El año es 2038. Después de 18 meses de vivir y trabajar en la superficie de Marte, un equipo de seis investigadores aborda la nave espacial y regresa a la Tierra. No queda ni un alma viviente en el planeta, pero el trabajo no se detiene aquí ni un minuto. Los robots autónomos continúan extrayendo minerales y entregándolos para su procesamiento en una fábrica de síntesis química que se construyó varios años antes de que los humanos pusieran un pie en Marte. La fábrica produce agua, oxígeno y combustible para cohetes a partir de recursos locales, preparando habitualmente suministros para la próxima expedición, que llegará aquí en dos años.
Esta fábrica robótica no es ciencia ficción. Este es un proyecto en el que están trabajando actualmente varios equipos científicos de la agencia aeroespacial de la NASA. Uno de ellos, Swamp Works, trabaja en el Centro Espacial Kennedy en Florida. La instalación que están desarrollando oficialmente se denomina Sistema de utilización de recursos in situ (ISRU), pero las personas que trabajan en ella tienden a llamarla fábrica de polvo porque convierte el polvo ordinario en combustible para cohetes. Este sistema permitirá algún día a los humanos vivir y trabajar en Marte, así como regresar a la Tierra si es necesario.
¿Por qué sintetizar nada en Marte? ¿Por qué no traer todo lo que necesita desde la Tierra? El problema es el costo de este placer. Según algunas estimaciones, se requerirá la entrega de un kilogramo de carga útil (por ejemplo, combustible) de la Tierra a Marte, es decir, poner este kilogramo en la órbita terrestre baja, enviarlo a Marte, ralentizar la nave espacial al entrar en la órbita del planeta y finalmente aterrizar de manera segura en la superficie. quemar 225 kilogramos de combustible para cohetes. La proporción de 225: 1 sigue siendo eficaz. Además, las mismas cifras serán típicas al usar cualquier nave espacial. Es decir, para entregar la misma tonelada de agua, oxígeno o equipo técnico al Planeta Rojo, será necesario quemar 225 toneladas de combustible para cohetes. La única forma de salvarse de una aritmética tan costosa es producir su propia agua,oxígeno o el mismo combustible en su lugar.
Varios grupos de investigación e ingeniería de la NASA están trabajando para resolver varios aspectos de este problema. Por ejemplo, el equipo de Swamp Works en el Kennedy Space Center comenzó recientemente a ensamblar todos los módulos individuales para un sistema de minería. La planta es un prototipo temprano, pero combina todos los detalles que se necesitarán para operar una planta de recolección de polvo.
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El plan a largo plazo de la NASA tiene como objetivo colonizar Marte, pero ahora la agencia está concentrando toda su energía y atención en la Luna. Así, la verificación de la mayoría de los equipos en desarrollo se llevará a cabo primero en la superficie lunar, lo que a su vez resolverá todos los problemas posibles para evitarlos en el futuro cuando se utilice la instalación en Marte.
El polvo y la suciedad en un cuerpo espacial extraterrestre generalmente se llama regolito. En un sentido general, estamos hablando de una roca volcánica, que durante varios millones de años, bajo la influencia de diversas condiciones climáticas, se convirtió en un polvo fino. En Marte, debajo de una capa de minerales de hierro corrosivos que le dan al planeta su famoso tono rojizo, se encuentra una gruesa capa de estructuras de silicio y oxígeno, combinadas con hierro, aluminio y magnesio. La extracción de estos materiales es una tarea muy difícil, ya que las reservas y concentración de estas sustancias pueden variar de una zona del planeta a otra. Desafortunadamente, esta tarea se complica aún más por la baja gravedad de Marte: cavar en tales condiciones, aprovechando la ventaja de la masa, es mucho más difícil. En la Tierra, solemos utilizar grandes máquinas para la minería. Su tamaño y peso le permiten hacer el esfuerzo suficiente para "morder" el suelo. Llevar semejante lujo a Marte sería completamente inadmisible. ¿Recuerda el problema de los costos? Con cada gramo que se envía a Marte, el precio de todo el lanzamiento aumentará constantemente. Por lo tanto, la NASA está trabajando en cómo extraer minerales en el Planeta Rojo utilizando equipos livianos.
Excavadora espacial. La NASA está desarrollando una excavadora robótica con dos cangilones de tambor opuestos que giran en direcciones opuestas entre sí. Este enfoque permitirá que la máquina funcione en condiciones de baja gravedad y eliminará la necesidad de grandes fuerzas.
