Das Jahr ist 2038. Nach 18 Monaten Leben und Arbeiten auf der Marsoberfläche steigt ein Team von sechs Forschern in das Raumschiff ein und kehrt zur Erde zurück. Es gibt keine einzige lebende Seele mehr auf dem Planeten, aber die Arbeit hört hier keine Minute auf. Autonome Roboter fördern weiterhin Mineralien und liefern sie zur Verarbeitung an eine Fabrik für chemische Synthese, die mehrere Jahre vor dem ersten Betreten des Mars durch den Menschen gebaut wurde. Die Fabrik produziert Wasser, Sauerstoff und Raketentreibstoff aus lokalen Ressourcen und bereitet routinemäßig die Versorgung für die nächste Expedition vor, die in zwei Jahren hier eintreffen wird.
Diese Roboterfabrik ist keine Science-Fiction. Dies ist ein Projekt, an dem derzeit mehrere wissenschaftliche Teams der NASA-Agentur für Luft- und Raumfahrt arbeiten. Einer von ihnen, Swamp Works, arbeitet im Kennedy Space Center in Florida. Die Anlage, die sie offiziell entwickeln, wird als In-Situ-Ressourcennutzungssystem (ISRU) bezeichnet. Die Leute, die daran arbeiten, bezeichnen sie jedoch als Staubfabrik, da sie normalen Staub in Raketentreibstoff umwandelt. Dieses System wird es den Menschen eines Tages ermöglichen, auf dem Mars zu leben und zu arbeiten sowie bei Bedarf zur Erde zurückzukehren.
Warum überhaupt etwas auf dem Mars synthetisieren? Warum bringen Sie nicht einfach alles, was Sie brauchen, von der Erde dorthin? Das Problem sind die Kosten für dieses Vergnügen. Nach einigen Schätzungen muss ein Kilogramm Nutzlast (z. B. Treibstoff) von der Erde zum Mars geliefert werden - das heißt, dieses Kilogramm wird in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht, zum Mars geschickt, das Raumschiff beim Eintritt in die Umlaufbahn des Planeten verlangsamt und schließlich sicher auf der Oberfläche gelandet verbrennen 225 Kilogramm Raketentreibstoff. Das Verhältnis 225: 1 ist immer noch wirksam. In diesem Fall sind die gleichen Zahlen typisch für die Verwendung eines Raumfahrzeugs. Das heißt, um die gleiche Tonne Wasser, Sauerstoff oder technische Ausrüstung an den Roten Planeten zu liefern, müssen 225 Tonnen Raketentreibstoff verbrannt werden. Die einzige Möglichkeit, sich vor solch kostspieligen Berechnungen zu retten, besteht darin, eigenes Wasser zu produzieren. Sauerstoff oder der gleiche Kraftstoff vorhanden.
Mehrere Forschungs- und Ingenieurgruppen der NASA arbeiten an der Lösung verschiedener Aspekte dieses Problems. Zum Beispiel hat das Swamp Works-Team im Kennedy Space Center kürzlich damit begonnen, alle einzelnen Module für ein Bergbausystem zusammenzubauen. Die Anlage ist ein früher Prototyp, kombiniert jedoch alle Details, die für den Betrieb einer Staubsammelanlage erforderlich sind.
Der langfristige Plan der NASA zielt darauf ab, den Mars zu kolonisieren, aber jetzt konzentriert die Agentur ihre ganze Energie und Aufmerksamkeit auf den Mond. Daher wird die Überprüfung der meisten in der Entwicklung befindlichen Geräte zunächst auf der Mondoberfläche durchgeführt, wodurch alle möglichen Probleme gelöst werden, um sie in Zukunft bei Verwendung der Installation auf dem Mars zu vermeiden.
