Para insinyur sedang membangun pabrik robot prototipe yang akan menghasilkan air, oksigen, dan bahan bakar di permukaan Mars
Mars: visi seniman robot ekskavator yang suatu hari dapat menghasilkan di Mars, jauh sebelum manusia pertama menginjakkan kaki di planet ini2038 tahun. Setelah 18 bulan hidup dan bekerja di permukaan Mars, sebuah tim yang terdiri dari enam peneliti terjun ke roket pengangkut ruang angkasa dan melakukan perjalanan ke Bumi. Orang tidak tinggal, tetapi pekerjaan berlanjut tanpa mereka: robot otonom akan melanjutkan penambangan dan sintesis kimia, yang telah mereka mulai bertahun-tahun sebelum misi berawak pertama ini mendarat di planet ini. Pabrik memasok air, oksigen, dan bahan bakar minyak menggunakan sumber daya lokal, dan secara metodis akan menciptakan semua bahan yang diperlukan untuk misi Mars berikutnya, yang akan tiba dalam dua tahun.
Pabrik robot ini bukan fiksi ilmiah. Banyak tim NASA berpartisipasi dalam pengembangannya. Salah satunya adalah laboratorium Swamp Works di
Kennedy Space Center di Florida, yang saya pimpin. Secara resmi, ini dikenal sebagai
sistem pemanfaatan sumber daya in situ (ISRU), tetapi kami suka menyebutnya "pabrik debu-untuk-dorong" karena mengubah debu sederhana menjadi bahan bakar roket. Suatu hari teknologi ini akan memungkinkan orang untuk hidup dan bekerja di Mars - dan kembali ke Bumi untuk membicarakannya.
Tapi mengapa mensintesis zat di Mars, bukankah lebih mudah untuk melepaskannya dari Bumi? NASA menjelaskan ini sebagai "masalah rasio roda gigi." Menurut beberapa perkiraan, untuk mengirimkan satu kilogram bahan bakar dari Bumi ke Mars, roket hari ini perlu membakar 225 kg bahan bakar per penerbangan - untuk memasuki orbit rendah Bumi, terbang ke Mars, melambat untuk menuju ke orbit Mars, dan melambat untuk mendarat dengan aman. Kami mulai dengan 226 kg bahan bakar dan mendapatkan 1 kg, yaitu, rasio girnya adalah 226: 1. Dan jumlah ini tidak berubah, terlepas dari apa yang kamiangkut. Kita akan membutuhkan 225 ton bahan bakar untuk mengangkut berton-ton air, berton-ton oksigen, berton-ton peralatan. Satu-satunya cara untuk mengatasi aritmatika kejam ini adalah dengan menciptakan air, oksigen, dan bahan bakar.
Berbagai tim penelitian dan teknik di NASA sedang mengerjakan bagian berbeda dari masalah ini. Baru-baru ini, tim
Swamp Works kami mulai mengintegrasikan banyak modul kerja individual untuk mendemonstrasikan seluruh sistem loop tertutup. Ini masih prototipe, tetapi menunjukkan semua bagian yang diperlukan untuk membuat pabrik debu kami menjadi kenyataan. Dan meskipun rencana jangka panjang adalah penerbangan ke Mars, Bulan akan menjadi langkah perantara. Sebagian besar peralatan akan diuji dan disesuaikan terlebih dahulu di permukaan bulan, sehingga mengurangi risiko yang terkait dengan pengiriman segera ke Mars.
Kotoran atau debu pada benda langit apa pun biasa disebut
regolith . Paling sering itu hanyalah batu vulkanik yang dihancurkan atau terkikis, berubah menjadi debu halus seiring waktu. Di Mars, di bawah lapisan mineral yang mengandung besi yang berkarat yang memberi warna merah terkenal di planet ini, ada lapisan silikat yang lebih tebal seperti felspar, piroksen, dan olivin - semuanya terdiri dari struktur silikon dan oksigen yang terkait dengan logam seperti besi, aluminium, dan magnesium .
Ekstraksi bahan-bahan ini diperumit oleh fakta bahwa kepadatan dan kekompakannya bervariasi tergantung pada tempat di planet ini. Mempersulit tugas ini juga merupakan gravitasi Mars yang rendah, yang membuatnya sulit untuk mendorong sekop ke tanah tanpa menggunakan bobotnya untuk mengatasinya. Di Bumi, menggali tanah, kita sering menggunakan mekanisme besar, karena tingkat keparahannya bereaksi sesuai dengan gaya yang bekerja pada ember yang jauh lebih kecil. Namun, ingat rasio roda gigi: setiap kilogram yang diluncurkan di Mars sangat berharga dan sangat mahal bagi kami. Oleh karena itu, kita perlu mencari cara untuk menggali permukaan Mars menggunakan peralatan yang sangat ringan.
