Як NASA збирається видобувати корисні копалини на Марсі?
Рік 2038-й. Через 18 місяців життя і роботи на поверхні Марса команда з шести дослідників сідає назад у космічний апарат і повертається на Землю. На планеті не залишилося ні однієї живої душі, але робота тут не зупиняється ні на хвилину. Автономні роботи продовжують видобуток корисних копалин і доставляють їх для переробки на фабрику хімічного синтезу, яка була побудована за кілька років до того, як на Марс вперше ступила нога людини. Фабрика виробляє з місцевих ресурсів воду, кисень, а також ракетне паливо, рутинно готуючи запаси для наступної експедиції, яка прибуде сюди через два роки.
Ця роботизована фабрика ніяка не наукова фантастика. Це проект, над яким зараз працюють відразу декілька наукових команд аерокосмічного агентства NASA. Одна з них, Swamp Works, працює в Космічному центрі Кеннеді у Флориді. Офіційно розробляється ними установка називається «системою утилізації ресурсів in situ» (ISRU), однак люди, які над нею працюють звикли називати її пылеулавливающей фабрикою, тому що вона переробляє звичайну пил в ракетне паливо. Ця система одного разу дозволить людям жити і працювати на Марсі, а також повертатися при необхідності назад на Землю.
Навіщо взагалі щось синтезувати на Марсі? Чому просто не привезти все необхідне туди з Землі? Проблема у вартості цього задоволення. За деякими оцінками доставка одного кілограма корисного навантаження (наприклад, палива) із Землі на Марс — тобто, висновок цього кілограма на низьку навколоземну орбіту, відправку до Марсу, уповільнення космічного апарату при виході на орбіту планети і нарешті безпечну посадку на поверхню – потрібно спалити 225 кілограмів ракетного палива. Співвідношення 225:1 – ефективність. При цьому ті ж цифри будуть характерні при використанні будь-якого космічного корабля. Тобто, для доставки тієї ж тонни води, кисню або технічного обладнання на Червону планету потрібно спалити 225 тонн ракетного палива. Єдиний спосіб позбавити себе від такої витратної арифметики – власне виробництво води, кисню або того ж палива на місці.
Відразу кілька дослідних та інженерних груп у NASA працюють над вирішенням різних аспектів цієї проблеми. Наприклад, команда Swamp Works з Космічного центру Кеннеді нещодавно почала збірку всіх окремих модулів системи видобутку корисних копалин. Установка являє собою ранній прототип, але поєднує в собі всі деталі, які будуть необхідні для роботи пылеулавливающей фабрики.
Довгостроковий план NASA спрямований на колонізацію Марса, але зараз агентство сконцентрувала всі свої сили і увагу на Місяці. Таким чином перевірка здебільшого розробляється обладнання буде проводитися спершу на місячній поверхні, що в свою чергу дозволить вирішити всі можливі проблеми, щоб уникнути їх в майбутньому при використанні установки на Марсі.
Пил і бруд на неземне космічному тілі прийнято називати реголитом. У загальному сенсі мова йде про вулканічній породі, яка за кілька мільйонів років під впливом різних погодних умов перетворилася на дрібний порошок. На Марсі під шаром корозійних мінералів заліза, які дають планеті її знаменитий червонуватий відтінок, лежить товстий шар кремнієвих і кисневих структур, сполучених з залізом, алюмінієм і магнієм. Видобуток цих матеріалів являє собою дуже складну задачу, оскільки запаси і концентрація цих речовин може варіюватися від однієї області планети до іншої. На жаль, ця задача ускладнюється ще і низькою гравітацією Марса – копати в таких умовах, використовуючи перевагу маси набагато складніше. На Землі для видобутку корисних копалин ми зазвичай використовуємо великі машини. Їх розміри і вага дозволяють прикладати достатньо зусиль для того, щоб «вгризатися» в грунт. Везти на Марс таку розкіш буде абсолютно неприпустимо. Пам’ятайте проблему вартості? З кожним грамом, який буде відправлений на Марс, ціна всього запуску буде постійно зростати. Тому в NASA працюють над тим, як проводити видобуток мінералів на Червоній планеті з використанням легковагої устаткування.
Космічний екскаватор. NASA розробляє роботизований екскаватор з двома протилежними барабанними ковшами, що обертаються в протилежному один від одного напрямку. Такий підхід дозволить машині працювати в умовах низької гравітації та виключить необхідність в додатку великих зусиль
Знайомтеся, RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) – автономний добувач, розроблений з єдиною метою – копати реголіт в умовах низької гравітації. При розробці RASSOR (читається як «рейзор» — від англійського «лезо») інженери NASA приділили особливу увагу його системі силових приводів. Останні складаються з двигунів, редукторів і інших механізмів, що становлять основну масу всієї установки. Тут використовуються безкаркасні двигуни, електромагнітні гальма, а також, серед інших речей, 3D-надруковані титанові корпусу – все для того, щоб мінімізувати загальну вагу і об’єм конструкції. Як підсумок, система володіє приблизно в половину меншою масою, порівняно іншими приводами, мають аналогічні технічні характеристики.
Для риття RASSOR використовує два опозиційних барабанних ковша, кожен з яких оснащений декількома зубцями для захвату матеріалу. При русі апарату барабанні ковші обертаються. Приводи, які їх утримують, опускаються і барабани, порожнисті всередині, в буквальному сенсі зрізають верхній шар поверхневого реголіту. Іншими словами, комбайн проводить забір лише верхнього шару матеріалу, а не риє вглиб. Ще однією ключовою особливістю RASSOR є оппозитний конструкція – барабани обертаються в різних напрямках. Це дозволяє не застосовувати великі зусилля для забору грунту в умовах низької гравітації.
Як тільки барабани RASSOR заповнюються, робот припиняє збір і рухається в бік переробної фабрики. Для розвантаження реголіту машина просто обертає барабани в протилежному напрямку – матеріал падає через ті ж отвори в барабанах, через які проводили його збір. Має у фабрики своя роботизована рука-підйомник збирає доставлений реголіт і відправляє його на завантажувальну стрічку фабрики, яка в свою чергу доставляє матеріал в вакуумну піч. Там реголіт буде розігріватися до високих температур. Містяться в матеріалі молекули води виглядатимуть сухий газодувкой, а потім збиратися з допомогою охолоджуючого термостата.
Можливо, ви ставите питанням: «а хіба марсіанський реголіт спочатку не сухий?». Сухий, але не скрізь. Все залежить від того, де і як глибоко ви будете копати. У деяких областях планети всього в декількох сантиметрах під поверхнею маються цілі пласти водного льоду. Ще нижче можуть перебувати сірчанокисла вапно і пісковики, в яких може міститися приблизно до 8 відсотків води від загальної маси масиву.
Після конденсації відпрацьований реголіт викидається назад на поверхню, де RASSOR може його забрати і відвезти в більш віддалене від фабрики місце. Ці «відходи» насправді являють собою дуже цінний матеріал, оскільки з нього за допомогою технологій 3D-друку, які зараз також розробляються в NASA, можна буде створювати захисні споруди для поселення, а також дороги і посадочні майданчики.
Схема видобутку корисних копалин на Марсі в картинках:
Розробка: Колісний робот проводить забір реголіту обертовими ковшами з отворами забороными
Транспортування: що Обертаються в зворотному напрямку ковші-барабани розвантажують реголіт в роботизовану руку фабрики
Переробка: Для витягання води з реголіту його підігрівають у печі, де відбувається електроліз водню і кисню
Передача: Після отримання певного обсягу речовини, інша роботизована рука, обладнана спеціальною захисною закритою системою, завантажує його на мобільний роботизований танкер
Доставка: Танкер доставляє воду, кисень і метан до оселі людей і вивантажує їх у резервуари тривалого зберігання
Використання та зберігання: Астронавти будуть використовувати воду і кисень для дихання, а також вирощування рослин; паливо буде зберігатися у вигляді кріогенних рідин для майбутнього використання
Вся вода, яка видобуватиметься з реголіту, буде проходити ретельну очистку. Модуль очищення буде складатися з багатофазної системи фільтрації, а також кількох деионизирующих підкладок.
Рідина буде використовуватися не тільки для пиття. Вона стане найважливішим компонентом для виробництва ракетного палива. При розщепленні молекул H2O з допомогою електролізу на молекули водню (H2) і кисню (O2), а потім компресії і перетворення на рідину, можна буде синтезувати паливо і окислювач, які найбільш часто застосовуються в рідинних ракетних двигунах.
Складність полягає в тому, що рідкий водень повинен зберігатися при екстремально низьких температурах. Для цього NASA хоче перетворювати водень у той вид палива, який буде простіше всього зберігати: метан (CH4). Це речовина можна отримати при з’єднанні водню і вуглецю. Де добувати вуглець на Марсі?
На щастя, на Червоній планеті його дуже багато. Марсіанська атмосфера на 96 відсотків складається з молекул вуглекислого газу. Захоплення цього вуглецю – завдання спеціальної морозильної установки. Якщо говорити простими словами, вона буде створювати з повітря сухий лід.
Отримавши за допомогою електролізу водень і здобувши вуглецевий газ з атмосфери, з допомогою хімічного процесу — реакції Сабатье — їх можна буде поєднати в метан. Для цього NASA розробляє спеціальний реактор. У ньому будуть створюватися необхідні тиск і температура для підтримання реакції перетворення водню і вуглекислого газу в метан і воду в якості побічного продукту.
Наступною цікавою деталлю переробної фабрики є омбилическая роботизована рука для передачі рідин до цистерні мобільного танкера. Незвичайне в цій системі те, що вона особливим чином захищена від зовнішнього середовища і зокрема пилу. Реголитная пил дуже дрібна і здатна проникнути практично скрізь. Оскільки сам реголіт складається з раскрошившейся вулканічної породи, він дуже абразивний (чіпляється буквально до всього), що може створити серйозні проблеми для роботи обладнання. Місячні місії NASA в минулому показали наскільки небезпечно це речовина. Воно порушувало показання електроніки, призводило до заклинювання механізмів, а також ставало причиною збоїв в термоконтроллерах. Захист електричних і рідинних каналів передачі роботизованої руки, як і будь-дуже чутливою електроніки, є для учених однією з найбільш пріоритетних завдань.
Програмування омбилической роботизований руки для підключення до мобільного танкера. Маніпулятор буде використовуватися для заправки танкерів рідким паливом, водою і киснем
На кожній стороні омбилической камери, встановленої на роботизований маніпулятор, знаходяться дверцята, діючі як повітряні шлюзи, оберігають всі внутрішні канали від пилу. Для з’єднання камери з механізмом танкера потрібно виконати три кроки: по-перше, після заповнення камери потрібно надійно закрити дверцята з обох сторін, щоб створити захисний антипылевой бар’єр. По-друге, в кожній з дверей омбилической камери необхідно відкрити невеликі ущільнювальні отвори, через які буде надаватися доступ до каналів передачі ресурсів, встановленим на спеціальній рухомій пластині. По-третє, потрібно вирівняти становище каналів передачі омбилической камери та каналів прийому матеріалу механізмом танкера, точно з’єднавши між собою як електричні, так і рідинні конектори.
Роботизований маніпулятор топливоперерабатывающей фабрики буде поміщати омбилическую камеру на мобільний роботизований танкер, а потім розвантажувати вироблені матеріали. Система заправки в цьому випадку буде дуже схожим на заправні станції на Землі, але разом бензину, вона буде перекачувати воду. Або рідкий кисень. Або рідкий метан. Або всі разом.
Нещодавно інженери, які займаються розробкою цього проекту, провели тестову демонстрацію установки у Флориді. На цьому етапі вченим довелося вдатися до моделювання процесів електролізу і самої печі для скорочення витрат і складності установки. Крім того, була проведена симуляція отримання з допомогою води трьох продуктів переробки. Але в цьому випадку вже використовувалися прототипи як апаратних, так і програмних засобів для всіх частин установки.
Об’єднавши всі частини разом, інженери Swamp Works змогли з’ясувати наявність тих чи інших проблем у дизайні, а також визначити деякі важливі деталі, які неможливо було б визначити, якби подібні тести проводилися вже на останніх стадіях розробки та інтеграції. За словами розробників, швидке створення прототипу і рання інтеграція є відмітний підходом до роботи їхньої команди. Завдяки цьому можна швидко з’ясувати працездатність тієї або іншої ідеї, а також визначити всі наявні недоліки ще на ранній стадії.
Суть марсіанської ракетно-паливної фабрики полягає в тому, що все це обладнання буде упаковано в невелику зручну коробку, доставлено на Червону планету, а потім самостійно распакуется і приступить до виконання свого завдання задовго до того, як на Марс прибудуть перші люди. Розробка пілотованих експедицій на Марс буде залежати від ефективності цієї автономної фабрики. Адже без неї люди не зможуть повернутися назад на Землю по завершенню своєї вахти. Крім того, в NASA також працюють команди, які займаються питаннями вирощування різноманітних продуктів харчування (включаючи картоплю). Новий урожай планується вирощувати знову ж автономним способом під час відправки людей на Марс і їх польотів назад на Землю, щоб людей завжди чекав свіжий урожай.
Загалом, проект по-справжньому гігантський і вимагає ретельної підготовки.
У NASA є великий запас досвіду роботи автономних роверів і посадочних модулів на Марсі. Наприклад, останні марсоходи – «Кьюріосіті», який висадився на Червону планету в 2012 році і «Марс 2020», який відправиться туди в 2020 році – мають і будуть володіти високим рівнем автономності. Проте створення, доставка та використання марсіанської ракетно-паливної фабрики в довготривалій перспективі і з максимальним рівнем автономності потребує використання таких технологій, які виведуть космічну інженерію на абсолютно новий рівень.
Для випробування робота-екскаватора NASA використовує закритий майданчик, засипану більш ніж сотнею тонн роздробленою вулканічної породи. Мінерали служать в якості аналога найдрібнішої і абразивного пилу марсіанської
Для початку космічної колонізації вченим і інженерам належить вирішити безліч технічних завдань. Наприклад, дуже важливо визначити, чи підходить розробляється кожна підсистема установки з видобутку природних марсіанських ресурсів для масштабування. Чи зможе вона задовольняти всі потреби і вийти на той рівень пропускної здатності, який буде необхідний в рамках пілотованих місій на Червону планету.
Згідно з недавніми підрахунками фахівців NASA, подібна система приблизно за 16 місяців повинна буде виробляти близько 7 тонн рідкого метану і близько 22 тонн рідкого водню. Виходячи з цього, для максимальної віддачі необхідно дуже точно визначити найбільш підходящі місця для розгортання фабрики по збору і переробці ресурсів. Крім того, необхідно розрахувати скільки екскаваторів RASSOR потрібно доставити на Марс, а також скільки годин на добу їм необхідно буде працювати, щоб вийти на заданий план видобутку. Врешті-решт треба зрозуміти наскільки великою має бути морозильна установка для вуглецю, реактор Сабатье, а також скільки все це добро буде споживати енергії.
Також вченим необхідно передбачити можливі форс-мажорні проблеми, які можуть перешкодити видобутку і переробки ресурсів, потенційно затримавши відправлення наступної експедиції на Червону планету. Необхідно оцінити всі можливі ризики, пов’язані з цими проблемами і заздалегідь розробити правильні та швидкі шляхи їх вирішення, можливо оснастивши систему дублюючими елементами для тимчасової заміни вийшов з ладу обладнання.
Необхідно переконатися, що роботизовані технології зможуть підтримувати операційну діяльність без зупинки і необхідності в обслуговуванні протягом декількох років, тому їх розробка буде проходити в строгій відповідності з встановленими стандартами. Наприклад, потрібно максимально знизити обсяг використовуються рухаються частин. Таким чином можна буде мінімізувати вплив реголитной пилу на ефективність всієї системи. Якщо ж підійти до питання з іншого боку і почати розробляти рухаються частини з більш високою стійкістю до пилу, то це не тільки ускладнить всю систему в цілому, але ще й додасть до неї зайвої ваги, який, як уже говорилося, рівноцінний золота.
Вченим також належить з’ясувати, яким чином і в яких пропорціях дрібний і твердий реголіт змішаний з льодом під поверхнею Марса. Ці дані допоможуть більш ефективно підготувати екскаватори для видобутку ресурсів. Наприклад, поточна версія ковша RASSOR найбільш пристосована для збору реголіту, змішаного з кусковим льодом. Однак цей дизайн буде менш ефективний при необхідності «вгризатися» в більш великі пласти твердого льоду. Для розробки більш відповідного обладнання необхідно отримати точне уявлення про розподіл льоду на Маре. Інший варіант – розробити більш міцне, більш складний, більш важкий і універсальне обладнання, яке зможе працювати з будь-яким видом грунту і щільністю крижаних пластів. Але, знову ж таки, це зайві витрати.
Ще потрібно вирішити питання, пов’язані з тривалим зберіганням надохолоджених рідин. Технології зберігання речовин та матеріалів під високим тиском постійно удосконалюються, але чи зможуть сучасні технології працювати на поверхні Марса тривалий кількість часу?
Загалом, в найближчі роки вчені NASA будуть займатися вирішенням всіх цих проблемних питань. Інженери Swamp Works в свою чергу продовжать підвищувати ефективність і готовність всіх розроблюваних їх компонентів системи. Екскаватори планують зробити ще більш міцними і легкими. Після цього планується приступити до їх випробувань в штучно створених і максимально наближених до марсіанським умовах. Вчені також хочуть підвищити якість і ефективність печі, системи електролізу, а також розробити масштабовану модель реактора Сабатье і холодильної установки для виробництва вуглецю. Розробники впевнені, що рішення цих і багатьох інших завдань, призведе до того, що пылесборочный прототип перестане бути прототипом і в кінці кінців займеться цією роботою на поверхні Марса, забезпечуючи майбутніх колоністів усіма необхідними для життя ресурсами.
