Saat itu tahun 2038. Setelah 18 bulan tinggal dan bekerja di permukaan Mars, tim yang terdiri dari enam peneliti naik ke pesawat ruang angkasa dan kembali ke Bumi. Tidak ada satu pun jiwa yang hidup yang tersisa di planet ini, tetapi pekerjaan tidak berhenti di sini sebentar pun. Robot otonom terus mengekstrak mineral dan mengirimkannya untuk diproses ke pabrik sintesis kimia, yang dibangun beberapa tahun sebelum manusia pertama kali menginjakkan kaki di Mars. Pabrik tersebut memproduksi air, oksigen, dan bahan bakar roket dari sumber daya lokal, secara rutin menyiapkan pasokan untuk ekspedisi berikutnya, yang akan tiba di sini dalam dua tahun.
Pabrik robotik ini bukanlah fiksi ilmiah. Ini adalah proyek yang sedang dikerjakan oleh beberapa tim ilmiah dari badan kedirgantaraan NASA. Salah satunya, Swamp Works, bekerja di Kennedy Space Center di Florida. Fasilitas yang mereka kembangkan secara resmi bernama In Situ Resource Utilization System (ISRU), namun orang yang mengerjakannya terbiasa menyebutnya sebagai pabrik debu karena mengubah debu biasa menjadi bahan bakar roket. Sistem ini suatu hari nanti akan memungkinkan manusia untuk tinggal dan bekerja di Mars, serta kembali ke Bumi jika perlu.
Mengapa mensintesis apa pun di Mars? Mengapa tidak membawa semua yang Anda butuhkan ke sana dari Bumi? Masalahnya adalah harga kesenangan ini. Menurut beberapa perkiraan, pengiriman satu kilogram muatan (misalnya, bahan bakar) dari Bumi ke Mars - yaitu, menempatkan kilogram ini ke orbit Bumi yang rendah, mengirimkannya ke Mars, memperlambat pesawat ruang angkasa saat memasuki orbit planet dan akhirnya mendarat dengan selamat di permukaan - akan dibutuhkan. membakar 225 kilogram bahan bakar roket. Rasio 225: 1 masih efektif. Dalam hal ini, angka yang sama akan terlihat saat menggunakan pesawat ruang angkasa apa pun. Artinya, untuk mengirimkan ton air, oksigen, atau peralatan teknis yang sama ke Planet Merah, 225 ton bahan bakar roket perlu dibakar. Satu-satunya cara untuk menyelamatkan diri dari aritmatika yang mahal adalah dengan memproduksi air sendiri,oksigen atau bahan bakar yang sama di tempat.
Beberapa kelompok penelitian dan teknik di NASA sedang berupaya memecahkan berbagai aspek masalah ini. Misalnya, tim Swamp Works di Kennedy Space Center baru-baru ini mulai merakit semua modul individu untuk sistem penambangan. Pabrik ini adalah prototipe awal, tetapi menggabungkan semua detail yang diperlukan untuk mengoperasikan pabrik pengumpul debu.
Rencana jangka panjang NASA ditujukan untuk menjajah Mars, tetapi sekarang badan tersebut memusatkan semua energi dan perhatiannya di Bulan. Dengan demikian, verifikasi sebagian besar peralatan yang sedang dikembangkan akan dilakukan pertama kali di permukaan bulan, yang pada gilirannya akan menyelesaikan semua kemungkinan masalah untuk menghindarinya di masa mendatang saat menggunakan instalasi di Mars.
Debu dan kotoran pada badan luar angkasa biasa disebut regolith. Secara umum, kita berbicara tentang batuan vulkanik, yang selama beberapa juta tahun, di bawah pengaruh berbagai kondisi cuaca, berubah menjadi bubuk halus. Di Mars, di bawah lapisan mineral besi korosif yang menjadikan planet ini rona kemerahan yang terkenal, terdapat lapisan tebal struktur silikon dan oksigen yang dikombinasikan dengan besi, aluminium, dan magnesium. Ekstraksi bahan-bahan ini adalah tugas yang sangat sulit, karena cadangan dan konsentrasi zat-zat ini dapat bervariasi dari satu area ke area lain di planet ini. Sayangnya, tugas ini semakin diperumit oleh gravitasi Mars yang rendah - menggali dalam kondisi seperti itu, memanfaatkan keuntungan massa, jauh lebih sulit. Di Bumi, kami biasanya menggunakan mesin besar untuk menambang. Ukuran dan beratnya memungkinkan Anda melakukan upaya yang cukup untuk "menggigit" tanah. Membawa kemewahan seperti itu ke Mars sama sekali tidak dapat diterima. Ingat masalah biaya? Dengan setiap gram yang dikirim ke Mars, harga seluruh peluncuran akan terus meningkat. Oleh karena itu, NASA sedang mengerjakan cara menambang mineral di Planet Merah menggunakan peralatan ringan.
