transformation. Pour décharger le régolithe, le robot fait tourner les tambours dans la direction opposée, et le régolithe est versé à partir des mêmes godets qui l'ont creusé. Un ascenseur spécial livre une partie du régolithe à la plate-forme de l'usine, le transférant au poêle, qui est hermétiquement fermé et commence à se réchauffer. Les molécules d'eau connectées au régolithe sont soufflées par un ventilateur et collectées dans un tuyau de condenseur.
Vous pouvez demander: "Le régolithe martien n'est-il pas sec?" La réponse est que tout est compliqué. Tout dépend où creuser et comment creuser en profondeur. Dans certaines parties de Mars, apparemment, à seulement quelques mètres sous la surface se trouvent des couches continues de glace d'eau. Aux latitudes inférieures, il y a des dunes de sable de gypse, qui contiennent jusqu'à 8% d'eau.
Le régolithe libéré de l'eau est jeté au sol pour que RASSOR puisse le récupérer et l'emporter. Ces «déchets» peuvent être utilisés pour construire des structures de protection, et même des routes et des sites d'atterrissage, en utilisant les techniques d'impression 3D actuellement en cours de développement à la NASA.
Butin: un régolite de robots mineurs à roues utilisant des tambours rotatifs équipés de cuillères à dents
Transport: en faisant tourner les tambours dans la direction opposée, le robot décharge la roche collectée dans l'ascenseur
Traitement: le poêle chauffe le régolithe pour extraire l'eau, qui est divisée en H 2 et O 2 par électrolyse. En utilisant la réaction de Sabatier, H 2 est combiné avec du CO 2 recueilli dans l'atmosphère pour donner du méthane.
Déplacement: un bras robotisé avec une caméra équipée de portes scellées qui empêchent la poussière d'entrer, déplace les liquides dans le réservoir mobile
Livraison: le réservoir fournit de l'eau, de l'oxygène et du méthane aux habitats humains et aux réservoirs de stockage à long terme.
Utilisation et stockage: les astronautes consomment de l'eau et de l'oxygène, et les utilisent également pour faire pousser des plantes. Le carburant est stocké sous forme de liquides cryogéniques pour une utilisation future.L'eau extraite du régolithe est purifiée. L'usine de traitement utilise un système de filtration en plusieurs étapes ainsi que des déioniseurs.
L'eau est nécessaire non seulement pour la boisson: elle est également un ingrédient clé du carburant pour fusée. En séparant les molécules de H
2 O par électrolyse en molécules d'hydrogène H
2 et d'oxygène O
2 , puis en compressant et liquéfiant ces gaz séparément, il est possible de synthétiser le carburant et l'oxydant, le plus souvent utilisés dans les moteurs-fusées utilisant du carburant liquide.
Le problème est que l'hydrogène liquide doit être stocké à des températures extrêmement basses. Par conséquent, la NASA prévoit de transformer l'hydrogène en carburant, qui est beaucoup plus facile à stocker: le méthane (CH
4 ). Il peut être obtenu en combinant l'hydrogène avec du carbone. Mais où trouver du carbone sur Mars?
Heureusement, Mars est plein de carbone. L'atmosphère martienne est composée à 96% de dioxyde de carbone. Le congélateur au dioxyde de carbone est responsable de la collecte du carbone; il produit essentiellement de la neige carbonique dans l'air.
Ayant récupéré l'hydrogène de l'électrolyseur et le dioxyde de carbone de l'atmosphère, nous pouvons les combiner en méthane grâce à un processus chimique tel que la réaction de Sabatier. Un réacteur spécial développé par la NASA crée la pression et la température nécessaires pour soutenir la réaction, à la suite de laquelle l'hydrogène et le dioxyde de carbone se transforment en méthane, libérant de l'eau comme déchet.
La prochaine machine de l'usine est un bras robotisé avec une chambre scellée qui transfère les liquides vers un réservoir externe. Ce qui est inhabituel, c'est que l'appareil photo est spécialement conçu pour empêcher la poussière de pénétrer. La poussière régolithique est très fine et pénètre partout. Le régolithe étant constitué de pierre volcanique concassée, il est très abrasif et nocif pour l'équipement. Les missions lunaires de la NASA ont
montré que le régolithe était responsable d'une multitude de problèmes, notamment des lectures incorrectes des instruments, la contamination des mécanismes, la défaillance de l'isolation et la défaillance du contrôle de la température. Par conséquent, il est extrêmement important de ne pas le laisser pénétrer dans les bras robotiques, les contacts électriques, les tuyaux conducteurs de fluides ou l'électronique sensible.
Kurt Loyt programme un bras de robot pour connecter un tuyau de remplissage à un réservoir mobile. Le tuyau est conçu pour remplir le réservoir de carburant liquide, d'eau et d'oxygène.De chaque côté du roboruk, il y a un ensemble de portes qui fonctionnent à la manière d'un sas et ne laissent pas de poussière à l'intérieur. La connexion nécessite trois étapes: au premier étage, les portes fermées, les portes fermées sont pressées les unes contre les autres et le joint autour du périmètre crée une barrière imperméable à la poussière. Au deuxième étage, les portes protégées par un scellant s'ouvrent, exposant les connecteurs fixés sur une plateforme mobile. À la dernière étape, les plates-formes sont déplacées, connectant tous les connecteurs électriques et hydrauliques.
