Как NASA собирается добывать полезные ископаемые на Марсе?

Год 2038-й. Спустя 18 месяцев жизни и работы на поверхности Марса команда из шести исследователей садится обратно в космический аппарат и возвращается на Землю. На планете не осталось ни одной живой души, но работа здесь не останавливается ни на минуту. Автономные роботы продолжают добычу полезных ископаемых и доставляют их для переработки на фабрику химического синтеза, которая была построена за несколько лет до того, как на Марс впервые ступила нога человека. Фабрика производит из местных ресурсов воду, кислород, а также ракетное топливо, рутинно подготавливая запасы для следующей экспедиции, которая прибудет сюда через два года.

Эта роботизированная фабрика никакая не научная фантастика. Это проект, над которым в настоящий момент трудятся сразу несколько научных команд аэрокосмического агентства NASA. Одна из них, Swamp Works, работает в Космическом центре Кеннеди во Флориде. Официально разрабатываемая ими установка называется «системой утилизации ресурсов in situ» (ISRU), однако люди, которые над ней работают привыкли называть ее пылеулавливающей фабрикой, потому что она перерабатывает обычную пыль в ракетное топливо. Эта система однажды позволит людям жить и работать на Марсе, а также возвращаться при необходимости обратно на Землю.

Зачем вообще что-то синтезировать на Марсе? Почему просто не привезти все необходимое туда с Земли? Проблема в стоимости этого удовольствия. По некоторым оценкам доставка одного килограмма полезной нагрузки (например, топлива) с Земли на Марс — то есть, вывод этого килограмма на низкую околоземную орбиту, отправку его к Марсу, замедление космического аппарата при выходе на орбиту планеты и наконец безопасную посадку на поверхность – потребуется сжечь 225 килограммов ракетного топлива. Соотношение 225:1 – та еще эффективность. При этом те же цифры будут характерны при использовании любого космического корабля. То есть, для доставки той же тонны воды, кислорода или технического оборудования на Красную планету потребуется сжечь 225 тонн ракетного топлива. Единственный способ избавить себя от такой затратной арифметики – собственное производство воды, кислорода или того же топлива на месте.

Сразу несколько исследовательских и инженерных групп в NASA работают над решением различных аспектов этой проблемы. Например, команда Swamp Works из Космического центра Кеннеди недавно начала сборку всех отдельных модулей системы добычи полезных ископаемых. Установка представляет собой ранний прототип, но сочетает в себе все детали, которые будут необходимы для работы пылеулавливающей фабрики.

Долгосрочный план NASA направлен на колонизацию Марса, но сейчас агентство сконцентрировало все свои силы и внимание на Луне. Таким образом проверка большей части разрабатываемого оборудования будет проводиться сперва на лунной поверхности, что в свою очередь позволит решить все возможные проблемы, чтобы избежать их в будущем при использовании установки на Марсе.

Пыль и грязь на внеземном космическом теле принято называть реголитом. В общем смысле речь идет о вулканической породе, которая за несколько миллионов лет под воздействием различных погодных условий превратилась в мелкий порошок. На Марсе под слоем коррозийных минералов железа, которые дают планете ее знаменитый красноватый оттенок, лежит толстый слой кремниевых и кислородных структур, соединенных с железом, алюминием и магнием. Добыча этих материалов представляет собой очень сложную задачу, поскольку запасы и концентрация этих веществ может варьироваться от одной области планеты к другой. К сожалению, эта задача усложняется еще и низкой гравитацией Марса – копать в таких условиях, используя преимущество массы гораздо сложнее. На Земле для добычи полезных ископаемых мы обычно используем большие машины. Их размеры и вес позволяют прилагать достаточно усилий для того, чтобы «вгрызаться» в грунт. Везти на Марс такую роскошь будет совершенно непозволительно. Помните проблему стоимости? С каждым граммом, который будет отправлен на Марс, цена всего запуска будет постоянно возрастать. Поэтому в NASA работают над тем, как производить добычу минералов на Красной планете с использованием легковесного оборудования.

Космический экскаватор. NASA разрабатывает роботизированный экскаватор с двумя противоположными барабанными ковшами, вращающимися в противоположном друг от друга направлении. Такой подход позволит машине работать в условиях низкой гравитации и исключит необходимость в приложении больших усилий

Знакомьтесь, RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) – автономный добытчик, разработанный с единственной целью – копать реголит в условиях низкой гравитации. При разработке RASSOR (читается как «рейзор» — от английского «лезвие») инженеры NASA уделили особое внимание его системе силовых приводов. Последние состоят из моторов, редукторов и других механизмов, составляющих основную массу всей установки. Здесь используются бескаркасные двигатели, электромагнитные тормоза, а также, среди прочих вещей, 3D-напечатанные титановые корпуса – все для того, чтобы минимизировать общий вес и объем конструкции. Как итог, система обладает примерно в половину меньшей массой, по сравнению другими приводами, имеющими аналогичные технические характеристики.

Для рытья RASSOR использует два оппозиционных барабанных ковша, каждый из которых оснащен несколькими зубьями для захвата материала. При движении аппарата барабанные ковши вращаются. Приводы, которые их удерживают, опускаются и барабаны, полые внутри, в буквальном смысле срезают верхний слой поверхностного реголита. Другими словами, комбайн производит забор лишь верхнего слоя материала, а не роет вглубь. Еще одной ключевой особенностью RASSOR является оппозитная конструкция – барабаны вращаются в разных направлениях. Это позволяет не применять большие усилия для забора грунта в условиях низкой гравитации.

Как только барабаны RASSOR заполняются, робот прекращает сбор и движется в сторону перерабатывающей фабрики. Для разгрузки реголита машина просто вращает барабаны в противоположном направлении – материал падает через те же отверстия в барабанах, через которые производился его сбор. Имеющая у фабрики своя роботизированная рука-подъемник собирает доставленный реголит и отправляет его на загрузочную ленту фабрики, которая в свою очередь доставляет материал в вакуумную печь. Там реголит будет разогреваться до высоких температур. Содержащиеся в материале молекулы воды будут выдуваться сухой газодувкой, а затем собираться с помощью охлаждающего термостата.

Вы возможно задаетесь вопросом: «а разве марсианский реголит изначально не сухой?». Сухой, но не везде. Все зависит от того, где и как глубоко вы будете копать. В некоторых областях планеты всего в нескольких сантиметрах под поверхностью имеются целые пласты водного льда. Еще ниже могут находиться сернокислая известь и песчаники, в которых может содержаться примерно до 8 процентов воды от общей массы массива.

После конденсации отработанный реголит выбрасывается обратно на поверхность, где RASSOR может его подобрать и отвезти в более удаленное от фабрики место. Эти «отходы» на самом деле представляют собой очень ценный материал, поскольку из него при помощи технологий 3D-печати, которые в настоящий момент также разрабатываются в NASA, можно будет создавать защитные сооружения для поселения, а также дороги и посадочные площадки.

Схема добычи полезных ископаемых на Марсе в картинках:

Разработка: Колесный робот производит забор реголита вращающимися ковшами с забороными отверстиями

Транспортировка: Вращающиеся в обратном направлении ковши-барабаны разгружают реголит в роботизированную руку фабрики

Переработка: Для извлечения воды из реголита его разогревают в печи, где происходит электролиз водорода и кислорода

Передача: После получения определенного объема вещества, другая роботизированная рука, оборудованная специальной защитной закрытой системой, загружает его на мобильный роботизированный танкер

Доставка: Танкер доставляет воду, кислород и метан к жилищу людей и выгружает их в резервуары длительного хранения

Использование и хранение: Астронавты будут использовать воду и кислород для дыхания, а также выращивания растений; топливо будет храниться в виде криогенных жидкостей для будущего использования

Вся вода, которая будет добываться из реголита, будет проходить тщательную очистку. Модуль очистки будет состоять из многофазной системы фильтрации, а также нескольких деионизирующих подложек.

Жидкость будет использоваться не только для питья. Она станет важнейшим компонентом для производства ракетного топлива. При расщеплении молекул H2O с помощью электролиза на молекулы водорода (H2) и кислорода (O2), а затем компрессии и превращении в жидкость, можно будет синтезировать топливо и окислитель, которые наиболее часто применяются в жидкостных ракетных двигателях.

Сложность заключается в том, что жидкий водород должен храниться при экстремально низких температурах. Для этого NASA хочет превращать водород в тот вид топлива, который будет проще всего хранить: метан (CH4). Это вещество можно получить при соединении водорода и углерода. Где добывать углерод на Марсе?

К счастью, на Красной планете его очень много. Марсианская атмосфера на 96 процентов состоит из молекул углекислого газа. Захват этого углерода – задача специальной морозильной установки. Если говорить простыми словами, она будет создавать из воздуха сухой лед.

