Tahun adalah 2038. Setelah 18 bulan hidup dan bekerja di permukaan Marikh, sepasukan enam penyelidik menaiki kapal angkasa dan kembali ke Bumi. Tidak ada satu jiwa yang tinggal di planet ini, tetapi kerja tidak berhenti di sini selama satu minit. Robot autonomi terus mengekstraksi mineral dan menyerahkannya untuk diproses ke kilang sintesis kimia, yang dibina beberapa tahun sebelum manusia pertama kali menjejakkan kaki ke Marikh. Kilang itu menghasilkan air, oksigen, dan bahan bakar roket dari sumber tempatan, secara rutin menyiapkan bekalan untuk ekspedisi seterusnya, yang akan tiba di sini dalam dua tahun.
Kilang robot ini bukan fiksyen sains. Ini adalah projek yang sedang diusahakan oleh beberapa pasukan saintifik agensi aeroangkasa NASA. Salah satunya, Swamp Works, bekerja di Pusat Angkasa Kennedy di Florida. Kemudahan yang mereka kembangkan secara resmi disebut In situ Resource Utilization System (ISRU), tetapi orang yang mengusahakannya terbiasa memanggilnya sebagai kilang debu kerana mengubah debu biasa menjadi bahan bakar roket. Sistem ini suatu hari akan membolehkan manusia hidup dan bekerja di Marikh, dan kembali ke Bumi apabila diperlukan.
Mengapa mensintesis apa-apa di Marikh sama sekali? Mengapa tidak membawa semua yang anda perlukan dari Bumi? Masalahnya adalah kos kesenangan ini. Menurut beberapa anggaran, penghantaran satu kilogram muatan (misalnya, bahan bakar) dari Bumi ke Marikh - iaitu, meletakkan kilogram ini ke orbit Bumi rendah, menghantarnya ke Marikh, memperlahankan kapal angkasa ketika memasuki orbit planet dan akhirnya mendarat dengan selamat di permukaan - akan diperlukan bakar 225 kilogram bahan bakar roket. Nisbah 225: 1 masih berkesan. Dalam kes ini, angka yang sama akan menjadi tipikal ketika menggunakan kapal angkasa apa pun. Maksudnya, untuk mengirimkan satu ton air, oksigen atau peralatan teknikal yang sama ke Planet Merah, 225 tan bahan bakar roket perlu dibakar. Satu-satunya cara untuk menyelamatkan diri dari aritmetik yang mahal adalah dengan menghasilkan air anda sendiri,oksigen atau bahan bakar yang sama di tempatnya.
Beberapa kumpulan penyelidikan dan kejuruteraan di NASA sedang berusaha menyelesaikan pelbagai aspek masalah ini. Sebagai contoh, pasukan Swamp Works di Kennedy Space Center baru-baru ini mula mengumpulkan semua modul individu untuk sistem perlombongan. Loji ini adalah prototaip awal, tetapi menggabungkan semua butiran yang diperlukan untuk mengendalikan kilang pengumpulan habuk.
Rancangan jangka panjang NASA bertujuan menjajah Marikh, tetapi sekarang agensi itu menumpukan seluruh tenaga dan perhatiannya pada Bulan. Oleh itu, pengesahan sebahagian besar peralatan yang dikembangkan akan dilakukan terlebih dahulu di permukaan bulan, yang pada gilirannya akan menyelesaikan semua masalah yang mungkin berlaku untuk mengelakkannya pada masa akan datang ketika menggunakan pemasangan di Mars.
Debu dan kotoran pada badan ruang luar angkasa biasanya disebut regolith. Secara umum, kita berbicara tentang batu vulkanik, yang selama beberapa juta tahun, di bawah pengaruh pelbagai keadaan cuaca, berubah menjadi serbuk halus. Di Marikh, di bawah lapisan mineral besi korosif yang memberikan planet ini warna kemerahan yang terkenal, terletak lapisan tebal struktur silikon dan oksigen yang digabungkan dengan besi, aluminium dan magnesium. Pengekstrakan bahan-bahan ini adalah tugas yang sangat sukar, kerana rizab dan konsentrasi bahan-bahan ini dapat berbeza-beza dari satu kawasan planet ke wilayah yang lain. Malangnya, tugas ini semakin rumit oleh graviti rendah Mars - menggali dalam keadaan seperti itu, memanfaatkan kelebihan massa, jauh lebih sukar. Di Bumi, kita biasanya menggunakan mesin besar untuk perlombongan. Ukuran dan berat badan mereka memungkinkan anda membuat usaha yang cukup untuk "menggigit" tanah. Membawa kemewahan seperti itu ke Marikh sama sekali tidak boleh diterima. Ingat masalah kos? Dengan setiap gram yang dihantar ke Mars, harga keseluruhan pelancaran akan meningkat dengan stabil. Oleh itu, NASA sedang berusaha untuk melombong mineral di Planet Merah menggunakan peralatan ringan.