Staub und Schmutz auf einem außerirdischen Weltraumkörper werden üblicherweise als Regolith bezeichnet. Im Allgemeinen handelt es sich um ein Vulkangestein, das sich über mehrere Millionen Jahre unter dem Einfluss verschiedener Wetterbedingungen in ein feines Pulver verwandelt hat. Auf dem Mars befindet sich unter einer Schicht aus ätzenden Eisenmineralien, die dem Planeten seinen berühmten rötlichen Farbton verleihen, eine dicke Schicht aus Silizium- und Sauerstoffstrukturen in Kombination mit Eisen, Aluminium und Magnesium. Die Gewinnung dieser Materialien ist eine sehr schwierige Aufgabe, da die Reserven und die Konzentration dieser Substanzen von einem Gebiet des Planeten zum anderen variieren können. Leider wird diese Aufgabe durch die geringe Schwerkraft des Mars weiter erschwert - das Graben unter solchen Bedingungen unter Ausnutzung des Massenvorteils ist viel schwieriger. Auf der Erde verwenden wir normalerweise große Maschinen für den Bergbau. Ihre Größe und ihr Gewicht ermöglichen es Ihnen, sich genug Mühe zu geben, um in den Boden zu "beißen". Einen solchen Luxus zum Mars zu tragen, wäre völlig unzulässig. Erinnern Sie sich an das Kostenproblem? Mit jedem Gramm, das zum Mars geschickt wird, steigt der Preis für den gesamten Start stetig. Daher arbeitet die NASA daran, wie Mineralien auf dem Roten Planeten mit leichten Geräten abgebaut werden können.
Weltraumbagger. Die NASA entwickelt einen Roboterbagger mit zwei gegenüberliegenden Trommeleimern, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Dieser Ansatz ermöglicht es der Maschine, unter Bedingungen mit geringer Schwerkraft zu arbeiten und große Kräfte zu vermeiden.
Lernen Sie RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) kennen, einen autonomen Bergmann, der ausschließlich zum Graben von Regolithen in Umgebungen mit geringer Schwerkraft entwickelt wurde. Bei der Entwicklung des RASSOR (gelesen als "Rasierer" - von der englischen "Klinge") haben die NASA-Ingenieure besonderes Augenmerk auf sein Antriebssystem gelegt. Letztere bestehen aus Motoren, Getrieben und anderen Mechanismen, die den Großteil der gesamten Installation ausmachen. Es verwendet rahmenlose Motoren, elektromagnetische Bremsen und unter anderem 3D-gedruckte Titangehäuse, um das Gesamtgewicht und -volumen der Struktur zu minimieren. Infolgedessen hat das System im Vergleich zu anderen Laufwerken mit ähnlichen Spezifikationen etwa die Hälfte des Gewichts.
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Zum Graben verwendet RASSOR zwei gegenüberliegende Trommeleimer, die jeweils mit mehreren Zähnen ausgestattet sind, um Material zu greifen. Wenn sich die Maschine bewegt, drehen sich die Trommelschaufeln. Die Aktuatoren, die sie halten, werden abgesenkt und die Trommeln, die innen hohl sind, schneiden buchstäblich die oberste Schicht des Oberflächenregolithen ab. Mit anderen Worten, der Mähdrescher nimmt nur die oberste Materialschicht auf, anstatt tiefer zu graben. Ein weiteres wichtiges Merkmal von RASSOR ist das Boxer-Design - die Trommeln drehen sich in verschiedene Richtungen. Dadurch entfällt der Aufwand für das Ziehen des Bodens unter Bedingungen mit geringer Schwerkraft.
Sobald die RASSOR-Fässer voll sind, sammelt der Roboter nicht mehr und bewegt sich in Richtung Recyclinganlage. Zum Entladen des Regolithen dreht die Maschine die Trommeln einfach in die entgegengesetzte Richtung - das Material fällt durch dieselben Löcher in den Trommeln, durch die es gesammelt wurde. Die Fabrik verfügt über einen eigenen Roboter-Hebearm, der den gelieferten Regolith sammelt und an das Ladeband der Fabrik sendet, das seinerseits das Material zum Vakuumofen liefert. Dort wird der Regolith auf hohe Temperaturen erhitzt. Die im Material enthaltenen Wassermoleküle werden von einem Trockengasgebläse ausgeblasen und dann mit einem Kühlthermostat gesammelt.