Ekskavator luar angkasa. NASA sedang mengembangkan ekskavator robotik dengan dua ember drum berlawanan yang berputar berlawanan arah satu sama lain. Pendekatan ini akan memungkinkan alat berat beroperasi dalam kondisi gravitasi rendah dan menghilangkan kebutuhan akan gaya yang besar.
Perkenalkan RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), penambang otonom yang dirancang dengan tujuan tunggal untuk menggali regolith di lingkungan gravitasi rendah. Saat mengembangkan RASSOR (dibaca sebagai "pisau cukur" - dari bahasa Inggris "pisau"), para insinyur NASA memberikan perhatian khusus pada sistem penggerak daya. Yang terakhir terdiri dari motor, kotak roda gigi, dan mekanisme lain yang merupakan bagian terbesar dari keseluruhan instalasi. Ia menggunakan motor tanpa bingkai, rem elektromagnetik, dan, antara lain, casing titanium cetak 3D untuk meminimalkan bobot dan volume keseluruhan struktur. Hasilnya, bobot sistem sekitar setengah dibandingkan dengan drive lain dengan spesifikasi serupa.
Video promosi:
Untuk penggalian, RASSOR menggunakan dua bucket drum oposisi, masing-masing dilengkapi dengan beberapa gigi untuk memegang material. Saat mesin bergerak, ember drum berputar. Aktuator yang menahannya diturunkan dan drum, berlubang di dalamnya, secara harfiah memotong lapisan atas regolith permukaan. Dengan kata lain, pemanen hanya mengambil lapisan atas material, bukan menggali lebih dalam. Fitur utama RASSOR lainnya adalah desain petinju - drum berputar ke arah yang berbeda. Ini menghilangkan kebutuhan akan banyak usaha untuk menarik tanah dalam kondisi gravitasi rendah.
Segera setelah drum RASSOR penuh, robot berhenti mengumpulkan dan bergerak menuju pabrik daur ulang. Untuk membongkar regolith, mesin hanya memutar drum ke arah yang berlawanan - material jatuh melalui lubang yang sama di drum tempat pengambilannya. Pabrik memiliki lengan pengangkat robotiknya sendiri yang mengumpulkan regolith yang dikirim dan mengirimkannya ke sabuk pemuatan pabrik, yang pada gilirannya mengirimkan material tersebut ke tungku vakum. Di sana, regolith akan dipanaskan hingga suhu tinggi. Molekul air yang terdapat pada material tersebut akan dihembuskan oleh blower gas kering dan kemudian dikumpulkan menggunakan thermostat pendingin.
Anda mungkin bertanya-tanya: "Bukankah regolith Mars awalnya kering?" Kering, tapi tidak di semua tempat. Itu semua tergantung di mana dan seberapa dalam Anda menggali. Di beberapa wilayah di planet ini, terdapat seluruh lapisan es air hanya beberapa sentimeter di bawah permukaan. Bahkan lebih rendah mungkin ada kapur sulfat dan batupasir, yang dapat mengandung hingga sekitar 8 persen air dari massa total massa tersebut.
Setelah kondensasi, regolith bekas dibuang kembali ke permukaan, di mana RASSOR dapat mengambilnya dan membawanya ke tempat yang lebih jauh dari pabrik. “Limbah” ini sebenarnya adalah bahan yang sangat berharga karena akan digunakan untuk membuat struktur pertahanan permukiman, serta jalan dan tempat pendaratan menggunakan teknologi cetak 3D, yang juga sedang dikembangkan di NASA.
Skema penambangan di Mars dalam gambar:
Pengembangan: Robot beroda mengambil regolith dengan ember berputar dengan lubang pengambilan sampel.
Transportasi: Bucket drum yang berputar terbalik melepaskan regolith ke lengan robotik pabrik.
