工程师正在建造一个原型机器人工厂，该工厂将在火星表面产生水，氧气和燃料
火星人：艺术家对可以在火星上赚钱的挖掘机机器人的愿景，比第一个人类踏上地球早2038年。 经过18个月的生命和在火星表面的工作，一个由6名研究人员组成的小组陷入了太空运输火箭，并飞向地球。 人们不会留下来，但没有他们就会继续工作：自动机器人将继续采矿和化学合成，这是他们在首次载人飞行任务降落到地球上之前的多年。 该工厂使用当地资源供应水，氧气和燃料油，并将有条不紊地为下一个火星任务（将在两年内到达）创建所有必要的材料。
这个机器人工厂不是科幻小说。 许多NASA团队都参与了其开发。 其中之一是佛罗里达州
肯尼迪航天中心的沼泽工程实验室，我是该实验室的负责人。 正式地，它被称为现场资源利用（ISRU）系统，但是我们喜欢称其为“粉尘推力工厂”，因为它可以将简单的粉尘转化为火箭燃料。 有一天，这项技术将使人们能够在火星上生活和工作-然后回到地球谈论它。
但是，为什么要在火星上合成物质，难道不容易将它们从地球上释放出来吗？ NASA将此解释为“齿轮比问题”。 据一些估计，要从地球向火星运送一公斤燃料，今天的火箭每次飞行将需要燃烧225公斤燃料-进入地球的低轨道，飞向火星，减速进入火星轨道，然后减速以安全着陆。 我们从226公斤燃油开始，得到1公斤，即传动比为226：1。 不管我们运输什么，这个数字都不会改变。 我们将需要225吨燃料来运输吨水，吨氧气和吨设备。 解决这种残酷算法的唯一方法是在原位生成水，氧气和燃料。
NASA的各种研究和工程团队正在研究此问题的不同部分。 最近，我们的
Swamp Works团队开始集成许多单独的工作模块，以演示整个闭环系统。 这仍然是一个原型，但是它展示了使我们的除尘工厂成为现实的所有必要部件。 尽管长期计划是飞往火星，但月球将成为中间步骤。 大多数设备将首先在月球表面进行测试和调整，从而降低了将其立即发送至火星所带来的风险。
任何天体上的污垢或尘埃通常被称为
巨石 。 大多数情况下，它只是一块被摧毁或腐蚀的火山石，随着时间的流逝会变成细尘。 在火星上，一层生锈的含铁矿物质赋予行星以著名的红色调，下面是一层较厚的硅酸盐，例如长石，辉石和橄榄石-它们全部由硅和氧结构组成，并与铁，铝和镁等金属结合。
由于它们的密度和紧密度根据行星上的位置而变化，因此提取这些材料变得很复杂。 低火星重力也使任务复杂化，这使得很难在不使用铲子重量的情况下将铲子推入地面。 在地球上挖掘土壤时，我们经常使用大型机制，因为它们的严重性会对作用在小得多的铲斗上的力做出相应的反应。 但是，请记住传动比：在火星上发射的每一公斤都是珍贵的，对我们来说非常昂贵。 因此，我们需要弄清楚如何使用非常轻的设备对火星表面进行挖掘。
太空挖掘机：美国国家航空航天局（NASA）正在开发一种机器人挖掘机，该挖掘机带有相对的鼓形铲斗，该铲斗可以咬向土壤，并沿相反的方向旋转。 这种方法消除了挖掘所需的大部分力，从而使机器人可以在低重力下工作。然后是RASSOR（Regolith高级表面系统操作机器人）[一种用于表面处理的高级regolithic机器人； 发音为razor（eng。razor）/大约。 翻译]。 这是一种自动采矿设备，旨在在低重力条件下挖出碎屑。 在开发RASSOR时，NASA工程师特别注意其动力传输系统。 在机器人中，传动是通过电动机，变速箱和其他占系统最终重量很大一部分的机构进行的。 在我们的电路中，我们使用3D打印机上打印的无框电机，电磁制动器和钛金属表壳，以及更多一些以最小化体积和重量。 这些努力是有道理的：我们的系统比具有类似特性的商用电力系统轻一半。