Space Digger: NASA sedang mengembangkan excavator robot dengan ember drum yang berlawanan yang mampu menggigit tanah, berputar ke arah yang berlawanan. Pendekatan ini menghilangkan sebagian besar gaya yang diperlukan untuk menggali, yang memungkinkan robot bekerja pada gravitasi rendah.Dan kemudian RASSOR (Robot Operasi Sistem Sistem Permukaan Lanjut Regolith) [robot regolitik canggih untuk pekerjaan permukaan; diucapkan sebagai silet (eng. silet) / kira-kira. diterjemahkan.]. Ini adalah perangkat penambangan otonom yang dirancang untuk menggali regolith dalam kondisi gravitasi rendah. Saat mengembangkan RASSOR, para insinyur NASA memberi perhatian khusus pada sistem transfer dayanya. Dalam robot, transmisi dilakukan melalui motor, gearbox, dan mekanisme lain yang membentuk persentase besar dari bobot akhir sistem. Di sirkuit kami, kami menggunakan motor tanpa bingkai, rem elektromagnetik dan case titanium yang dicetak pada printer 3D, serta lebih banyak lagi untuk meminimalkan volume dan berat. Upaya itu dibenarkan: sistem kami memiliki setengah bobot kurang dari sistem tenaga komersial dengan karakteristik serupa.
RASSOR menggunakan dua ember drum yang berlawanan untuk menggali, dilengkapi dengan beberapa sendok bergigi kecil. Ketika drum diputar, dan tangan yang memegangnya menggigit tanah, mereka mengambil sedikit regolith di setiap sendok ketika bergerak perlahan. Hasilnya adalah trek yang dangkal bukannya lubang yang dalam. Rotasi menggali drum di dalam kosong, sehingga mereka dapat mengumpulkan dan menyimpan regolith yang ditambang. Fitur utama lain dari RASSOR adalah saat menggali, drum berputar ke arah yang berlawanan. Pendekatan ini menghilangkan sebagian besar gaya yang diperlukan untuk menggali, yang memungkinkan robot bekerja pada gravitasi rendah.
Mengisi drum, RASSOR mengangkat tangannya dan pergi ke pabrik pengolahan. Untuk menurunkan regolith, robot memutar drum ke arah yang berlawanan, dan regolith dituangkan dari sendok yang sama yang menggalinya. Lift khusus mengantarkan sebagian regolith ke platform pabrik, memindahkannya ke kompor, yang tertutup rapat dan mulai memanas. Molekul air yang terhubung dengan regolith tertiup angin dan dikumpulkan dalam pipa kondensor.
Anda mungkin bertanya, "Apakah Mars tidak kering?" Jawabannya adalah semuanya rumit. Itu semua tergantung di mana menggali dan bagaimana menggali dalam. Di beberapa bagian Mars, tampaknya, hanya beberapa meter di bawah permukaan adalah lapisan es air yang terus menerus. Di lintang bawah ada bukit pasir gipsum, yang mengandung hingga 8% air.
Regolith yang dibebaskan dari air dibuang ke tanah sehingga RASSOR dapat mengambilnya dan membawanya pergi. "Limbah" ini dapat digunakan untuk membangun struktur pelindung, dan bahkan jalan dan tempat pendaratan, menggunakan teknik pencetakan 3D yang saat ini sedang dikembangkan di NASA.
Loot: penambang robot beroda regolith menggunakan drum berputar dilengkapi dengan sendok bergigi
Transportasi: memutar drum ke arah yang berlawanan, robot membuang batu yang terkumpul ke dalam lift
Pemrosesan: kompor memanaskan regolith untuk mengekstraksi air, yang dibagi menjadi H 2 dan O 2 dengan elektrolisis. Menggunakan reaksi Sabatier, H 2 dikombinasikan dengan CO 2 yang dikumpulkan di atmosfer untuk menghasilkan bahan bakar metana.
Bergerak: lengan robot dengan kamera yang dilengkapi dengan pintu tertutup yang mencegah debu masuk, memindahkan cairan ke tangki ponsel
Pengiriman: tangki mengirimkan air, oksigen, dan metana ke habitat manusia dan tangki penyimpanan jangka panjang.
Penggunaan dan penyimpanan: astronot mengonsumsi air dan oksigen, juga menggunakannya untuk menanam tanaman. Bahan bakar disimpan sebagai cairan kriogenik untuk digunakan di masa depan.Air yang diekstrak dari regolith dimurnikan. Pabrik pengolahan menggunakan sistem penyaringan multi-tahap bersama dengan deionizer.