L'usine de carburant de Roboruka prendra la caméra et l'abaissera dans le réservoir mobile, s'y connectera et déchargera les produits finaux. En ce sens, le système de traitement est similaire aux stations-service, mais au lieu de l'essence, il peut verser de l'eau. Ou de l'oxygène liquide. Ou du méthane liquide. Ou tout cela ensemble!
Nous avons récemment fait la démonstration de cette usine dans le laboratoire Swamp Works. À l'heure actuelle, nous avons dû simuler un poêle et l'électrolyse afin de réduire le coût et la complexité du projet. Nous avons également simulé les produits finaux en utilisant de l'eau dans tous les cas. Mais pour toutes les autres pièces, des prototypes fonctionnels de matériel et de logiciels ont été utilisés.
En rassemblant tous les sous-systèmes, nous avons étudié les problèmes et les échecs, et tiré des leçons importantes qui nous auraient échappé; nous assemblons l'ensemble de notre système uniquement à la fin du développement et des tests. C'est l'un des principes fondamentaux de Swamp Works: prototypage rapide et intégration précoce, qui vous permettent de prouver rapidement l'efficacité des circuits et de détecter les pannes à un stade précoce.
L'idée du laboratoire martien des carburants est qu'il sera emballé dans une boîte soignée, envoyé sur Mars, déployé et lancé à la surface de la planète bien avant l'arrivée des gens. Les missions habitées vers Mars dépendront du lancement de la production et du stockage autonomes de carburant sur le chemin du retour avant même le lancement des astronautes depuis la Terre. La NASA a également des équipes qui réfléchissent à la façon de développer différents produits pendant le vol et sur Mars. Y compris les pommes de terre.
Que devrait-il se passer d'autre avant ce moment? Beaucoup.
La NASA possède de nombreuses années d'expérience dans l'utilisation d'atterrisseurs séparés et de véhicules tout-terrain indépendants opérant à la surface de Mars. Les véhicules tout-terrain récents - Curiosity, qui est descendu à la surface en 2012, et le véhicule tout-terrain Mars 2020, qui sera lancé en 2020 - ont un certain degré d'autonomie. Mais la complexité de cette usine de combustible martienne, la longue durée de fonctionnement et le niveau d'autonomie requis par un tel système élèvent la tâche à un tout autre niveau.
Des tonnes de poussière: la NASA utilise un espace clos avec plus de 100 tonnes de roche volcanique concassée pour tester les robots excavateurs. Le matériau sert d'analogue aux poussières extrêmement fines et abrasives situées à la surface de Mars.Avant de commencer une telle mission, nous devons surmonter de nombreux obstacles techniques. L'une des questions les plus cruciales est de savoir s'il est possible de faire évoluer chaque sous-système de notre usine de transformation pour répondre aux exigences d'une mission habitée. Des études récentes montrent qu'un tel système devrait produire environ 7 tonnes de méthane liquide et 22 tonnes d'oxygène liquide en 16 mois. Ensuite, vous devez savoir où vous devez planter le module et commencer le traitement afin de maximiser le rendement, le nombre de pelles RASSOR dont nous avons besoin et le nombre d'heures par jour qu'elles devront travailler. Nous devons également connaître les dimensions requises du congélateur au dioxyde de carbone et du réacteur Sabatier ainsi que la quantité d'énergie consommée par tous les équipements.
De plus, il est nécessaire d'anticiper les éventuels problèmes, en précisant exactement quelles pannes peuvent interrompre la mission de traitement, retardant l'arrivée de la mission habitée. Nous devrons évaluer la probabilité de chacune des pannes afin d'ajouter la redondance et la duplication nécessaires au système.
Pour que la robotique puisse fonctionner pendant des années sans maintenance ni réparation, nous devons la fabriquer selon des spécifications très précises. Toutes les pièces mobiles ne doivent pas être exposées à des particules destructrices de poussières régolithiques ou y résister. Vous devez soit améliorer les joints soit renforcer les pièces mobiles, ce qui ajoutera de la complexité et du poids à l'équipement, à moins que nous ne trouvions un moyen ingénieux de contourner ce problème.
Nous devons également découvrir la densité du mélange de régolithe et de glace sous la surface de Mars et développer des équipements miniers en conséquence. Les pelles existantes fonctionnent mieux sur un régolithe solide mélangé à des morceaux de glace. Mais un tel schéma ne convient pas pour briser de grandes couches de glace dure. Nous aurons besoin de preuves convaincantes de la composition de la glace et du régolithe sous la surface de Mars afin de développer la situation la plus appropriée et un équipement minier efficace. Ou nous devrons développer des outils plus complexes et plus fiables capables de faire face à différentes densités de sol et de glace.
Nous devons également résoudre les problèmes de stockage à long terme de liquides très froids. Les réservoirs de stockage sous pression et l'isolation sont constamment améliorés, mais la technologie actuelle pourra-t-elle fonctionner longtemps à la surface de Mars?
Au cours des prochaines années, la NASA étudiera toutes ces questions. Nous continuerons d'augmenter les capacités et la disponibilité de tous les prototypes. Nous allons rendre le robot RASSOR plus fort et plus léger, et le tester dans des conditions similaires à celles martiennes. Nous continuerons de tester et d'intégrer le poêle et l'électrolyseur, et essayer de faire évoluer le congélateur au dioxyde de carbone et le réacteur Sabatier pour confirmer qu'ils peuvent répondre aux besoins de la mission habitée sur Mars. Tout ce travail se poursuivra pour que notre prototype de fabrique de poussières devienne un jour un système pleinement opérationnel sur Mars.