RASSOR使用两个相对的鼓形铲斗进行挖掘，并配有几个小齿铲。 当鼓旋转时，握住它们的手咬进土壤，当勺向前缓慢移动时，它们会在每个勺子中捡起少量的碎石。 结果是轨道较浅而不是深孔。 里面的旋转挖掘鼓是空的，因此它们可以收集和存储开采的碎屑。 RASSOR的另一个主要特点是，在挖掘时，滚筒会沿相反的方向旋转。 这种方法消除了挖掘所需的大部分力，从而使机器人可以在低重力下工作。
RASSOR装满鼓，举起手去加工厂。 为了卸出碎石，机器人会沿相反的方向旋转滚筒，然后从挖出碎石的相同勺子中倒出碎石。 特殊的升降机将一部分碎石运送到工厂平台，然后将其转移到密封关闭并开始预热的炉子中。 连接到重灰石的水分子被风扇吹走并收集在冷凝器管中。
您可能会问：“火星人不会变干吗？” 答案是，一切都很复杂。 这完全取决于在哪里进行挖掘以及如何进行深入挖掘。 在火星的某些地方，显然，在水面以下仅几米处是连续的水冰层。 在低纬度地区有石膏沙丘，其中含水量高达8％。
除去水的重石块被扔到地上，以便RASSOR可以将其收集并带走。 这些“废物”可以使用NASA目前正在开发的3D打印技术来建造防护结构，甚至是道路和着陆点。
战利品：轮式机器人矿工使用配备了露齿铲的旋转鼓重新打滑
运输：沿相反方向旋转桶，机器人将收集的岩石倾倒到电梯中
加工：炉子加热重灰石提取水， 通过电解将水分为H 2和O 2 。 使用Sabatier反应，将H 2与在大气中收集的CO 2合并以提供甲烷燃料。
移动：带有摄像头的机械臂，该摄像头配有密封门，可防止灰尘进入，将液体移动到移动槽中
输送：储罐将水，氧气和甲烷输送到人类栖息地和长期储罐。
使用和储存：宇航员消耗水和氧气，也将其用于植物生长。 燃料以低温液体的形式存储，以备将来使用。从重水石提取的水被纯化。 该处理厂将多级过滤系统与去离子剂一起使用。
水不仅需要饮用：它还是火箭燃料的关键成分。 通过电解将H
2 O分子分离为氢H
2和氧O
2分子，然后分别压缩和液化这些气体，有可能合成燃料和氧化剂，最常用于使用液体燃料的火箭发动机。
问题在于液态氢必须在极低的温度下存储。 因此，美国国家航空航天局计划将氢转化为燃料，甲烷更容易存储：甲烷（CH
4 ）。 可以通过将氢与碳结合而获得。 但是火星上哪里有碳？
幸运的是，火星充满了碳。 火星大气层中的二氧化碳含量为96％。 二氧化碳冰柜负责收集碳； 它实质上使空气中的干冰融化。
从电解槽收集氢气并从大气中收集二氧化碳后，由于化学过程（例如Sabatier反应），我们可以将它们合并为甲烷。 NASA开发的特殊反应器可产生支持反应所需的压力和温度，其结果是氢和二氧化碳转化为甲烷，将水作为废物释放。
工厂中的下一个机器是带有密封腔室的机械臂，该腔室将液体转移到外部罐中。 相机的特殊设计是为了防止灰尘进入，这是不寻常的。 碎石尘埃非常细，可渗透到各处。 由于粉煤灰是由碎火山岩组成，因此非常磨蚀并对设备有害。 美国宇航局的登月任务
表明 ，重石造成了许多问题，包括仪器读数不正确，机构污染，绝缘故障和温度控制故障。 因此，至关重要的是，不要让它渗透到机械臂，电触点，导流管或敏感的电子设备中。
Kurt Loyt正在对机器人手臂进行编程，以将填充软管连接到移动式储罐。 软管的设计目的是将液体燃料，水和氧气填充到油箱中。roboruk的每一侧都有一组门，这些门以气锁的方式工作，并且不允许灰尘进入。 连接需要三个阶段：在第一阶段，关闭的门，关闭的门相互压紧，并且周围的密封件形成了一个不透灰尘的屏障。 在第二阶段，被密封剂保护的门打开，露出固定在移动平台上的连接器。 在最后阶段，移动平台，连接所有的电气和流体连接器。
