Хабрахабр

[Перевод] Как НАСА будет использовать роботов для создания ракетного топлива из марсианской почвы

Инженеры строят прототип роботизированной фабрики, которая создаст воду, кислород и топливо на поверхности Марса


Марсиане: представление художника о роботах-экскаваторах, которые однажды могут заработать на Марсе, задолго до того, как первые люди ступят на планету

После 18 месяцев жизни и работы на поверхности Марса команда из шести исследователей погружается на космическую транспортную ракету и отправляется на Землю. 2038 год. Фабрика выдаёт воду, кислород и топливное горючее, используя местные ресурсы, и она будет методично создавать все необходимые материалы для следующей марсианской миссии, которая прибудет через два года. Люди не остаются, но работа продолжается без них: автономные роботы продолжат горнодобывающие работы и химический синтез, начатый ими за много лет до того, как эта первая пилотируемая миссия опустилась на планету.

В её разработке участвует множество команд НАСА. Эта роботизированная фабрика – не научная фантастика. Официально она известна, как система локальной утилизации ресурсов (in situ resource utilization, ISRU), но нам нравится называть её «пылетопливной фабрикой» [dust-to-thrust], поскольку она превращает простую пыль в ракетное топливо. Одна из них – лаборатория Свамп-воркс в Космическом центре Кеннеди во Флориде, руководителем которой являюсь я. НАСА объясняет это «проблемой передаточных чисел». Когда-нибудь эта технология позволит людям жить и работать на Марсе – и вернуться на Землю, чтобы рассказать об этом.
Но зачем синтезировать вещества на Марсе, не проще ли доставить их с Земли? Мы начнём с 226 кг топлива и получим 1 кг, то есть передаточное число составляет 226:1. По некоторым оценкам, для доставки одного килограмма топлива с Земли на Марсе сегодняшним ракетам потребуется сжечь 225 кг горючего на перелёт – на выход на низкую орбиту Земли, полёт в сторону Марса, замедление для выхода на марсианскую орбиту, и замедление для безопасной посадки на поверхность. Нам нужно будет 225 тонн горючего для перевозки тонны воды, тонны кислорода, тонны оборудования. И это число не меняется, вне зависимости от того, что мы перевозим. Единственный способ обойти эту жестокую арифметику – создавать воду, кислород и горючее на месте.

Недавно наша команда Свамп-Воркс начала интегрировать многие отдельные работающие модули, чтобы продемонстрировать всю систему закрытого цикла. Различные исследовательские и инженерные группы в НАСА работают над разными частями этой проблемы. И хотя долговременный план – это полёт на Марс, промежуточным шагом станет Луна. Это всё ещё прототип, но он демонстрирует все части, необходимые для превращения нашей пылетопливной фабрики в реальность. Большую часть оборудования опробуют и подрегулируют сначала на лунной поверхности, уменьшив таким образом риски, связанные с её отправкой сразу на Марс.

Чаще всего это просто вулканический камень, который был разрушен или подвергся эрозии, превратившись со временем в мелкую пыль. Грязь или пыль на любом небесном теле обычно называют реголитом. На Марсе под слоем ржавеющих железосодержащих минералов, придающих планете её знаменитый красный оттенок, лежит более толстый слой таких силикатов, как полевые шпаты, пироксены и оливины – все они состоят из кремниевых и кислородных структур, связанных с такими металлами, как железо, алюминий и магний.

Усложняет задачу ещё и низкая марсианская гравитация, из-за чего тяжело вгонять лопату в землю, не используя свой вес для противодействия. Добыча этих материалов осложняется тем, что их плотность и компактность меняется в зависимости от места на планете. Однако помните о передаточных числах: каждый килограмм, запускаемый на Марс, драгоценен, и обходится нам очень дорого. На Земле, копая почву, мы часто используем крупные механизмы, поскольку их тяжесть соответственно реагируют на силы, действующие на гораздо более мелкий ковш. Поэтому нам необходимо придумать, как копать поверхность Марса при помощи очень легкого оборудования.