Sie fragen sich vielleicht: "Ist der Mars-Regolith nicht ursprünglich trocken?" Trocken, aber nicht überall. Es hängt alles davon ab, wo und wie tief Sie graben. In einigen Gebieten des Planeten befinden sich nur wenige Zentimeter unter der Oberfläche ganze Schichten von Wassereis. Noch tiefer können sich Sulfatkalk und Sandsteine befinden, die bis zu 8 Prozent Wasser aus der Gesamtmasse des Massivs enthalten können.
Nach der Kondensation wird der verbrauchte Regolith an die Oberfläche zurückgeworfen, wo RASSOR ihn aufheben und an einen weiter von der Fabrik entfernten Ort bringen kann. Dieser „Abfall“ist tatsächlich ein sehr wertvolles Material, da damit mithilfe von 3D-Drucktechnologien, die ebenfalls bei der NASA entwickelt werden, Verteidigungsstrukturen für Siedlungen sowie Straßen und Landeplätze geschaffen werden können.
Das Schema des Bergbaus auf dem Mars in Bildern:
Entwicklung: Ein fahrbarer Roboter nimmt Regolith mit rotierenden Eimern mit Probenahmelöchern auf.
Transport: Umgekehrte rotierende Trommelschaufeln entladen den Regolithen in den Roboterarm der Fabrik.
Verarbeitung: Um dem Regolith Wasser zu entziehen, wird es in einem Ofen erhitzt, in dem die Elektrolyse von Wasserstoff und Sauerstoff stattfindet.
Transfer: Nach Erhalt eines bestimmten Volumens der Substanz lädt ein anderer Roboterarm, der mit einem speziellen geschlossenen Schutzsystem ausgestattet ist, diesen auf den mobilen Robotertanker.
Lieferung: Der Tanker liefert Wasser, Sauerstoff und Methan an die Häuser der Menschen und entlädt sie in Langzeitlagertanks.
Verwendung und Lagerung: Astronauten verwenden Wasser und Sauerstoff, um Pflanzen zu atmen und zu züchten. Der Kraftstoff wird für die zukünftige Verwendung als kryogene Flüssigkeit gelagert.
Alles Wasser, das aus dem Regolith extrahiert wird, wird gründlich gereinigt. Das Reinigungsmodul besteht aus einem Mehrphasenfiltrationssystem sowie mehreren Entionisierungssubstraten.
Die Flüssigkeit wird nicht nur zum Trinken verwendet. Es wird ein wesentlicher Bestandteil für die Herstellung von Raketentreibstoff. Wenn H2O-Moleküle durch Elektrolyse in Wasserstoff- (H2) und Sauerstoffmoleküle (O2) gespalten und dann komprimiert und in eine Flüssigkeit umgewandelt werden, können Kraftstoff und Oxidationsmittel synthetisiert werden, die am häufigsten in Raketentriebwerken mit flüssigem Treibstoff verwendet werden.
Die Herausforderung liegt in der Tatsache, dass flüssiger Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen gespeichert werden muss. Zu diesem Zweck möchte die NASA Wasserstoff in den am einfachsten zu speichernden Kraftstoff umwandeln: Methan (CH4). Diese Substanz kann durch Kombination von Wasserstoff und Kohlenstoff erhalten werden. Woher bekommt man Kohlenstoff auf dem Mars?
Glücklicherweise gibt es viel davon auf dem Roten Planeten. Die Marsatmosphäre besteht zu 96 Prozent aus Kohlendioxidmolekülen. Das Auffangen dieses Kohlenstoffs ist die Aufgabe eines speziellen Gefrierschranks. In einfachen Worten, es entsteht Trockeneis aus der Luft.