Penggali ruang. NASA sedang mengembangkan penggali robot dengan dua baldi dram yang bertentangan berputar ke arah yang berlawanan antara satu sama lain. Pendekatan ini akan membolehkan mesin beroperasi dalam keadaan graviti rendah dan menghilangkan keperluan daya yang besar.
Temui RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), pelombong autonomi yang direka dengan tujuan tunggal untuk menggali regolith dalam persekitaran graviti rendah. Semasa mengembangkan RASSOR (dibaca sebagai "pisau cukur" - dari bahasa Inggeris "pisau"), jurutera NASA memberi perhatian khusus pada sistem pemacu kuasanya. Yang terakhir ini terdiri daripada motor, kotak gear dan mekanisme lain yang membentuk sebahagian besar keseluruhan pemasangan. Ia menggunakan motor tanpa bingkai, brek elektromagnetik, dan, antara lain, kotak titanium bercetak 3D untuk meminimumkan berat dan isipadu keseluruhan struktur. Hasilnya, sistem ini mempunyai berat sekitar setengah berbanding dengan pemacu lain dengan spesifikasi yang serupa.
Video promosi:
Untuk menggali, RASSOR menggunakan dua baldi dram pembangkang, masing-masing dilengkapi dengan beberapa gigi untuk merebut bahan. Semasa mesin bergerak, baldi dram berputar. Penggerak yang menahannya diturunkan dan dram, berongga di dalam, secara harfiah memotong lapisan atas permukaan regolith. Dengan kata lain, penuai hanya mengambil lapisan atas bahan, dan bukannya menggali lebih dalam. Satu lagi ciri utama RASSOR adalah reka bentuk peninju - drum berputar ke arah yang berbeza. Ini menghilangkan keperluan banyak usaha untuk menarik tanah dalam keadaan graviti rendah.
Sebaik sahaja drum RASSOR penuh, robot berhenti mengumpul dan bergerak ke arah kilang kitar semula. Untuk memunggah regolith, mesin hanya memutar drum ke arah yang bertentangan - bahan jatuh melalui lubang yang sama di drum di mana ia dikumpulkan. Kilang ini mempunyai lengan angkat robotnya sendiri yang mengumpulkan regolith yang dihantar dan menghantarnya ke tali pinggang muat kilang, yang seterusnya menghantar bahan ke relau vakum. Di sana, regolith akan dipanaskan hingga suhu tinggi. Molekul-molekul air yang terkandung dalam bahan akan diletupkan oleh blower gas kering dan kemudian dikumpulkan menggunakan termostat penyejuk.
Anda mungkin tertanya-tanya: "Bukankah regolit Martian awalnya kering?" Kering, tetapi tidak di mana-mana. Semuanya bergantung pada tempat dan seberapa dalam anda menggali. Di beberapa kawasan di planet ini, terdapat seluruh lapisan ais air hanya beberapa sentimeter di bawah permukaan. Lebih rendah lagi mungkin terdapat kapur sulfat dan batu pasir, yang dapat memuat hingga sekitar 8 persen air dari jumlah keseluruhan massif.
Selepas pemeluwapan, regolith yang dihabiskan dilemparkan kembali ke permukaan, di mana RASSOR dapat mengambilnya dan membawanya ke tempat yang lebih jauh dari kilang. "Sampah" ini sebenarnya merupakan bahan yang sangat berharga karena dapat digunakan untuk membuat struktur pertahanan untuk penempatan, serta jalan dan tempat pendaratan menggunakan teknologi pencetakan 3D, yang juga dikembangkan di NASA.
Skema perlombongan di Marikh dalam gambar:
Pembangunan: Robot beroda mengambil regolith dengan baldi berputar dengan lubang sampel.
Pengangkutan: Baldi dram berputar terbalik melepaskan regolith ke lengan robot kilang.