Conozca RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), un minero autónomo diseñado con el único propósito de excavar regolitos en entornos de baja gravedad. Al desarrollar el RASSOR (leído como "navaja" - del inglés "blade"), los ingenieros de la NASA prestaron especial atención a su sistema de propulsión. Estos últimos están formados por motores, reductores y otros mecanismos que constituyen el grueso de toda la instalación. Utiliza motores sin marco, frenos electromagnéticos y, entre otras cosas, cajas de titanio impresas en 3D para minimizar el peso total y el volumen de la estructura. Como resultado, el sistema tiene aproximadamente la mitad del peso en comparación con otras unidades con especificaciones similares.
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Para excavar, RASSOR utiliza dos cucharones de tambor de oposición, cada uno equipado con varios dientes para agarrar el material. Cuando la máquina está en movimiento, los cangilones giran. Los actuadores que los sujetan se bajan y los tambores, huecos por dentro, cortan literalmente la capa superior del regolito superficial. En otras palabras, la cosechadora solo recoge la capa superior de material, en lugar de excavar más profundo. Otra característica clave de RASSOR es el diseño boxer: los tambores giran en diferentes direcciones. Esto elimina la necesidad de mucho esfuerzo para extraer tierra en condiciones de baja gravedad.
Tan pronto como los bidones RASSOR están llenos, el robot deja de recolectar y avanza hacia la planta de reciclaje. Para descargar el regolito, la máquina simplemente gira los tambores en la dirección opuesta: el material cae por los mismos orificios en los tambores por los que se recogió. La fábrica tiene su propio brazo robótico de elevación que recoge el regolito entregado y lo envía a la cinta de carga de la fábrica, que a su vez entrega el material al horno de vacío. Allí, el regolito se calentará a altas temperaturas. Las moléculas de agua contenidas en el material serán expulsadas por un soplador de gas seco y luego recolectadas usando un termostato de enfriamiento.
Quizás se esté preguntando: "¿No es el regolito marciano originalmente seco?" Seco, pero no en todas partes. Todo depende de dónde y qué tan profundo caves. En algunas áreas del planeta, hay capas enteras de hielo de agua a solo unos centímetros por debajo de la superficie. Incluso más bajo puede haber cal sulfato y areniscas, que pueden contener hasta aproximadamente un 8 por ciento de agua de la masa total del macizo.
Después de la condensación, el regolito gastado se devuelve a la superficie, donde RASSOR puede recogerlo y llevarlo a un lugar más alejado de la fábrica. Este "desperdicio" es en realidad un material muy valioso porque puede usarse para crear estructuras defensivas para asentamientos, así como carreteras y sitios de aterrizaje utilizando tecnologías de impresión 3D, que también se están desarrollando en la NASA.
El esquema de minería en Marte en imágenes:
Desarrollo: un robot con ruedas recoge regolito con cubos giratorios con orificios de muestreo.
Transporte: Los cubos de tambor giratorio inverso descargan el regolito en el brazo robótico de la fábrica.
Procesamiento: Para extraer agua del regolito, se calienta en un horno, donde tiene lugar la electrólisis de hidrógeno y oxígeno.
Transferencia: Después de recibir un cierto volumen de la sustancia, otro brazo robótico, equipado con un sistema cerrado de protección especial, lo carga en el camión cisterna robótico móvil.
Entrega: el camión cisterna entrega agua, oxígeno y metano a los hogares de las personas y los descarga en tanques de almacenamiento a largo plazo.
Uso y almacenamiento: los astronautas usarán agua y oxígeno para respirar y cultivar plantas; el combustible se almacenará como líquidos criogénicos para uso futuro.
Toda el agua que se extraerá del regolito se purificará completamente. El módulo de purificación constará de un sistema de filtración multifase así como de varios sustratos desionizantes.
El líquido no solo se utilizará para beber. Se convertirá en un componente esencial para la producción de combustible para cohetes. Cuando las moléculas de H2O se dividen por electrólisis en moléculas de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), y luego se comprimen y se convierten en un líquido, será posible sintetizar combustible y oxidante, que se utilizan con mayor frecuencia en motores de cohetes de propulsante líquido.
El desafío radica en el hecho de que el hidrógeno líquido debe almacenarse a temperaturas extremadamente bajas. Para ello, la NASA quiere convertir el hidrógeno en el combustible más fácil de almacenar: metano (CH4). Esta sustancia se puede obtener combinando hidrógeno y carbono. ¿Dónde conseguir carbono en Marte?
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Afortunadamente, hay mucho en el Planeta Rojo. La atmósfera marciana está compuesta por un 96% de moléculas de dióxido de carbono. Capturar este carbono es tarea de un congelador dedicado. En términos simples, creará hielo seco a partir del aire.