Получив с помощью электролиза водород и добыв углеродный газ из атмосферы, с помощью химического процесса — реакции Сабатье — их можно будет соединить в метан. Для этого NASA разрабатывает специальный реактор. В нем будут создаваться необходимые давление и температура для поддержания реакции превращения водорода и углекислого газа в метан и воду в качестве побочного продукта.

Следующей интересной деталью перерабатывающей фабрики является омбилическая роботизированная рука для передачи жидкостей к цистерне мобильного танкера. Необычное в этой системе то, что она особым образом защищена от внешней среды и в частности пыли. Реголитная пыль очень мелкая и способна проникнуть практически везде. Поскольку сам реголит состоит из раскрошившейся вулканической породы, он очень абразивный (цепляется буквально ко всему), что может создать серьезные проблемы для работы оборудования. Лунные миссии NASA в прошлом показали насколько опасно это вещество. Оно нарушало показания электроники, приводило к заклиниванию механизмов, а также становилось причиной сбоев в термоконтроллерах. Защита электрических и жидкостных каналов передачи роботизированной руки, как и любой очень чувствительной электроники, является для ученых одной из самых приоритетных задач.

Программирование омбилической роботизированный руки для подключения к мобильному танкеру. Манипулятор будет использоваться для заправки танкеров жидким топливом, водой и кислородом

На каждой стороне омбилической камеры, установленной на роботизированный манипулятор, находятся дверцы, действующие как воздушные шлюзы, предохраняющие все внутренние каналы от пыли. Для соединения камеры с механизмом танкера требуется выполнить три шага: во-первых, после заполнения камеры требуется надежно закрыть дверцы с обоих сторон, чтобы создать защитный антипылевой барьер. Во-вторых, в каждой из дверей омбилической камеры необходимо открыть небольшие уплотнительные отверстия, через которые будет предоставляться доступ к каналам передачи ресурсов, установленным на специальной движущейся пластине. В-третьих, требуется выровнять положение каналов передачи омбилической камеры и каналов приема материала механизмом танкера, точно соединив между собой как электрические, так и жидкостные коннекторы.

Роботизированный манипулятор топливоперерабатывающей фабрики будет помещать омбилическую камеру на мобильный роботизированный танкер, а затем разгружать произведенные материалы. Система заправки в этом случае будет очень походить на заправочные станции на Земле, но вместе бензина, она будет перекачивать воду. Или жидкий кислород. Или жидкий метан. Или все вместе сразу.

Недавно инженеры, занимающиеся разработкой этого проекта, провели тестовую демонстрацию установки во Флориде. На этом этапе ученым пришлось прибегнуть к моделированию процессов электролиза и самой печи для сокращения расходов и сложности установки. Кроме того, была проведена симуляция получения с помощью воды трех продуктов переработки. Но в этом случае уже использовались прототипы как аппаратных, так и программных средств для всех частей установки.

Объединив все части вместе, инженеры Swamp Works смогли выяснить наличие тех или иных проблем в дизайне, а также определить некоторые важные детали, которые невозможно было бы определить, если бы подобные тесты проводились уже на последних стадиях разработки и интеграции. По словам разработчиков, быстрое создание прототипа и ранняя интеграция являются отличительный подходом к работе их команды. Благодаря этому можно быстро выяснить работоспособность той или иной идеи, а также определить все имеющиеся недостатки еще на ранней стадии.

Суть марсианской ракетно-топливной фабрики заключается в том, что все это оборудование будет упаковано в небольшую удобную коробку, доставлено на Красную планету, а затем самостоятельно распакуется и приступит к выполнению своей задачи задолго до того, как на Марс прибудут первые люди. Разработка пилотируемых экспедиций на Марс будет зависеть от эффективности этой автономной фабрики. Ведь без нее люди не смогут вернуться обратно на Землю по завершению своей вахты. Кроме того, в NASA также работают команды, которые занимаются вопросами выращивания всевозможных продуктов питания (включая картофель). Новый урожай планируется выращивать опять же автономным способом во время отправки людей Марс и их полетов обратно на Землю, чтобы людей всегда ждал свежий урожай.

В общем, проект по-настоящему гигантский и требует тщательной подготовки.

У NASA имеется большой запас опыта работы автономных роверов и посадочных модулей на Марсе. Например, самые последние марсоходы – «Кьюриосити», высадившийся на Красную планету в 2012 году и «Марс 2020», который отправится туда в 2020 году – обладают и будут обладать высоким уровнем автономности. Однако создание, доставка и использование марсианской ракетно-топливной фабрики в долговременной перспективе и с максимальным уровнем автономности потребует использования таких технологий, которые выведут космическую инженерию на совершенно новый уровень.

Для испытания робота-экскаватора NASA использует закрытую площадку, засыпанную более чем сотней тонн раздробленной вулканической породы. Минералы служат в качестве аналога мельчайшей и абразивной марсианской пыли

Для начала космической колонизации ученым и инженерам предстоит решить множество технических задач. Например, очень важно определить, подходит ли каждая разрабатываемая подсистема установки по добыче природных марсианских ресурсов для масштабирования. Сможет ли она удовлетворять все потребности и выйти на тот уровень пропускной способности, который будет необходим в рамках пилотируемых миссий на Красную планету.

Согласно недавним подсчетам специалистов NASA, подобная система примерно за 16 месяцев должна будет производить около 7 тонн жидкого метана и около 22 тонн жидкого водорода. Исходя из этого, для максимальной отдачи необходимо очень точно определить наиболее подходящие места для развертывания фабрики по сбору и переработке ресурсов. Кроме того, необходимо рассчитать сколько экскаваторов RASSOR потребуется доставить на Марс, а также сколько часов в сутки им необходимо будет работать, чтобы выйти на заданный план добычи. В конце концов нужно понять насколько большой должна быть морозильная установка для углерода, реактор Сабатье, а также сколько все это добро будет потреблять энергии.

Также ученым необходимо предусмотреть возможные форс-мажорные проблемы, которые могут помешать добыче и переработке ресурсов, потенциально задержав отправку следующей экспедиции на Красную планету. Необходимо оценить все возможные риски, связанные с этими проблемами и заранее разработать правильные и быстрые пути их решения, возможно оснастив систему дублирующими элементами для временной замены вышедшего из строя оборудования.

Необходимо убедиться, что роботизированные технологии смогут поддерживать операционную деятельность без остановки и необходимости в обслуживании в течении нескольких лет, поэтому их разработка будет проходить в строгом соответствии с установленными стандартами. Например, потребуется максимально снизить объем использующихся двигающихся частей. Таким образом можно будет минимизировать воздействие реголитной пыли на эффективность всей системы. Если же подойти к вопросу с другой стороны и начать разрабатывать двигающиеся части с более высокой устойчивостью к пыли, то это не только усложнит всю систему в целом, но еще и добавит к ней лишнего веса, который, как уже говорилось, равноценен золоту.

Ученым также предстоит выяснить, каким образом и в каких пропорциях мелкий и твердый реголит смешан со льдом под поверхностью Марса. Эти данные помогут более эффективно подготовить экскаваторы для добычи ресурсов. Например, текущая версия ковша RASSOR наиболее приспособлена для сбора реголита, смешанного с кусковым льдом. Однако данный дизайн будет менее эффективен при необходимости «вгрызаться» в более крупные пласты твердого льда. Для разработки более подходящего оборудования необходимо получить точное представление о распределении льда на Маре. Другой вариант – разработать более прочное, более сложное, более тяжелое и универсальное оборудование, которое сможет работать с любым видом почвы и плотностью ледяных пластов. Но, опять же, это лишние траты.

Еще нужно решить вопросы, связанные с долгим хранением сверхохлажденных жидкостей. Технологии хранения веществ и материалов под высоким давлением постоянно совершенствуются, но смогут ли современные технологии работать на поверхности Марса продолжительное количество времени?

В общем, в ближайшие годы ученые NASA будут заниматься решением всех этих проблемных вопросов. Инженеры Swamp Works в свою очередь продолжат повышать эффективность и готовность всех разрабатываемых компонентов их системы. Экскаваторы планируют сделать еще более крепкими и легкими. После этого планируется приступить к их испытаниям в искусственно созданных и максимально приближенных к марсианским условиях. Ученые также хотят повысить качество и эффективность печи, системы электролиза, а также разработать масштабируемую модель реактора Сабатье и холодильной установки для производства углерода. Разработчики уверены, что решение этих и многих других задач, приведет к тому, что пылесборочный прототип перестанет быть прототипом и в конце концов займется настоящей работой на поверхности Марса, обеспечивая будущих колонистов всеми необходимыми для жизни ресурсами.

Обсудить разработку марсианских экскаваторов и ресурсоперерабатывающей фабрики можно в нашем Telegram-чате.

Источник