Air dibutuhkan tidak hanya untuk minum: itu juga merupakan bahan utama dalam bahan bakar roket. Memisahkan molekul H
2 O dengan elektrolisis menjadi molekul hidrogen H
2 dan oksigen O
2 , dan kemudian mengompresi dan mencairkan gas-gas ini secara terpisah, dimungkinkan untuk mensintesis bahan bakar dan pengoksidasi, paling sering digunakan dalam mesin roket menggunakan bahan bakar cair.
Masalahnya adalah bahwa hidrogen cair harus disimpan pada suhu yang sangat rendah. Karenanya, NASA berencana mengubah hidrogen menjadi bahan bakar, yang jauh lebih mudah disimpan: metana (CH
4 ). Itu bisa diperoleh dengan menggabungkan hidrogen dengan karbon. Tapi dari mana mendapatkan karbon di Mars?
Untungnya, Mars penuh karbon. Atmosfer Mars adalah 96% karbon dioksida. Freezer Karbon dioksida bertanggung jawab untuk mengumpulkan karbon; pada dasarnya membuat es kering dari udara.
Setelah mengumpulkan hidrogen dari electrolyzer dan karbon dioksida dari atmosfer, kita dapat menggabungkannya menjadi metana berkat proses kimia seperti reaksi Sabatier. Reaktor khusus yang dikembangkan oleh NASA menciptakan tekanan dan suhu yang diperlukan untuk mendukung reaksi, sebagai akibatnya hidrogen dan karbon dioksida berubah menjadi metana, melepaskan air sebagai limbah.
Mesin berikutnya di pabrik adalah lengan robot dengan ruang tertutup yang mentransfer cairan ke tangki eksternal. Apa yang tidak biasa tentang itu adalah bahwa kamera dirancang khusus untuk mencegah debu masuk. Debu regolitik sangat halus, dan menembus ke mana-mana. Karena regolith terdiri dari batu vulkanik yang dihancurkan, ia sangat abrasif dan berbahaya bagi peralatan. Misi bulan NASA
menunjukkan bahwa regolith bertanggung jawab atas sejumlah masalah, termasuk pembacaan instrumen yang salah, kontaminasi mekanisme, kegagalan isolasi, dan kegagalan kontrol suhu. Oleh karena itu, sangat penting untuk tidak membiarkannya menembus ke lengan robot, kontak listrik, pipa penghantar cairan, atau elektronik sensitif.
Kurt Loyt sedang memprogram lengan robot untuk menghubungkan selang pengisian ke tangki ponsel. Selang dirancang untuk mengisi tangki dengan bahan bakar cair, air, dan oksigen.Di setiap sisi roboruk ada satu set pintu yang berfungsi seperti kunci udara dan tidak memungkinkan debu masuk. Koneksi membutuhkan tiga tahap: pada tahap pertama, pintu tertutup, pintu tertutup saling menekan, dan segel di sekeliling menciptakan penghalang yang tahan terhadap debu. Pada tahap kedua, pintu-pintu dilindungi oleh sealant terbuka, memperlihatkan konektor terpasang pada platform seluler. Pada tahap terakhir, platform digeser, menghubungkan semua konektor listrik dan cairan.
Pabrik bahan bakar Roboruka akan mengambil kamera dan menurunkannya ke tangki ponsel, menghubungkannya dan mengeluarkan produk akhir. Dalam hal ini, sistem pengolahannya mirip dengan pompa bensin, tetapi alih-alih bensin, ia dapat menuangkan air. Atau oksigen cair. Atau metana cair. Atau semua ini bersama!
Kami baru-baru ini mendemonstrasikan pabrik ini di laboratorium Swamp Works. Saat ini, kami harus mensimulasikan kompor dan elektrolisis untuk mengurangi biaya dan kompleksitas proyek. Kami juga mensimulasikan produk akhir menggunakan air dalam semua kasus. Tetapi untuk semua bagian lain, prototipe kerja perangkat keras dan perangkat lunak digunakan.
Dengan menggabungkan semua subsistem, kami mempelajari masalah dan kegagalan, dan mempelajari beberapa pelajaran penting yang akan menghindarkan kami, kami merakit seluruh sistem kami hanya pada akhir pengembangan dan pengujian. Ini adalah salah satu prinsip utama Swamp Works: prototyping cepat dan integrasi awal, yang memungkinkan Anda untuk dengan cepat membuktikan efisiensi sirkuit dan menangkap kegagalan pada tahap awal.
Gagasan dari laboratorium bahan bakar Mars adalah bahwa itu akan dikemas dalam kotak yang rapi, dikirim ke Mars, dikerahkan dan diluncurkan di permukaan planet jauh sebelum kedatangan orang. Misi berawak ke Mars akan tergantung pada peluncuran produksi otonom dan penyimpanan bahan bakar dalam perjalanan kembali bahkan sebelum para astronot diluncurkan dari Bumi. NASA juga memiliki tim yang berpikir tentang cara menumbuhkan berbagai produk selama penerbangan dan berada di Mars. Termasuk kentang.
Apa lagi yang harus terjadi sebelum saat ini? Banyak.
NASA memiliki pengalaman bertahun-tahun menggunakan pendarat yang terpisah dan kendaraan semua medan independen yang beroperasi di permukaan Mars. Kendaraan all-terrain terbaru - Curiosity, yang turun ke permukaan pada 2012, dan kendaraan all-terrain Mars 2020, yang akan diluncurkan pada 2020 - memiliki tingkat otonomi tertentu. Tetapi kompleksitas dari pabrik bahan bakar Mars ini, waktu operasi yang lama dan tingkat otonomi yang diperlukan oleh sistem semacam itu meningkatkan tugas ke tingkat yang sama sekali baru.
Banyak debu: NASA menggunakan ruang tertutup dengan lebih dari 100 ton batu vulkanik yang dihancurkan untuk menguji robot excavator. Bahan tersebut berfungsi sebagai analog dengan debu yang sangat halus dan abrasif yang terletak di permukaan Mars.Sebelum memulai misi seperti itu, kita perlu mengatasi banyak kendala teknis. Salah satu pertanyaan paling kritis adalah apakah mungkin untuk skala setiap subsistem pabrik pengolahan kami untuk memenuhi persyaratan misi berawak. Studi terbaru menunjukkan bahwa sistem seperti itu perlu menghasilkan sekitar 7 ton metana cair dan 22 ton oksigen cair dalam 16 bulan. Maka Anda perlu mencari tahu di mana Anda perlu menanam modul dan mulai memproses untuk memaksimalkan hasil, berapa banyak excavator RASSOR yang kita butuhkan, dan berapa jam mereka harus bekerja. Kita juga perlu mengetahui ukuran yang diperlukan dari pembeku karbon dioksida dan reaktor Sabatier dan jumlah energi yang dikonsumsi oleh semua peralatan.
Selain itu, perlu mengantisipasi kemungkinan masalah, menentukan dengan tepat kegagalan mana yang dapat mengganggu misi pemrosesan, menunda kedatangan misi berawak. Kami harus mengevaluasi probabilitas setiap kegagalan untuk menambahkan redundansi dan duplikasi yang diperlukan ke sistem.
Untuk memastikan bahwa robot dapat bekerja selama bertahun-tahun tanpa pemeliharaan dan perbaikan, kita perlu membuatnya sesuai dengan spesifikasi yang sangat tepat. Semua bagian yang bergerak tidak boleh terkena partikel destruktif debu regolitik, atau menahannya. Anda perlu memperbaiki segel atau memperkuat bagian yang bergerak, dan ini akan menambah kerumitan dan bobot pada peralatan, kecuali kami menemukan cara yang cerdik untuk mengatasi masalah ini.
Kita juga perlu mengetahui seberapa pekatnya campuran regolith dan es di bawah permukaan Mars dan untuk mengembangkan peralatan penambangan yang sesuai. Ekskavator yang ada bekerja paling baik pada regolith padat yang dicampur dengan potongan-potongan es. Tetapi skema seperti itu tidak cocok untuk memecah lapisan es keras yang besar. Kita perlu bukti yang meyakinkan tentang komposisi es dan regolith di bawah permukaan Mars untuk mengembangkan situasi yang paling tepat dan peralatan pertambangan yang efisien. Atau kita harus mengembangkan alat yang lebih kompleks dan andal yang dapat mengatasi berbagai kepadatan tanah dan es.
Kita juga perlu menyelesaikan masalah penyimpanan jangka panjang cairan yang sangat dingin. Tangki penyimpanan bertekanan dan insulasi terus ditingkatkan, tetapi apakah teknologi saat ini dapat bekerja lama di permukaan Mars?
Selama beberapa tahun ke depan, NASA akan mempelajari semua masalah ini. Kami akan terus meningkatkan kemampuan dan ketersediaan semua prototipe. Kami akan membuat robot RASSOR lebih kuat dan lebih ringan, dan mengujinya dalam kondisi yang mirip dengan yang Mars. Kami akan terus menguji dan mengintegrasikan kompor dan electrolyzer, dan mencoba untuk skala freezer karbon dioksida dan reaktor Sabatier untuk mengkonfirmasi bahwa mereka dapat memenuhi kebutuhan misi berawak ke Mars. Semua pekerjaan ini akan berlanjut sehingga pabrik debu prototipe kami suatu hari bisa menjadi sistem operasional penuh di Mars.