Habiendo recibido hidrógeno por electrólisis y extraído gas de carbono de la atmósfera, mediante un proceso químico, la reacción de Sabatier, se pueden combinar en metano. Para ello, la NASA está desarrollando un reactor especial. Creará la presión y la temperatura necesarias para soportar la conversión de hidrógeno y dióxido de carbono en metano y agua como subproducto.
Otro detalle interesante de la planta de procesamiento es el brazo robótico umbilical para transferir líquidos al camión cisterna de un camión cisterna. Lo inusual de este sistema es que está especialmente protegido del ambiente externo y, en particular, del polvo. El polvo regolítico es muy fino y puede penetrar en casi todas partes. Dado que el regolito en sí consiste en roca volcánica desmenuzada, es muy abrasivo (se adhiere literalmente a todo), lo que puede crear serios problemas para el funcionamiento del equipo. Las misiones lunares de la NASA en el pasado han demostrado cuán peligrosa es esta sustancia. Violaba las lecturas de la electrónica, provocó el bloqueo de los mecanismos y también se convirtió en la causa de fallas en los controladores de temperatura. Protección de los canales de transmisión eléctrica y líquida del brazo robótico, así como cualquier electrónica de alta sensibilidad.es una de las mayores prioridades para los científicos.
Programación de un brazo robótico umbilical para conectarse a un camión cisterna móvil. El manipulador se utilizará para repostar camiones cisterna con combustible líquido, agua y oxígeno.
A cada lado de la cámara umbilical, montadas sobre un brazo robótico, hay puertas que actúan como esclusas de aire para mantener el polvo fuera de todos los canales internos. Se requieren tres pasos para conectar la cámara al mecanismo del camión cisterna: Primero, después de llenar la cámara, las puertas deben estar bien cerradas en ambos lados para crear una barrera protectora contra el polvo. En segundo lugar, en cada una de las puertas de la cámara umbilical, es necesario abrir pequeños orificios de sellado a través de los cuales se facilitará el acceso a los canales de transferencia de recursos instalados en una placa móvil especial. En tercer lugar, se requiere alinear la posición de los canales de transmisión de la cámara umbilical y los canales para recibir material mediante el mecanismo del camión cisterna, conectando con precisión tanto los conectores eléctricos como los de líquido.
El brazo robótico de la planta de procesamiento de combustible colocará la cámara umbilical en el camión cisterna robótico móvil y luego descargará los materiales producidos. El sistema de llenado en este caso será muy similar al de las estaciones de servicio en la Tierra, pero junto con la gasolina, bombeará agua. O oxígeno líquido. O metano líquido. O todo a la vez.
Recientemente, los ingenieros involucrados en el desarrollo de este proyecto realizaron una demostración de prueba de la instalación en Florida. En esta etapa, los científicos tuvieron que recurrir a modelar los procesos de electrólisis y el propio horno para reducir los costos y la complejidad de la instalación. Además, se realizó una simulación de la obtención de tres productos procesados utilizando agua. Pero en este caso, ya se han utilizado prototipos de hardware y software para todas las partes de la instalación.
Al combinar todas las partes juntas, los ingenieros de Swamp Works pudieron averiguar si había algún problema en el diseño, así como identificar algunos detalles importantes que no serían posibles para determinar si tales pruebas se llevaron a cabo ya en las últimas etapas de desarrollo e integración. Según los desarrolladores, la creación rápida de prototipos y la integración temprana es un enfoque distintivo para el trabajo de su equipo. Gracias a esto, puede descubrir rápidamente el rendimiento de una idea, así como identificar todas las deficiencias existentes en una etapa temprana.
La esencia de la fábrica de combustible para cohetes marcianos es que todo este equipo se empaquetará en una pequeña caja conveniente, se entregará al Planeta Rojo y luego se desempacará por sí solo y comenzará a completar su tarea mucho antes de que lleguen las primeras personas a Marte. El desarrollo de misiones tripuladas a Marte dependerá de la eficiencia de esta fábrica autónoma. Después de todo, sin él, las personas no podrán regresar a la Tierra al final de su guardia. Además, la NASA también cuenta con equipos que trabajan en el cultivo de todo tipo de alimentos (incluidas las patatas). Está previsto que la nueva cosecha se cultive, nuevamente de forma autónoma, durante el envío de personas a Marte y sus vuelos de regreso a la Tierra, para que las personas siempre tengan una cosecha fresca.
En general, el proyecto es realmente gigantesco y requiere una preparación cuidadosa.
La NASA tiene una amplia experiencia con vehículos autónomos y módulos de aterrizaje en Marte. Por ejemplo, los rovers de Marte más recientes, Curiosity, que aterrizó en el Planeta Rojo en 2012 y Mars 2020, que irá allí en 2020, tienen y tendrán un alto nivel de autonomía. Sin embargo, la creación, entrega y uso de la fábrica de cohetes y combustibles marcianos a largo plazo y con el máximo nivel de autonomía requerirá el uso de tecnologías que llevarán la ingeniería espacial a un nivel completamente nuevo.