Pemprosesan: Untuk mengeluarkan air dari regolith, dipanaskan di dalam tungku, di mana elektrolisis hidrogen dan oksigen berlaku.
Pemindahan: Setelah menerima sejumlah bahan, lengan robot lain, yang dilengkapi dengan sistem tertutup pelindung khas, memasukkannya ke kapal tangki robot bergerak.
Penghantaran: Kapal tangki menghantar air, oksigen dan metana ke rumah orang dan memunggahnya ke tangki simpanan jangka panjang.
Penggunaan dan Penyimpanan: Angkasawan akan menggunakan air dan oksigen untuk bernafas dan menanam tumbuhan; bahan bakar akan disimpan sebagai cecair kriogenik untuk kegunaan masa depan.
Semua air yang akan diekstrak dari regolith akan disucikan dengan sempurna. Modul pemurnian akan terdiri daripada sistem penyaringan berbilang fasa serta beberapa substrat penyahtinjaan.
Cecair itu tidak hanya akan digunakan untuk minum. Ia akan menjadi komponen penting untuk pengeluaran bahan bakar roket. Apabila molekul H2O dipisahkan oleh elektrolisis menjadi molekul hidrogen (H2) dan oksigen (O2), dan kemudian dimampatkan dan diubah menjadi cecair, mungkin untuk mensintesis bahan bakar dan pengoksidasi, yang paling sering digunakan dalam mesin roket propelan cecair.
Cabarannya terletak pada kenyataan bahawa hidrogen cair mesti disimpan pada suhu yang sangat rendah. Untuk melakukan ini, NASA ingin menukar hidrogen menjadi bahan bakar yang paling senang disimpan: metana (CH4). Bahan ini dapat diperoleh dengan menggabungkan hidrogen dan karbon. Di mana untuk mendapatkan karbon di Marikh?
Nasib baik, terdapat banyak di Planet Merah. Suasana Mars ialah 96 persen molekul karbon dioksida. Menangkap karbon ini adalah tugas penyejuk beku khusus. Secara sederhana, ia akan menghasilkan ais kering di udara.
Setelah menerima hidrogen dengan elektrolisis dan mengeluarkan gas karbon dari atmosfera, menggunakan proses kimia - reaksi Sabatier - mereka dapat digabungkan menjadi metana. Untuk ini, NASA sedang membangunkan reaktor khas. Ini akan mewujudkan tekanan dan suhu yang diperlukan untuk menyokong penukaran hidrogen dan karbon dioksida menjadi metana dan air sebagai produk sampingan.
Perincian lain yang menarik dari kilang pemprosesan adalah lengan robotik untuk memindahkan cecair ke kapal tangki bergerak. Perkara yang tidak biasa mengenai sistem ini adalah bahawa ia dilindungi khas dari persekitaran luaran dan, khususnya, debu. Debu Regolitik sangat halus dan dapat menembusi hampir di mana-mana. Oleh kerana regolit itu sendiri terdiri dari batuan vulkanik yang runtuh, batu karang itu sangat kasar (melekat pada segalanya secara harfiah), yang dapat menimbulkan masalah serius dalam pengoperasian peralatan. Misi bulan NASA pada masa lalu telah menunjukkan betapa bahayanya bahan ini. Ini melanggar pembacaan elektronik, menyebabkan kemacetan mekanisme, dan juga menjadi penyebab kerosakan fungsi pengawal suhu. Perlindungan saluran penghantaran elektrik dan cecair lengan robot, serta elektronik yang sangat sensitif,adalah salah satu keutamaan tertinggi bagi para saintis.
Memprogram lengan robotik untuk menyambung ke kapal tangki bergerak. Manipulator akan digunakan untuk mengisi bahan bakar kapal tangki dengan bahan bakar cair, air dan oksigen.
Di setiap sisi ruang pusar, dipasang di lengan robot, ada pintu yang berfungsi sebagai kunci udara untuk mencegah debu keluar dari semua saluran dalaman. Tiga langkah diperlukan untuk menghubungkan ruang ke mekanisme kapal tangki: Pertama, setelah mengisi ruang, pintu mesti ditutup dengan selamat di kedua sisi untuk membuat penghalang anti-debu pelindung. Kedua, di setiap pintu ruang umbilik, perlu membuka lubang pengedap kecil di mana akses ke saluran pemindahan sumber yang dipasang pada plat bergerak khas akan disediakan. Ketiga, diperlukan untuk menyelaraskan kedudukan saluran transmisi ruang umbilik dan saluran untuk menerima bahan oleh mekanisme tangki, menghubungkan kedua-dua penyambung elektrik dan cecair dengan tepat.