Nachdem sie durch Elektrolyse Wasserstoff erhalten und mithilfe eines chemischen Verfahrens - der Sabatier-Reaktion - Kohlenstoffgas aus der Atmosphäre extrahiert haben, können sie zu Methan kombiniert werden. Zu diesem Zweck entwickelt die NASA einen speziellen Reaktor. Es wird den notwendigen Druck und die Temperatur erzeugen, um die Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxid in Methan und Wasser als Nebenprodukt zu unterstützen.
Ein weiteres interessantes Detail der Aufbereitungsanlage ist der Nabelschnurroboterarm zum Übertragen von Flüssigkeiten zum Tanker eines mobilen Tankers. Das Ungewöhnliche an diesem System ist, dass es speziell vor der äußeren Umgebung und insbesondere vor Staub geschützt ist. Regolithischer Staub ist sehr fein und kann fast überall eindringen. Da der Regolith selbst aus zerfallenem Vulkangestein besteht, ist er sehr abrasiv (er haftet buchstäblich an allem), was zu ernsthaften Problemen beim Betrieb von Geräten führen kann. Die Mondmissionen der NASA in der Vergangenheit haben gezeigt, wie gefährlich diese Substanz ist. Es verletzte die Messwerte der Elektronik, führte zu einer Störung der Mechanismen und wurde auch zur Ursache für Fehlfunktionen in den Temperaturreglern. Schutz der elektrischen und flüssigen Übertragungskanäle des Roboterarms sowie jeglicher hochempfindlicher Elektronik,ist eine der höchsten Prioritäten für Wissenschaftler.
Programmieren eines Nabelschnurroboters zur Verbindung mit einem mobilen Tanker. Mit dem Manipulator werden Tankschiffe mit flüssigem Kraftstoff, Wasser und Sauerstoff betankt.
Auf jeder Seite der Nabelkammer, die an einem Roboterarm montiert ist, befinden sich Türen, die als Luftschleusen dienen, um Staub von allen internen Kanälen fernzuhalten. Drei Schritte sind erforderlich, um die Kammer mit dem Tankmechanismus zu verbinden: Zunächst müssen die Türen nach dem Befüllen der Kammer auf beiden Seiten sicher geschlossen werden, um eine Staubschutzbarriere zu schaffen. Zweitens müssen in jeder der Türen der Nabelkammer kleine Dichtungslöcher geöffnet werden, durch die Zugang zu den auf einer speziellen beweglichen Platte installierten Ressourcentransferkanälen gewährt wird. Drittens ist es erforderlich, die Position der Übertragungskanäle der Nabelkammer und der Kanäle zum Aufnehmen von Material durch den Tankmechanismus auszurichten, wobei sowohl elektrische als auch flüssige Verbinder präzise verbunden werden.
Der Roboterarm der Brennstoffaufbereitungsanlage platziert die Nabelkammer auf dem mobilen Robotertanker und entlädt dann die produzierten Materialien. Das Füllsystem wird in diesem Fall Tankstellen auf der Erde sehr ähnlich sein, aber zusammen mit Benzin pumpt es Wasser. Oder flüssiger Sauerstoff. Oder flüssiges Methan. Oder auf einmal.
Kürzlich führten die an der Entwicklung dieses Projekts beteiligten Ingenieure eine Testdemonstration der Installation in Florida durch. Zu diesem Zeitpunkt mussten die Wissenschaftler auf die Modellierung der Elektrolyseprozesse und des Ofens selbst zurückgreifen, um die Kosten und die Komplexität der Installation zu reduzieren. Zusätzlich wurde eine Simulation durchgeführt, um drei verarbeitete Produkte unter Verwendung von Wasser zu erhalten. In diesem Fall wurden jedoch bereits Hardware- und Software-Prototypen für alle Teile der Installation verwendet.
Durch das Zusammenfügen aller Teile konnten die Ingenieure von Swamp Works herausfinden, ob Konstruktionsprobleme aufgetreten waren, und einige wichtige Details identifizieren, anhand derer nicht festgestellt werden konnte, ob solche Tests bereits in den letzten Phasen der Entwicklung und Integration durchgeführt wurden. Laut den Entwicklern ist Rapid Prototyping und frühe Integration ein unverwechselbarer Ansatz für die Arbeit ihres Teams. Dank dieser Funktion können Sie schnell die Leistung einer Idee herausfinden und alle vorhandenen Mängel frühzeitig erkennen.
Die Essenz der Mars-Raketen- und Treibstofffabrik besteht darin, dass all diese Geräte in einer kleinen praktischen Schachtel verpackt, an den Roten Planeten geliefert und dann selbst ausgepackt werden und ihre Aufgabe erfüllen, lange bevor die ersten Menschen auf dem Mars ankommen. Die Entwicklung bemannter Missionen zum Mars wird von der Effizienz dieser autonomen Fabrik abhängen. Ohne sie können die Menschen am Ende ihrer Wache nicht zur Erde zurückkehren. Darüber hinaus verfügt die NASA über Teams, die am Anbau aller Arten von Lebensmitteln (einschließlich Kartoffeln) arbeiten. Die neue Ernte soll während der Entsendung von Menschen zum Mars und ihrer Rückflüge zur Erde autonom wieder angebaut werden, damit die Menschen immer eine frische Ernte haben.
Im Allgemeinen ist das Projekt wirklich gigantisch und erfordert eine sorgfältige Vorbereitung.
Die NASA verfügt über umfangreiche Erfahrungen mit autonomen Rovers und Landern auf dem Mars. Zum Beispiel haben und werden die jüngsten Marsrover - Curiosity, die 2012 auf dem Roten Planeten gelandet sind, und Mars 2020, die 2020 dorthin gehen werden - ein hohes Maß an Autonomie haben und haben. Die Schaffung, Lieferung und Nutzung der Mars-Raketentreibstofffabrik auf lange Sicht und mit maximaler Autonomie erfordert jedoch den Einsatz von Technologien, die die Raumfahrttechnik auf ein völlig neues Niveau bringen.
Um den Roboterbagger zu testen, verwendet die NASA einen geschlossenen Bereich, der mit mehr als hundert Tonnen zerkleinertem Vulkangestein gefüllt ist. Mineralien dienen als Gegenstück zum feinsten und abrasivsten Marsstaub.
Um mit der Besiedlung des Weltraums zu beginnen, müssen Wissenschaftler und Ingenieure viele technische Probleme lösen. Zum Beispiel ist es sehr wichtig zu bestimmen, ob jedes Subsystem, das in einer Mars-Rohstoffgewinnungsanlage entwickelt wird, für ein Scale-up geeignet ist. Wird sie in der Lage sein, alle Bedürfnisse zu erfüllen und das Kapazitätsniveau zu erreichen, das im Rahmen bemannter Missionen zum Roten Planeten erforderlich sein wird?
Nach jüngsten Schätzungen von NASA-Spezialisten sollte ein solches System in etwa 16 Monaten etwa 7 Tonnen flüssiges Methan und etwa 22 Tonnen flüssigen Wasserstoff produzieren. Auf dieser Grundlage ist es für eine maximale Rendite erforderlich, die am besten geeigneten Orte für die Bereitstellung einer Fabrik für die Sammlung und Verarbeitung von Ressourcen sehr genau zu bestimmen. Darüber hinaus muss berechnet werden, wie viele RASSOR-Bagger zum Mars geliefert werden müssen und wie viele Stunden pro Tag sie arbeiten müssen, um einen bestimmten Produktionsplan zu erreichen. Am Ende müssen Sie verstehen, wie groß ein Gefrierschrank für Kohlenstoff sein sollte, der Sabatier-Reaktor und wie viel Energie all dieses Zeug verbrauchen wird.
Wissenschaftler müssen auch mögliche Probleme höherer Gewalt antizipieren, die die Gewinnung und Verarbeitung von Ressourcen beeinträchtigen und möglicherweise die Entsendung der nächsten Expedition zum Roten Planeten verzögern können. Es ist notwendig, alle möglichen Risiken zu bewerten, die mit diesen Problemen verbunden sind, und im Voraus die richtigen und schnellen Lösungswege zu entwickeln, um das System möglicherweise mit redundanten Elementen auszustatten, um die ausgefallenen Geräte vorübergehend zu ersetzen.
Es muss sichergestellt werden, dass Robotertechnologien den Betrieb ohne Unterbrechung und ohne Wartungsbedarf über mehrere Jahre aufrechterhalten können, damit ihre Entwicklung unter strikter Einhaltung der festgelegten Standards durchgeführt wird. Beispielsweise muss die Menge der verwendeten beweglichen Teile minimiert werden. Somit wird es möglich sein, die Auswirkung von Regolithstaub auf die Effizienz des gesamten Systems zu minimieren. Wenn wir uns dem Problem von der anderen Seite nähern und anfangen, bewegliche Teile mit höherer Staubbeständigkeit zu entwickeln, wird dies nicht nur das gesamte System komplizieren, sondern auch zusätzliches Gewicht hinzufügen, was, wie bereits erwähnt, Gold entspricht.
Wissenschaftler müssen auch herausfinden, wie und in welchen Anteilen feiner und fester Regolith unter der Marsoberfläche mit Eis vermischt wird. Mithilfe dieser Daten können Sie Bagger effizienter für die Rohstoffgewinnung vorbereiten. Zum Beispiel eignet sich die aktuelle Version des RASSOR-Eimers am besten zum Sammeln von Regolithen, die mit Klumpeneis gemischt sind. Dieses Design ist jedoch weniger effektiv, wenn in größere Schichten aus festem Eis "gebissen" werden muss. Um eine geeignetere Ausrüstung zu entwickeln, ist es notwendig, ein genaues Verständnis der Eisverteilung auf der Stute zu erhalten. Eine weitere Option ist die Entwicklung stärkerer, komplexerer, schwererer und vielseitigerer Geräte, die für jede Art von Boden und Eisdichte geeignet sind. Aber auch dies ist eine zusätzliche Verschwendung.
Dennoch ist es notwendig, Probleme im Zusammenhang mit der langen Lagerung unterkühlter Flüssigkeiten zu lösen. Die Technologien zur Lagerung von Substanzen und Materialien unter hohem Druck werden ständig verbessert. Werden moderne Technologien jedoch noch lange auf der Marsoberfläche funktionieren können?
Im Allgemeinen werden sich NASA-Wissenschaftler in den kommenden Jahren mit all diesen problematischen Fragen befassen. Die Ingenieure von Swamp Works wiederum werden die Effizienz und Verfügbarkeit aller entwickelten Komponenten ihres Systems weiter verbessern. Bagger sollen noch stärker und leichter gemacht werden. Danach ist geplant, sie in künstlich hergestellten und möglichst nahe an den Marsbedingungen zu testen. Die Wissenschaftler möchten auch die Qualität und Effizienz des Ofens und des Elektrolysesystems verbessern und ein skalierbares Modell des Sabatier-Reaktors und der Kälteanlage für die Kohlenstoffproduktion entwickeln. Die Entwickler sind zuversichtlich, dass die Lösung dieser und vieler anderer Probleme dazu führen wird, dass der staubsammelnde Prototyp kein Prototyp mehr ist und am Ende echte Arbeiten auf der Marsoberfläche ausführen wird.zukünftige Kolonisten mit allen für das Leben notwendigen Ressourcen versorgen.
Nikolay Khizhnyak