Para probar el robot excavador, la NASA utiliza un área cerrada llena de más de cien toneladas de roca volcánica triturada. Los minerales sirven como contrapartida del polvo marciano más fino y abrasivo.
Para comenzar la colonización espacial, los científicos e ingenieros deben resolver muchos problemas técnicos. Por ejemplo, es muy importante determinar si cada subsistema que se está desarrollando en una instalación de extracción de recursos naturales en Marte es adecuado para su ampliación. ¿Podrá satisfacer todas las necesidades y alcanzar el nivel de capacidad que se requerirá en el marco de las misiones tripuladas al Planeta Rojo?
Según estimaciones recientes de especialistas de la NASA, un sistema de este tipo en unos 16 meses debería producir unas 7 toneladas de metano líquido y unas 22 toneladas de hidrógeno líquido. En base a esto, para obtener el máximo rendimiento, es necesario determinar con mucha precisión los lugares más adecuados para implementar una fábrica para la recolección y procesamiento de recursos. Además, es necesario calcular cuántas excavadoras RASSOR deberán entregarse a Marte, así como cuántas horas por día necesitarán trabajar para alcanzar un plan de producción determinado. Al final, debe comprender qué tan grande debe ser un congelador para carbono, el reactor Sabatier, y cuánta energía consumirá todo esto.
Los científicos también deben anticipar posibles problemas de fuerza mayor que pueden interferir con la extracción y procesamiento de recursos, retrasando potencialmente el envío de la próxima expedición al Planeta Rojo. Es necesario evaluar todos los posibles riesgos asociados a estos problemas y desarrollar de antemano las formas correctas y rápidas de solucionarlos, posiblemente equipando el sistema con elementos redundantes para reemplazar temporalmente el equipo averiado.
Es necesario asegurar que las tecnologías robóticas puedan mantener las actividades operativas sin interrupción y la necesidad de mantenimiento durante varios años, por lo que su desarrollo se llevará a cabo en estricto cumplimiento de los estándares establecidos. Por ejemplo, será necesario minimizar la cantidad de piezas móviles usadas. Por lo tanto, será posible minimizar el efecto del polvo de regolito en la eficiencia de todo el sistema. Si aborda el problema desde el otro lado y comienza a desarrollar piezas móviles con mayor resistencia al polvo, esto no solo complicará todo el sistema en su conjunto, sino que también le agregará un peso adicional, que, como ya se mencionó, es equivalente al oro.
Los científicos también tienen que averiguar cómo y en qué proporciones el regolito fino y sólido se mezcla con hielo debajo de la superficie de Marte. Estos datos lo ayudarán a preparar las excavadoras de manera más eficiente para la extracción de recursos. Por ejemplo, la versión actual del balde RASSOR es más adecuada para recolectar regolito mezclado con hielo en trozos. Sin embargo, este diseño será menos efectivo cuando sea necesario "morder" capas más grandes de hielo sólido. Para desarrollar un equipo más adecuado, es necesario obtener una comprensión precisa de la distribución del hielo en el Mare. Otra opción es desarrollar equipos más fuertes, complejos, pesados y versátiles que puedan manejar cualquier tipo de suelo y densidad de hielo. Pero, nuevamente, esto es un desperdicio adicional.
Aún así, es necesario resolver problemas relacionados con el almacenamiento prolongado de líquidos sobreenfriados. Las tecnologías para almacenar sustancias y materiales a alta presión están mejorando constantemente, pero ¿las tecnologías modernas podrán funcionar en la superficie de Marte durante mucho tiempo?
En general, en los próximos años, los científicos de la NASA se ocuparán de todos estos temas problemáticos. Los ingenieros de Swamp Works, a su vez, continuarán mejorando la eficiencia y disponibilidad de todos los componentes desarrollados de su sistema. Está previsto que las excavadoras sean aún más resistentes y ligeras. Después de eso, se planea comenzar a probarlos en condiciones creadas artificialmente y lo más cerca posible de las condiciones marcianas. Los científicos también quieren mejorar la calidad y la eficiencia del horno, el sistema de electrólisis y desarrollar un modelo escalable del reactor Sabatier y la planta de refrigeración para la producción de carbono. Los desarrolladores confían en que la solución de estos y muchos otros problemas conducirá al hecho de que el prototipo recolector de polvo dejará de ser un prototipo y, al final, se dedicará a un trabajo real en la superficie de Marte.proporcionando a los futuros colonos todos los recursos necesarios para la vida.
Nikolay Khizhnyak