Такой подход нивелирует большую часть сил, необходимых для копания, что позволяет роботу работать при низкой гравитации.
Космический землекоп: НАСА разрабатывает робот-экскаватор с противоположными барабанными ковшами, способными вгрызаться в почву, вращаясь в противоположном направлении.

бритва) / прим. И тут на сцену выходит RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) [передовой реголитовый робот для поверхностных работ; произносится, как razor (англ. Это автономное горнодобывающее устройство, предназначенное для выкапывания реголита в условиях низкой гравитации. перев.]. У роботов передача осуществляется посредством моторов, коробок передач и других механизмов, составляющих большой процент конечного веса системы. При разработке RASSOR инженеры НАСА особое внимание уделили его системе передачи усилий. Усилия оправдались: у нашей системы вес вполовину меньше, чем у коммерческих силовых систем со схожими характеристиками. В нашей схеме мы используем бескорпусные двигатели, электромагнитные тормоза и распечатанные на 3D-принтере титановые корпуса, а также ещё много всего, для минимизации объёма и веса.

Когда барабаны вращаются, а удерживающие их руки вгрызаются в почву, они подцепляют небольшое количество реголита в каждый совочек при его медленном движении вперёд. Для копания RASSOR использует два противоположных барабанных ковша, оснащённых несколькими небольшими зубастыми совками. Вращающиеся копательные барабаны внутри пустые, благодаря чему они могут собирать и хранить добытый реголит. В результате получается неглубокая колея вместо глубокой дыры. Такой подход нивелирует большую часть сил, необходимых для копания, что позволяет роботу работать при низкой гравитации. Ещё одна ключевая особенность RASSOR состоит в том, что во время копания барабаны вращаются в противоположных направлениях.

Заполнив барабаны, RASSOR поднимает руки и едет к перерабатывающей фабрике. Для разгрузки реголита робот вращает барабаны в обратном направлении, и реголит сыпется из тех же совочков, которые его копали. Специальный подъёмник доставляет порцию реголита на платформу фабрики, перенося его в печку, которая герметично закрывается и начинает разогреваться. Соединённые с реголитом молекулы воды сдуваются вентилятором и собираются в конденсаторной трубе.

Всё зависит от того, где копать и как глубоко копать. Вы, возможно, спросите, «А разве марсианский реголит не сухой?» Ответ – всё сложно. На нижних широтах есть дюны гипсового песка, в которых содержится до 8% воды. В некоторых частях Марса, судя по всему, всего в нескольких метрах под поверхностью находятся сплошные пласты водяного льда.

Эти «отходы» можно использовать для строительства защитных структур, и даже дорог и посадочных площадок, используя методы 3D-печати, в данный момент находящиеся в разработке в НАСА. Освобождённый от воды реголит сбрасывают на землю, чтобы RASSOR смог собрать его и увезти.


Добыча: колёсный робот добывает реголит при помощи вращающихся барабанов, оснащённых зубастыми совками


Перевозка: вращая барабаны в обратном направлении, робот сбрасывает собранную породу в подъёмник

Используя реакцию Сабатье, H2 комбинируют с CO2, собранным в атмосфере, получая метановое горючее.
Переработка: печка разогревает реголит для извлечения воды, которую электролизом разделяют на H2 и O2.


Перемещение: роботизированная рука с камерой, оснащённой герметичными дверьми, препятствующими проникновению пыли, перемещает жидкости в мобильную цистерну

Топливо хранится в виде криогенных жидкостей для будущего использования.
Доставка: цистерна доставляет воду, кислород и метан в места обитания людей и баки длительного хранения.
Использование и хранение: космонавты потребляют воду и кислород, также используя их для выращивания растений.

В очистительном сооружении используется система многоступенчатой фильтрации вместе с деионизаторами. Добытая из реголита вода очищается.