Lengan robot kilang pemprosesan bahan bakar akan meletakkan ruang umpan di atas kapal tangki robot bergerak dan kemudian memunggah bahan yang dihasilkan. Sistem pengisian dalam kes ini akan sangat serupa dengan stesen pengisian di Bumi, tetapi bersama dengan petrol, ia akan mengepam air. Atau oksigen cair. Atau metana cair. Atau sekaligus.
Baru-baru ini, jurutera yang terlibat dalam pembangunan projek ini melakukan demonstrasi ujian pemasangan di Florida. Pada tahap ini, para saintis harus menggunakan model proses elektrolisis dan tungku itu sendiri untuk mengurangkan biaya dan kerumitan pemasangan. Di samping itu, simulasi dilakukan untuk mendapatkan tiga produk yang diproses menggunakan air. Tetapi dalam kes ini, kedua-dua prototaip perkakasan dan perisian telah digunakan untuk semua bahagian pemasangan.
Dengan menyatukan semua kepingan itu, para jurutera Swamp Works dapat mengetahui sama ada terdapat masalah reka bentuk, dan juga untuk mengenal pasti beberapa butiran penting yang tidak mungkin dapat ditentukan apakah ujian tersebut telah dilakukan pada tahap terakhir pembangunan dan integrasi. Menurut pemaju, prototaip cepat dan integrasi awal adalah pendekatan khas untuk kerja pasukan mereka. Berkat ini, anda dapat mengetahui prestasi idea dengan cepat, dan juga mengenal pasti semua kekurangan yang ada pada peringkat awal.
Inti dari kilang roket dan bahan bakar Martian adalah bahawa semua peralatan ini akan dibungkus dalam kotak kecil yang mudah dihantar, dihantar ke Planet Merah, dan kemudian dibongkar sendiri dan akan mula melaksanakan tugasnya sebelum orang pertama tiba di Marikh. Pembangunan misi berawak ke Marikh akan bergantung pada kecekapan kilang autonomi ini. Bagaimanapun, tanpanya, orang tidak akan dapat kembali ke Bumi pada akhir jam tangan mereka. Di samping itu, NASA juga mempunyai pasukan yang berusaha mengembangkan semua jenis makanan (termasuk kentang). Tanaman baru ini dirancang untuk ditanam, sekali lagi dengan cara yang otonom, selama pengiriman orang ke Mars dan penerbangan mereka kembali ke Bumi, agar orang selalu mendapat panen segar.
Secara amnya, projek ini sungguh besar dan memerlukan persiapan yang rapi.
NASA mempunyai pengalaman luas dengan peninjau dan pendarat autonomi di Marikh. Sebagai contoh, peninjau Mars yang paling baru - Curiosity, yang mendarat di Planet Merah pada tahun 2012 dan Mars 2020, yang akan pergi ke sana pada tahun 2020 - memiliki dan akan mempunyai tahap autonomi yang tinggi. Walau bagaimanapun, penciptaan, penghantaran dan penggunaan kilang roket dan bahan bakar Martian dalam jangka panjang dan dengan tahap autonomi maksimum akan memerlukan penggunaan teknologi yang akan membawa kejuruteraan ruang ke tahap yang sama sekali baru.
Untuk menguji penggali robot, NASA menggunakan kawasan tertutup yang dipenuhi dengan lebih dari seratus tan batuan gunung berapi yang dihancurkan. Mineral berfungsi sebagai lawan debu Martian yang terbaik dan paling kasar.
Untuk memulakan penjajahan ruang angkasa, saintis dan jurutera harus menyelesaikan banyak masalah teknikal. Sebagai contoh, sangat penting untuk menentukan sama ada setiap subsistem yang dibangunkan di kemudahan pengekstrakan sumber semula jadi di Mars sesuai untuk peningkatan. Adakah dia akan dapat memenuhi semua kebutuhan dan mencapai tingkat kapasitas yang diperlukan dalam rangka misi berawak ke Planet Merah.