Roboruka加油站将拿起相机并将其放下至移动油箱，连接至该油箱并卸下最终产品。 从这个意义上讲，处理系统类似于加油站，但是它可以代替汽油而不是汽油。 或液态氧。 或液态甲烷。 或所有这些在一起！
我们最近在Swamp Works实验室展示了该工厂。 目前，我们必须模拟炉子和电解，以降低项目的成本和复杂性。 我们还在所有情况下都用水模拟了最终产品。 但是对于所有其他部分，都使用了工作正常的硬件和软件原型。
将所有子系统放在一起，我们研究了问题和失败，并吸取了一些本应避免的重要教训；仅在开发和测试结束时才组装整个系统。 这是Swamp Works的主要原则之一：快速原型设计和早期集成，它使您能够快速证明电路的效率并在早期阶段发现故障。
火星燃料实验室的想法是将其装在一个整齐的盒子中，然后发送到火星，在人们到达之前很久就部署并发射到地球表面。 甚至在宇航员从地球发射升空之前，载人火星飞行任务将取决于在返回途中自动生产和储存燃料。 NASA也有团队思考如何在飞行中以及在火星上种植不同的产品。 包括土豆。
在此刻之前还会发生什么？ 很多
NASA在使用单独的着陆器和在火星表面运行的独立全地形车方面拥有多年的经验。 最近的全地形车-好奇号于2012年问世，而全地形车Mars 2020将于2020年推出-具有一定程度的自主性。 但是，这个火星燃料工厂的复杂性，较长的运行时间以及这种系统所需的自治级别将任务提升到了一个全新的高度。
吨尘：美国宇航局使用密闭空间中堆积着超过100吨碎火山岩来测试挖掘机机器人。 该材料类似于位于火星表面的极细且具有磨蚀性的粉尘。在开始这样的任务之前，我们需要克服许多技术障碍。 最关键的问题之一是，是否有可能扩展我们的加工厂的每个子系统，以满足有人值守任务的要求。 最近的研究表明，这样的系统将需要在16个月内生产约7吨液态甲烷和22吨液态氧。 然后，您需要找出需要在哪里安装模块并开始进行处理，以使输出最大化，我们需要多少RASSOR挖掘机以及每天需要工作几个小时。 我们还需要找出所需的二氧化碳冰柜和Sabatier反应器的尺寸以及所有设备消耗的能量。
此外，有必要预见可能的问题，准确指出哪些故障会中断处理任务，从而延迟有人值守任务的到达。 我们将必须评估每种故障的可能性，以便为系统添加必要的冗余和重复。
为确保机器人技术能够在无需维护和维修的情况下工作多年，我们需要根据非常精确的规格进行制造。 所有运动部件都不得暴露于易碎的碎石尘埃颗粒中，也不能承受。 您需要改善密封性或加强活动部件，否则将增加设备的复杂性和重量，除非我们提出一些巧妙的方法来解决此问题。
我们还需要找出火星表面下方的go石和冰的混合物的密度，并相应地开发采矿设备。 现有的挖掘机在混合有碎冰的固体碎石上效果最佳。 但是这种方案不适合打破大块的硬冰。 我们将需要有说服力的证据来证明火星表面下的冰和碎屑组成，以便开发出最合适的情况和高效的采矿设备。 否则，我们将不得不开发更复杂，更可靠的工具，以应对不同密度的土壤和冰层。
我们还需要解决很冷液体的长期储存问题。 压力储存罐和绝缘材料正在不断改善，但是当前技术能否在火星表面上长期工作？
在接下来的几年中，NASA将研究所有这些问题。 我们将继续提高所有原型的功能和可用性。 我们将使RASSOR机器人更坚固，更轻，并在类似于火星人的条件下进行测试。 我们将继续测试和整合炉灶和电解池，并尝试扩大二氧化碳冰柜和Sabatier反应器的规模，以确认它们能够满足载人火星任务的需求。 所有这些工作将继续进行，以便我们的原型粉尘工厂有一天可以在火星上成为一个完全运行的系统。