Разделяя молекулы H2O при помощи электролиза на молекулы водорода H2 и кислорода O2, а потом сжимая и сжижая эти газы отдельно, можно синтезировать горючее и окислитель, чаще всего использующиеся в ракетных двигателях на жидком топливе. Вода потребуется не только для питья: это также ключевой ингредиент ракетного топлива.

Поэтому НАСА планирует превращать водород в горючее, которое гораздо легче хранить: метан (CH4). Проблема в том, что жидкий водород необходимо хранить при чрезвычайно низких температурах. Но где на Марсе взять углерод? Его можно получить, комбинируя водород с углеродом.

Марсианская атмосфера на 96% состоит из двуокиси углерода. К счастью, на Марсе полно углерода. За сбор углерода отвечает замораживатель двуокиси углерода; он, по сути, изготавливает сухой лёд из воздуха.

Особый реактор, разрабатываемый в НАСА, создаёт необходимые для поддержки реакции давление и температуру, в результате чего водород и двуокись углерода превращаются в метан, выделяя в качестве отходов воду. Собрав водород из электролизера и двуокись углерода из атмосферы, мы можем скомбинировать их в метан благодаря такому химическому процессу, как реакция Сабатье.

Необычно в ней то, что камера специально разработана для того, чтобы не давать проникнуть внутрь пыли. Следующая машина на фабрике – это роботизированная рука с герметичной камерой, перемещающая жидкости во внешнюю цистерну. Поскольку реголит состоит из раздробленного вулканического камня, он очень абразивен и вреден для оборудования. Реголитовая пыль весьма мелкая, и проникает повсюду. Поэтому критически важно не давать ему проникать в роботизированные руки, электрические контакты, проводящие жидкости трубы и чувствительную электронику. Лунные миссии НАСА показали, что реголит был повинен в массе проблем, включая неверные показания приборов, загрязнение механизмов, отказ изоляции и выход из строя температурного контроля.

Шланг разработан так, чтобы заполнять цистерну жидким топливом, водой и кислородом.
Курт Лойт программирует роборуку для соединения заправочного шланга с мобильной цистерной.

Для соединения требуется три этапа: на первом этапе закрытые двери закрытые двери прижимаются друг к другу, и уплотнитель по периметру создаёт барьер, непроницаемый для пыли. С каждой стороны роборуки есть набор дверей, работающих на манер воздушного шлюза, и не пропускающих внутрь пыль. На последнем этапе платформы сдвигаются, соединяя все электрические и жидкостные коннекторы. На втором этапе двери, защищённые уплотнителем, открываются, обнажая коннекторы, закреплённые на подвижной платформе.

В этом смысле обрабатывающая система похожа на заправочные станции, но вместо бензина она может наливать воду. Роборука топливной фабрики возьмёт камеру и опустит её к мобильной цистерне, подключится к ней и разгрузит конечные продукты. Или жидкий метан. Или жидкий кислород. Или всё это вместе!

На данный момент нам пришлось симулировать печку и электролиз, чтобы уменьшить стоимость и сложность проекта. Недавно мы продемонстрировали эту фабрику в лаборатории Свамп-Воркс. Но для всех остальных частей использовались работающие прототипы оборудования и ПО. Мы также симулировали конечные продукты, используя во всех случаях воду.

Это один из главных принципов Свамп-Воркс: быстрое прототипирование и ранняя интеграция, позволяющая быстро доказывать работоспособность схем и отлавливать отказы на раннем этапе. Собрав все подсистемы вместе, мы изучали проблемы и отказы, и выучили несколько важных уроков, которые ускользнули бы от нас, собери мы нашу систему целиком только к концу разработки и испытаний.

Пилотируемые миссии на Марс будут зависеть от запуска автономного производства и хранения горючего на обратную дорогу ещё до того, как космонавтов запустят с Земли. Идея марсианской топливной лаборатории состоит в том, что её упакуют в аккуратную коробочку, отправят на Марс, развернут и запустят на поверхности планеты задолго до прибытия людей. Включая картофель. В НАСА также есть команды, думающие над тем, как выращивать разные продукты во время перелёта и нахождения на Марсе.