Menurut anggaran baru-baru ini oleh pakar NASA, sistem sedemikian dalam masa 16 bulan akan menghasilkan kira-kira 7 tan metana cair dan kira-kira 22 tan hidrogen cecair. Berdasarkan ini, untuk mendapatkan pulangan maksimum, perlu menentukan tempat yang paling tepat untuk mengerahkan kilang untuk mengumpulkan dan memproses sumber dengan tepat. Di samping itu, perlu dikira berapa banyak penggali RASSOR yang perlu dihantar ke Mars, serta berapa jam setiap hari mereka perlu bekerja untuk mencapai rancangan pengeluaran tertentu. Pada akhirnya, anda perlu memahami seberapa besar pembeku karbon, reaktor Sabatier, dan berapa banyak tenaga yang akan digunakan oleh semua bahan ini.
Para saintis juga perlu menjangkakan kemungkinan masalah force majeure yang boleh mengganggu pengekstrakan dan pemprosesan sumber, berpotensi menunda pengiriman ekspedisi berikutnya ke Planet Merah. Adalah perlu untuk menilai semua kemungkinan risiko yang berkaitan dengan masalah-masalah ini dan mengembangkan terlebih dahulu cara-cara yang betul dan cepat untuk menyelesaikannya, mungkin melengkapkan sistem dengan unsur-unsur yang berlebihan untuk menggantikan peralatan yang gagal untuk sementara waktu.
Adalah perlu untuk memastikan bahawa teknologi robot dapat mengekalkan aktiviti operasi tanpa gangguan dan memerlukan penyelenggaraan selama beberapa tahun, sehingga pengembangannya akan dilakukan sesuai dengan standar yang ditetapkan. Sebagai contoh, perlu meminimumkan jumlah bahagian bergerak yang digunakan. Oleh itu, mungkin untuk mengurangkan kesan debu regolith terhadap kecekapan keseluruhan sistem. Sekiranya anda mendekati masalah dari sisi lain dan mula mengembangkan bahagian yang bergerak dengan rintangan debu yang lebih tinggi, maka ini bukan sahaja akan menyulitkan keseluruhan sistem secara keseluruhan, tetapi juga menambah berat badan tambahan, yang, seperti yang telah disebutkan, setara dengan emas.
Para saintis juga harus mengetahui bagaimana dan dalam bahagian berapa regolit halus dan padat dicampurkan dengan ais di bawah permukaan Marikh. Data ini akan membantu anda menyediakan penggali untuk pengekstrakan sumber dengan lebih cekap. Sebagai contoh, versi semasa baldi RASSOR sangat sesuai untuk mengumpulkan regolith yang dicampur dengan ketulan ais. Walau bagaimanapun, reka bentuk ini akan kurang berkesan apabila perlu "menggigit" lapisan ais padat yang lebih besar. Untuk mengembangkan peralatan yang lebih sesuai, perlu mendapatkan pemahaman yang tepat mengenai pengedaran ais di Mare. Pilihan lain adalah untuk membangunkan peralatan yang lebih kuat, lebih kompleks, lebih berat dan lebih serba boleh yang dapat menangani sebarang jenis ketumpatan tanah dan ais. Tetapi, sekali lagi, ini adalah pembaziran tambahan.
Masih perlu untuk menyelesaikan masalah-masalah yang berkaitan dengan penyimpanan lama cecair sejuk. Teknologi untuk menyimpan bahan dan bahan di bawah tekanan tinggi sentiasa bertambah baik, tetapi adakah teknologi moden dapat berfungsi di permukaan Marikh untuk waktu yang lama?
Secara umum, pada tahun-tahun mendatang, para saintis NASA akan menangani semua masalah yang bermasalah ini. Jurutera Swamp Works, pada gilirannya, akan terus meningkatkan kecekapan dan ketersediaan semua komponen sistem mereka yang dikembangkan. Penggali dirancang untuk dibuat lebih kuat dan lebih ringan. Selepas itu, dirancang untuk mula mengujinya secara buatan dan sedekat mungkin dengan keadaan Martian. Para saintis juga ingin meningkatkan kualiti dan kecekapan tungku, sistem elektrolisis, dan mengembangkan model reaktor Sabatier dan kilang penyejukan yang dapat ditingkatkan untuk pengeluaran karbon. Pemaju yakin bahawa penyelesaian ini dan banyak masalah lain akan membawa kepada fakta bahawa prototaip pengumpulan habuk akan berhenti menjadi prototaip dan, pada akhirnya, akan melakukan kerja sebenar di permukaan Mars.menyediakan semua penjajah masa depan dengan segala sumber yang diperlukan untuk hidup.
Nikolay Khizhnyak