Pengolahan: Untuk mengekstraksi air dari regolith, ia dipanaskan dalam tungku, tempat elektrolisis hidrogen dan oksigen berlangsung.
Transfer: Setelah menerima sejumlah besar zat, lengan robotik lain, yang dilengkapi dengan sistem pelindung tertutup khusus, memuatnya ke kapal tanker robot bergerak.
Pengiriman: Kapal tangki mengirimkan air, oksigen, dan metana ke rumah orang-orang dan menurunkannya ke tangki penyimpanan jangka panjang.
Penggunaan dan Penyimpanan: Astronot akan menggunakan air dan oksigen untuk bernafas dan menanam tanaman; bahan bakar akan disimpan sebagai cairan kriogenik untuk digunakan di masa mendatang.
Semua air yang akan diekstraksi dari regolith akan dimurnikan secara menyeluruh. Modul pemurnian akan terdiri dari sistem filtrasi multifase serta beberapa substrat deionisasi.
Cairan tersebut tidak hanya akan digunakan untuk minum. Ini akan menjadi komponen penting untuk produksi bahan bakar roket. Ketika molekul H2O dipecah dengan elektrolisis menjadi molekul hidrogen (H2) dan oksigen (O2), dan kemudian dikompresi dan diubah menjadi cairan, akan memungkinkan untuk mensintesis bahan bakar dan pengoksidasi, yang paling sering digunakan dalam mesin roket propelan cair.
Tantangannya terletak pada kenyataan bahwa hidrogen cair harus disimpan pada suhu yang sangat rendah. Untuk melakukan ini, NASA ingin mengubah hidrogen menjadi bahan bakar yang paling mudah disimpan: metana (CH4). Zat ini dapat diperoleh dengan menggabungkan hidrogen dan karbon. Di mana mendapatkan karbon di Mars?
Untungnya, ada banyak hal di Planet Merah. Atmosfer Mars terdiri dari 96 persen molekul karbon dioksida. Menangkap karbon ini adalah tugas dari freezer khusus. Secara sederhana, ini akan membuat es kering di udara.
Setelah menerima hidrogen melalui elektrolisis dan mengekstraksi gas karbon dari atmosfer, menggunakan proses kimia - reaksi Sabatier - mereka dapat digabungkan menjadi metana. Untuk itu, NASA sedang mengembangkan reaktor khusus. Ini akan menciptakan tekanan dan suhu yang diperlukan untuk mendukung konversi hidrogen dan karbon dioksida menjadi metana dan air sebagai produk sampingan.
Detail menarik lainnya dari pabrik pengolahan adalah lengan robotik pusar untuk mentransfer cairan ke kapal tanker mobil tangki. Hal yang tidak biasa tentang sistem ini adalah sistem ini secara khusus dilindungi dari lingkungan luar dan, khususnya, dari debu. Debu regolitik sangat halus dan dapat menembus hampir ke mana-mana. Karena regolith itu sendiri terdiri dari batuan vulkanik yang hancur, ia sangat abrasif (melekat pada segalanya secara harfiah), yang dapat menimbulkan masalah serius bagi pengoperasian peralatan. Misi bulan NASA di masa lalu telah menunjukkan betapa berbahayanya zat ini. Itu melanggar pembacaan elektronik, menyebabkan kemacetan mekanisme, dan juga menjadi penyebab malfungsi pada pengontrol suhu. Perlindungan saluran transmisi listrik dan cairan dari lengan robotik, serta perangkat elektronik yang sangat sensitif,adalah salah satu prioritas tertinggi bagi para ilmuwan.
Memprogram lengan robotik pusar untuk dihubungkan ke kapal tanker bergerak. Manipulator akan digunakan untuk mengisi bahan bakar tanker dengan bahan bakar cair, air dan oksigen.
Di setiap sisi ruang pusar yang dipasang di lengan robotik, terdapat pintu yang berfungsi sebagai kunci udara untuk mencegah debu keluar dari semua saluran internal. Tiga langkah diperlukan untuk menghubungkan ruang ke mekanisme tanker: Pertama, setelah mengisi ruang, pintu harus ditutup dengan aman di kedua sisi untuk membuat pelindung anti-debu. Kedua, di setiap pintu ruang pusar, perlu untuk membuka lubang penyegelan kecil di mana akses ke saluran transfer sumber daya yang dipasang pada pelat bergerak khusus akan disediakan. Ketiga, diperlukan untuk menyelaraskan posisi saluran transmisi ruang pusar dan saluran untuk menerima material dengan mekanisme tanker, yang secara akurat menghubungkan konektor listrik dan cairan.
Lengan robotik dari pabrik pengolahan bahan bakar akan menempatkan ruang pusar pada kapal tanker robot bergerak dan kemudian membongkar material yang dihasilkan. Sistem pengisian dalam hal ini akan sangat mirip dengan stasiun pengisian di Bumi, tetapi bersama dengan bensin, ia akan memompa air. Atau oksigen cair. Atau metana cair. Atau sekaligus.
Baru-baru ini, para insinyur yang terlibat dalam pengembangan proyek ini melakukan demonstrasi uji instalasi di Florida. Pada tahap ini, para ilmuwan harus menggunakan pemodelan proses elektrolisis dan tungku itu sendiri untuk mengurangi biaya dan kompleksitas instalasi. Selain itu juga dilakukan simulasi untuk mendapatkan tiga produk olahan yang menggunakan air. Namun dalam kasus ini, prototipe perangkat keras dan perangkat lunak telah digunakan untuk semua bagian instalasi.
Dengan menyatukan semua bagian, para insinyur Swamp Works dapat mengetahui adanya masalah tertentu dalam desain, serta mengidentifikasi beberapa detail penting yang tidak mungkin dilakukan untuk menentukan apakah pengujian semacam itu sudah dilakukan pada tahap terakhir pengembangan dan integrasi. Menurut pengembang, pembuatan prototipe cepat dan integrasi awal adalah pendekatan khas untuk pekerjaan tim mereka. Berkat ini, Anda dapat dengan cepat mengetahui kinerja suatu ide, serta mengidentifikasi semua kekurangan yang ada pada tahap awal.
Inti dari pabrik bahan bakar roket Mars adalah bahwa semua peralatan ini akan dikemas dalam kotak kecil yang nyaman, dikirim ke Planet Merah, dan kemudian dibongkar sendiri dan akan mulai menyelesaikan tugasnya jauh sebelum orang pertama tiba di Mars. Pengembangan misi berawak ke Mars akan bergantung pada efisiensi pabrik otonom ini. Lagi pula, tanpa itu, orang tidak akan bisa kembali ke Bumi setelah jam tangan mereka berakhir. Selain itu, NASA juga memiliki tim yang bekerja untuk menanam semua jenis makanan (termasuk kentang). Tanaman baru rencananya akan ditanam, lagi dengan cara otonom, selama pengiriman orang ke Mars dan penerbangan mereka kembali ke Bumi, sehingga orang selalu mendapatkan panen segar.
Secara umum, proyek ini sangat besar dan membutuhkan persiapan yang matang.
NASA memiliki pengalaman yang luas dengan penjelajah otonom dan pendarat di Mars. Misalnya, penemu Mars terbaru - Curiosity, yang mendarat di Planet Merah pada 2012 dan Mars 2020, yang akan pergi ke sana pada 2020 - memiliki dan akan memiliki otonomi tingkat tinggi. Namun, pembuatan, pengiriman dan penggunaan roket Mars dan pabrik bahan bakar dalam jangka panjang dan dengan tingkat otonomi maksimum akan membutuhkan penggunaan teknologi yang akan membawa rekayasa ruang angkasa ke tingkat yang sama sekali baru.
Untuk menguji ekskavator robot, NASA menggunakan area tertutup berisi lebih dari seratus ton batuan vulkanik yang dihancurkan. Mineral berfungsi sebagai pendamping untuk debu Mars yang paling halus dan paling abrasif.
Untuk memulai kolonisasi luar angkasa, para ilmuwan dan insinyur harus memecahkan banyak masalah teknis. Misalnya, sangat penting untuk menentukan apakah setiap subsistem yang sedang dikembangkan di fasilitas ekstraksi sumber daya alam Mars sesuai untuk peningkatan skala. Akankah dia dapat memenuhi semua kebutuhan dan mencapai tingkat kapasitas yang diperlukan dalam rangka misi berawak ke Planet Merah.
Menurut perkiraan baru-baru ini oleh spesialis NASA, sistem seperti itu dalam waktu sekitar 16 bulan akan menghasilkan sekitar 7 ton metana cair dan sekitar 22 ton hidrogen cair. Berdasarkan hal ini, untuk pengembalian maksimum, perlu ditentukan dengan sangat akurat tempat yang paling cocok untuk menyebarkan pabrik untuk pengumpulan dan pemrosesan sumber daya. Selain itu, perlu dihitung berapa banyak ekskavator RASSOR yang perlu dikirim ke Mars, serta berapa jam per hari mereka harus bekerja untuk mencapai rencana produksi tertentu. Pada akhirnya, Anda perlu memahami seberapa besar lemari es untuk karbon, seharusnya reaktor Sabatier, dan berapa banyak energi yang akan dikonsumsi semua bahan ini.
Ilmuwan juga perlu mengantisipasi kemungkinan masalah force majeure yang dapat mengganggu ekstraksi dan pemrosesan sumber daya, yang berpotensi menunda pengiriman ekspedisi berikutnya ke Planet Merah. Penting untuk menilai semua kemungkinan risiko yang terkait dengan masalah ini dan mengembangkan terlebih dahulu cara yang benar dan cepat untuk menyelesaikannya, mungkin melengkapi sistem dengan elemen yang berlebihan untuk mengganti sementara peralatan yang rusak.
Teknologi robotik perlu dipastikan dapat mempertahankan kegiatan operasionalnya tanpa gangguan dan perlu pemeliharaan selama beberapa tahun, sehingga pengembangannya akan dilakukan sesuai dengan standar yang ditetapkan. Misalnya, perlu meminimalkan jumlah komponen bergerak yang digunakan. Dengan demikian, akan dimungkinkan untuk meminimalkan efek debu regolith pada efisiensi seluruh sistem. Jika kita mendekati masalah dari sisi lain dan mulai mengembangkan bagian yang bergerak dengan ketahanan yang lebih tinggi terhadap debu, maka ini tidak hanya akan mempersulit keseluruhan sistem secara keseluruhan, tetapi juga menambah bobot ekstra padanya, yang, sebagaimana telah disebutkan, setara dengan emas.
Ilmuwan juga harus mencari tahu bagaimana dan dalam proporsi apa regolith halus dan padat bercampur dengan es di bawah permukaan Mars. Data ini akan membantu Anda mempersiapkan excavator untuk ekstraksi sumber daya dengan lebih efisien. Misalnya, versi ember RASSOR saat ini paling cocok untuk mengumpulkan regolith yang dicampur dengan es batu. Namun, desain ini akan kurang efektif jika perlu "menggigit" lapisan es padat yang lebih besar. Untuk mengembangkan peralatan yang lebih cocok, diperlukan pemahaman yang akurat tentang distribusi es di Mare. Pilihan lainnya adalah mengembangkan peralatan yang lebih kuat, lebih kompleks, lebih berat, dan lebih serbaguna yang dapat menangani semua jenis kepadatan tanah dan es. Tapi, sekali lagi, ini adalah pemborosan ekstra.
Masih perlu untuk menyelesaikan masalah yang terkait dengan penyimpanan lama cairan superdingin. Teknologi untuk menyimpan zat dan bahan di bawah tekanan tinggi terus meningkat, tetapi apakah teknologi modern dapat bekerja di permukaan Mars untuk waktu yang lama?
Secara umum, di tahun-tahun mendatang, ilmuwan NASA akan menangani semua masalah bermasalah ini. Insinyur Swamp Works, pada gilirannya, akan terus meningkatkan efisiensi dan ketersediaan semua komponen yang dikembangkan dari sistem mereka. Excavator direncanakan dibuat lebih kuat dan ringan. Setelah itu, direncanakan untuk mulai mengujinya dalam buatan yang dibuat dan sedekat mungkin dengan kondisi Mars. Para ilmuwan juga ingin meningkatkan kualitas dan efisiensi tungku, sistem elektrolisis, dan mengembangkan model reaktor Sabatier dan pabrik pendingin yang dapat diskalakan untuk produksi karbon. Para pengembang yakin bahwa solusi dari masalah ini dan banyak masalah lainnya akan mengarah pada fakta bahwa prototipe pengumpul debu tidak lagi menjadi prototipe dan, pada akhirnya, akan terlibat dalam pekerjaan nyata di permukaan Mars.menyediakan penjajah masa depan dengan semua sumber daya yang diperlukan untuk kehidupan.
Nikolay Khizhnyak