Очень многое. Что же ещё должно произойти до этого момента?

У недавних вездеходов – Кьюриосити, опустившегося на поверхность в 2012 году, и вездехода «Марс 2020», который будет запущен в 2020 – есть определённая доля автономности. У НАСА есть многолетний опыт использования отдельных спускаемых аппаратов и независимых вездеходов, работающих на поверхности Марса. Но сложность этой марсианской топливной фабрики, длительное время работы и уровень автономности, требующийся от такой системы, поднимает задачу на совершенно новый уровень.

Материал служит аналогом чрезвычайно мелкой и абразивной пыли, находящейся на поверхности Марса.
Тонны пыли: для проверки роботов-экскаваторов НАСА использует закрытое помещение с более чем 100 тоннами измельчённой вулканической породы.

Один из наиболее критических вопросов состоит в том, можно ли масштабировать каждую подсистему нашей перерабатывающей фабрики так, чтобы удовлетворить требованиям пилотируемой миссии. До начала подобной миссии нам необходимо преодолеть множество технических препятствий. Затем необходимо выяснить, где нужно посадить модуль и начать переработку, чтобы максимизировать выдачу, сколько экскаваторов типа RASSOR нам потребуется, и сколько часов в день им придётся работать. Недавние исследования показывают, что такой системе нужно будет произвести порядка 7 тонн жидкого метана и 22 тонн жидкого кислорода за 16 месяцев. Также нам необходимо выяснить нужные размеры замораживателя двуокиси углерода и реактора Сабатье и объём потребляемой всем оборудованием энергии.

Нам придётся оценить вероятность каждого из отказов, чтобы добавить нужной избыточности и дублирования в систему. Кроме того, необходимо предвидеть возможные проблемы, уточнив, какие именно отказы могут прервать перерабатывающую миссию, откладывая прибытие пилотируемой миссии.

Все движущиеся части должны либо не подвергаться воздействию разрушительных частиц реголитовой пыли, либо выдерживать её. Чтобы убедиться, что робототехника сможет работать годами без обслуживания и ремонта, нам нужно изготовить её по очень точным спецификациям. Нужно либо улучшить уплотнители, либо усилить движущиеся части, а это добавит сложности и веса в оборудование, если только мы не придумаем какого-то гениального способа обхода этой проблемы.

Имеющиеся экскаваторы лучше всего работают на плотном реголите, смешанном с кусочками льда. Нам также нужно выяснить, насколько плотной является смесь реголита и льда под поверхностью Марса, и соответственно разработать добывающее оборудование. Нам потребуется убедительное свидетельство состава льда и реголита под поверхностью Марса, чтобы разработать наиболее соответствующее ситуации и эффективное добывающее оборудование. Но такая схема не подойдёт для разбития крупных пластов крепкого льда. Либо нам придётся разрабатывать более сложные и надёжные инструменты, способные справиться с различной плотностью почвы и льда.

Ёмкости для хранения под давлением и изоляция постоянно совершенствуются, но смогут ли текущие технологии подолгу работать на поверхности Марса? Ещё нам нужно решить проблемы долговременного хранения очень холодных жидкостей.

Мы будем продолжать увеличивать возможности и уровень готовности всех прототипов. В последующие несколько лет НАСА изучит все эти проблемы. Мы продолжим испытывать и интегрировать печку и электролизер, и попытаемся масштабировать замораживатель двуокиси углерода и реактор Сабатье, чтобы подтвердить, что они смогут удовлетворить нужды пилотируемой миссии на Марс. Мы сделаем робота RASSOR сильнее и легче, и испытаем его в условиях, похожих на марсианские. Вся эта работа будет продолжаться, чтобы наш прототип пылетопливной фабрики однажды смог стать полностью работоспособной системой на Марсе.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть