Os engenheiros estão construindo uma fábrica robótica de protótipo que criará água, oxigênio e combustível na superfície de Marte
Marcianos: a visão do artista de robôs escavadores que um dia podem ganhar em Marte, muito antes dos primeiros seres humanos pisarem no planeta2038 ano. Após 18 meses de vida e trabalho na superfície de Marte, uma equipe de seis pesquisadores mergulha em um foguete de transporte espacial e viaja para a Terra. As pessoas não permanecem, mas o trabalho continua sem elas: robôs autônomos continuarão a mineração e a síntese química, que começaram muitos anos antes da primeira missão tripulada aterrissar no planeta. A fábrica fornece água, oxigênio e óleo combustível usando recursos locais, e metodicamente criará todo o material necessário para a próxima missão marciana, que chegará em dois anos.
Esta fábrica robótica não é ficção científica. Muitas equipes da NASA participam de seu desenvolvimento. Um deles é o laboratório Swamp Works, no
Kennedy Space Center, na Flórida, do qual sou o chefe. Oficialmente, é conhecido como sistema de utilização de recursos in situ (ISRU), mas gostamos de chamá-lo de "fábrica de pó para empuxo" porque transforma poeira simples em combustível de foguete. Algum dia, essa tecnologia permitirá que as pessoas vivam e trabalhem em Marte - e retornem à Terra para falar sobre isso.
Mas por que sintetizar substâncias em Marte, não é mais fácil libertá-las da Terra? A NASA explica isso como um "problema de relação de transmissão". De acordo com algumas estimativas, para fornecer um quilograma de combustível da Terra para Marte, os foguetes de hoje precisarão queimar 225 kg de combustível por voo - para entrar na órbita baixa da Terra, voar para Marte, desacelerar para ir para a órbita marciana e desacelerar para pousar com segurança. Começamos com 226 kg de combustível e recebemos 1 kg, ou seja, a relação de transmissão é 226: 1. E esse número não muda, independentemente do que transportamos. Precisamos de 225 toneladas de combustível para transportar toneladas de água, toneladas de oxigênio, toneladas de equipamentos. A única maneira de contornar essa aritmética cruel é criar água, oxigênio e combustível.
Várias equipes de pesquisa e engenharia da NASA estão trabalhando em diferentes partes deste problema. Recentemente, nossa equipe
Swamp Works começou a integrar muitos módulos de trabalho individuais para demonstrar todo o sistema de circuito fechado. Este ainda é um protótipo, mas demonstra todas as peças necessárias para tornar nossa fábrica de poeira uma realidade. E embora o plano de longo prazo seja um voo para Marte, a Lua se tornará um passo intermediário. A maioria dos equipamentos será testada e ajustada primeiro na superfície lunar, reduzindo assim os riscos associados ao envio imediato a Marte.
Sujeira ou poeira em qualquer corpo celeste é comumente chamada
regolito . Na maioria das vezes, é simplesmente uma pedra vulcânica que foi destruída ou corroída, transformando-se em pó fino ao longo do tempo. Em Marte, sob uma camada de minerais enferrujados contendo ferro que dão ao planeta seu famoso tom vermelho, há uma camada mais espessa de silicatos, como feldspatos, piroxênios e olivinas - todos eles consistem em estruturas de silício e oxigênio associadas a metais como ferro, alumínio e magnésio .
A extração desses materiais é complicada pelo fato de sua densidade e compacidade variarem dependendo do local do planeta. Para complicar a tarefa também está a baixa gravidade marciana, o que dificulta a entrada de uma pá no chão sem usar seu peso para combatê-la. Na Terra, cavando o solo, geralmente usamos grandes mecanismos, pois sua gravidade reage de acordo com as forças que atuam em um balde muito menor. No entanto, lembre-se das relações de transmissão: cada quilograma lançado em Marte é precioso e muito caro para nós. Portanto, precisamos descobrir como cavar a superfície de Marte usando equipamentos muito leves.
Space Digger: A NASA está desenvolvendo uma escavadeira robótica com caçambas de tambor opostas capazes de morder o solo, girando na direção oposta. Essa abordagem elimina a maioria das forças necessárias para escavar, o que permite que o robô trabalhe em baixa gravidade.E então o RASSOR (robô de operações Regolith Advanced Surface Systems) [um robô regolítico avançado para trabalhos de superfície; pronunciado como navalha (eng. navalha) / aprox. transl.]. Este é um dispositivo de mineração autônomo projetado para desenterrar regolitos em condições de baixa gravidade. Ao desenvolver o RASSOR, os engenheiros da NASA prestaram atenção especial ao seu sistema de transferência de energia. Nos robôs, a transmissão é realizada por meio de motores, caixas de engrenagens e outros mecanismos que compõem uma grande porcentagem do peso final do sistema. Em nosso circuito, usamos motores sem moldura, freios eletromagnéticos e caixas de titânio impressos em uma impressora 3D, além de muito mais para minimizar volume e peso. Os esforços foram justificados: nosso sistema tem meio peso a menos que os sistemas comerciais de energia com características semelhantes.
O RASSOR usa dois baldes de tambor opostos para escavar, equipados com várias pequenas conchas dentadas. Quando os tambores giram, e as mãos que os seguram mordem o solo, eles captam uma pequena quantidade de regolito em cada furo quando avançam lentamente. O resultado é uma pista rasa em vez de um furo profundo. Os tambores de escavação rotativos no interior estão vazios, para que possam coletar e armazenar o regolito extraído. Outra característica importante do RASSOR é que, durante a escavação, os tambores giram em direções opostas. Essa abordagem elimina a maioria das forças necessárias para escavar, o que permite que o robô trabalhe em baixa gravidade.
Enchendo a bateria, RASSOR levanta as mãos e vai para a planta de processamento. Para descarregar o regolito, o robô gira os tambores na direção oposta, e o regolito é derramado das mesmas conchas que o cavaram. Um elevador especial entrega uma parte do regolito à plataforma da fábrica, transferindo-a para o fogão, que é fechado hermeticamente e começa a aquecer. As moléculas de água conectadas ao regolito são expelidas por um ventilador e coletadas em um tubo de condensação.
Você pode perguntar: "O regolito marciano não está seco?" A resposta é que tudo é complicado. Tudo depende de onde cavar e como cavar fundo. Aparentemente, em algumas partes de Marte, apenas alguns metros abaixo da superfície há camadas contínuas de gelo na água. Nas latitudes mais baixas, existem dunas de areia de gesso, que contêm até 8% de água.
O regolito liberado da água é jogado no chão para que o RASSOR possa coletá-lo e levá-lo embora. Esses "resíduos" podem ser usados para construir estruturas de proteção e até estradas e locais de pouso, usando técnicas de impressão 3D atualmente em desenvolvimento na NASA.
Roubo: um robô mineiro de rodas regolita usando tambores giratórios equipados com conchas dentadas
Transporte: girando os tambores na direção oposta, o robô despeja a rocha coletada no elevador
Processamento: o fogão aquece o regolito para extrair a água, que é dividida em H 2 e O 2 por eletrólise. Usando a reação Sabatier, o H2 é combinado com o CO 2 coletado na atmosfera para fornecer combustível metano.
Movendo-se: um braço robótico com uma câmera equipada com portas seladas que evitam a entrada de poeira, move líquidos para o tanque móvel
Entrega: o tanque fornece água, oxigênio e metano para habitats humanos e tanques de armazenamento de longo prazo.
Uso e armazenamento: os astronautas consomem água e oxigênio, também os utilizando para o cultivo de plantas. O combustível é armazenado como líquido criogênico para uso futuro.A água extraída do regolito é purificada. A estação de tratamento utiliza um sistema de filtragem de vários estágios, juntamente com os deionizadores.
A água é necessária não apenas para beber: é também um ingrediente essencial no combustível para foguetes. Separando as moléculas de H2O por eletrólise em moléculas de hidrogênio H2 e oxigênio, e depois comprimindo e liquefazendo esses gases separadamente, é possível sintetizar combustível e oxidante, mais frequentemente usados em motores de foguete usando combustível líquido.
O problema é que o hidrogênio líquido deve ser armazenado a temperaturas extremamente baixas. Portanto, a NASA planeja transformar hidrogênio em combustível, o que é muito mais fácil de armazenar: metano (CH
4 ). Pode ser obtido combinando hidrogênio com carbono. Mas onde conseguir carbono em Marte?
Felizmente, Marte está cheio de carbono. A atmosfera marciana é de 96% de dióxido de carbono. O freezer de dióxido de carbono é responsável pela coleta de carbono; essencialmente produz gelo seco do ar.
Depois de coletar hidrogênio do eletrolisador e dióxido de carbono da atmosfera, podemos combiná-los em metano graças a um processo químico, como a reação de Sabatier. Um reator especial desenvolvido pela NASA cria a pressão e a temperatura necessárias para suportar a reação, como resultado do qual o hidrogênio e o dióxido de carbono se transformam em metano, liberando água como lixo.
A próxima máquina da fábrica é um braço robótico com uma câmara selada que transfere líquidos para um tanque externo. O que é incomum é que a câmera foi projetada especialmente para impedir a entrada de poeira. O pó regolítico é muito fino e penetra em todos os lugares. Como o regolito consiste em pedra vulcânica triturada, é muito abrasivo e prejudicial ao equipamento. As missões lunares da NASA
mostraram que o regolito era responsável por uma série de problemas, incluindo leituras incorretas de instrumentos, contaminação de mecanismos, falha no isolamento e falha no controle de temperatura. Portanto, é extremamente importante não permitir a penetração em braços robóticos, contatos elétricos, tubos condutores de fluido ou componentes eletrônicos sensíveis.
Kurt Loyt está programando um braço de robô para conectar uma mangueira de enchimento a um tanque móvel. A mangueira foi projetada para encher o tanque com combustível líquido, água e oxigênio.Em cada lado do roboruk há um conjunto de portas que funcionam como uma trava de ar e não permitem a entrada de poeira. A conexão requer três estágios: no primeiro estágio, portas fechadas, portas fechadas são pressionadas uma contra a outra e a vedação ao redor do perímetro cria uma barreira que é impermeável ao pó. No segundo estágio, as portas protegidas por um selante se abrem, expondo os conectores fixados em uma plataforma móvel. Na última etapa, as plataformas são deslocadas, conectando todos os conectores elétricos e de fluido.
A fábrica de combustível de Roboruka levará a câmera e a abaixará para o tanque móvel, conectará a ela e descarregará os produtos finais. Nesse sentido, o sistema de processamento é semelhante aos postos de gasolina, mas, em vez da gasolina, pode derramar água. Ou oxigênio líquido. Ou metano líquido. Ou tudo isso junto!
Recentemente, demonstramos esta fábrica no laboratório Swamp Works. No momento, tivemos que simular um fogão e eletrólise para reduzir o custo e a complexidade do projeto. Também simulamos produtos finais usando água em todos os casos. Mas para todas as outras partes, protótipos de hardware e software foram utilizados.
Reunindo todos os subsistemas, estudamos problemas e falhas e aprendemos algumas lições importantes que nos escapariam: montamos todo o sistema apenas no final do desenvolvimento e teste. Esse é um dos princípios principais do Swamp Works: prototipagem rápida e integração precoce, que permitem provar rapidamente a eficiência dos circuitos e detectar falhas em um estágio inicial.
A idéia do laboratório de combustível de Marte é que seja embalado em uma caixa limpa, enviado a Marte, implantado e lançado na superfície do planeta muito antes da chegada das pessoas. As missões tripuladas a Marte dependerão do lançamento da produção autônoma e do armazenamento de combustível no caminho de volta, mesmo antes dos astronautas serem lançados da Terra. A NASA também tem equipes pensando em como cultivar diferentes produtos durante o voo e em Marte. Incluindo batatas.
O que mais deve acontecer antes deste momento? Muito.
A NASA tem muitos anos de experiência no uso de veículos terrestres separados e veículos todo-o-terreno independentes que operam na superfície de Marte. Os veículos todo-o-terreno recentes - o Curiosity, que desceu à superfície em 2012, e o veículo todo-o-terreno Mars 2020, que será lançado em 2020 - têm um certo grau de autonomia. Mas a complexidade dessa fábrica de combustível marciana, o longo tempo de operação e o nível de autonomia exigido por esse sistema elevam a tarefa a um nível totalmente novo.
Toneladas de poeira: a NASA usa um espaço fechado com mais de 100 toneladas de rocha vulcânica esmagada para testar robôs de escavadeiras. O material serve como um análogo ao pó extremamente fino e abrasivo localizado na superfície de Marte.Antes de iniciar essa missão, precisamos superar muitos obstáculos técnicos. Uma das perguntas mais críticas é se é possível dimensionar cada subsistema de nossa fábrica de processamento para atender aos requisitos de uma missão tripulada. Estudos recentes mostram que esse sistema precisaria produzir cerca de 7 toneladas de metano líquido e 22 toneladas de oxigênio líquido em 16 meses. Então você precisa descobrir onde é necessário plantar o módulo e iniciar o processamento para maximizar a produção, quantas escavadeiras RASSOR precisamos e quantas horas por dia elas terão que trabalhar. Também precisamos descobrir os tamanhos necessários do freezer de dióxido de carbono e do reator Sabatier e a quantidade de energia consumida por todo o equipamento.
Além disso, é necessário prever possíveis problemas, especificando exatamente quais falhas podem interromper a missão de processamento, atrasando a chegada da missão tripulada. Teremos que avaliar a probabilidade de cada uma das falhas para adicionar a redundância e duplicação necessárias ao sistema.
Para garantir que a robótica possa funcionar por anos sem manutenção e reparo, precisamos fabricá-la de acordo com especificações muito precisas. Todas as partes móveis não devem ser expostas a partículas destrutivas de poeira regolítica ou suportá-la. Você precisa melhorar as vedações ou fortalecer as partes móveis, e isso aumentará a complexidade e o peso do equipamento, a menos que tenhamos uma maneira engenhosa de contornar esse problema.
Também precisamos descobrir a densidade da mistura de regolito e gelo sob a superfície de Marte e desenvolver equipamentos de mineração de acordo. As escavadeiras existentes funcionam melhor em rególitos sólidos misturados com pedaços de gelo. Mas esse esquema não é adequado para quebrar grandes camadas de gelo duro. Precisamos de evidências convincentes da composição do gelo e do regolito abaixo da superfície de Marte, a fim de desenvolver a situação mais apropriada e equipamentos de mineração eficientes. Ou teremos que desenvolver ferramentas mais complexas e confiáveis que possam lidar com diferentes densidades de solo e gelo.
Também precisamos resolver os problemas do armazenamento a longo prazo de líquidos muito frios. Os tanques de armazenamento sob pressão e o isolamento estão sendo constantemente aprimorados, mas será que a tecnologia atual poderá trabalhar por muito tempo na superfície de Marte?
Nos próximos anos, a NASA estudará todas essas questões. Continuaremos a aumentar os recursos e a disponibilidade de todos os protótipos. Vamos tornar o robô RASSOR mais forte e mais leve e testá-lo em condições semelhantes às de Marte. Continuaremos a testar e integrar o fogão e o eletrolisador, e tentaremos dimensionar o freezer de dióxido de carbono e o reator Sabatier para confirmar que eles podem atender às necessidades da missão tripulada a Marte. Todo esse trabalho continuará para que nossa fábrica de protótipos de pó possa um dia se tornar um sistema totalmente operacional em Marte.