Запознайте се с роботите пионери, които ще ни позволят да колонизираме Марс

От предстоящото на НАСА Мисия от Луната до Марс на амбициозните планове на Илон Мъск да използвайте SpaceX Starship за да колонизират евентуално Марс, надпреварата за заселване на Червената планета вече е в ход. Но преди хората да могат да посетят Марс и да създадат каквато и да е дългосрочна база там, трябва да изпратим разузнавачи, за да видят разположението на земята и да я подготвят за пилотирани мисии.

Механичните пионери, които ще изпратим на Марс през следващите години, ще следват следите на изследователи като Марсоход на любопитството и на Спускаем апарат Insight, но следващото поколение марсианска роботика ще използва усъвършенстван AI, нови методи за задвижване и гъвкави малки сателити, за да посрещне предизвикателствата на колонизирането на нов свят.

Проектиране за околната среда на Марс

Има различни трудности при изграждането на машини, които могат да издържат на марсианската среда. Първо, има студ, със средни температури около минус 80 градуса по Фаренхайт и падащи до минус 190 градуса по Фаренхайт на полюсите. След това има тънка атмосфера, която е само един процент от плътността на земната атмосфера. И тогава има проблемния прах, който се вдига при всякакви операции на повърхността на планетата, да не говорим за интензивната радиация от слънчевите лъчи.

Тези условия на околната среда създават проблеми за роботиката, от температурни промени, които причиняват механизмите, до разширяват се и се свиват и така се износват с течение на времето, до навлизане на прах в зъбните колела, което предотвратява използването на изложени смазване.

„Това е много уникална и екстремна среда, дори за космическа роботика“, каза Ал Тадрос, вицепрезидент по космоса Инфраструктура и гражданско пространство в Maxar Technologies, която е компанията, която изгражда роботизирани ръце за Марсоходите на НАСА. Роботизираните ръце на Maxar трябва да могат не само да оцелеят в тази сурова среда, но и да изпълняват задачи като копаене и сондиране, които позволяват научни изследвания.

Друго съображение са ограниченията на теглото. Когато една част трябва да бъде доставена на Марс с ракета, всеки един грам трябва да бъде обмислен и отчетен, а това изисква внимателно подбиране на материали. „Голяма част от това, което правим, използва различни видове алуминий“, обясни Тадрос. „Ние също използваме титан и в някои случаи използваме въглеродни влакна, в зависимост от приложението.“ Други трикове за спестяване на тегло включват издълбаване на някои секции, които не е необходимо да бъдат толкова структурно здрави, като например дължината на роботизирана ръка, която може да бъде направена от матричен композит с пчелна пита тръби.

Оставете роботите да изследват сами

Когато марсоход бъде доставен на повърхността на Марс, той може да започне да изследва. Въпреки това, поради разстоянието от Земята, не е възможно инженерите да контролират директно роувърите. Вместо това роботите имат известна степен на автономност в своите изследвания, като НАСА упражнява надзорно командване.

„Те могат да кажат на марсохода да измине пет метра в тази посока“, казва Тадрос като пример. Ако има проблем с изпълнението на тази команда, марсоходът ще спре и ще изчака допълнителни инструкции. „Това е доста елементарно в този смисъл. Но в бъдеще желанието е да има автономност на борда, така че марсоходът да разпознава „О, казаха ми да измина пет метра, но тук има камък. Ще заобиколя в тази посока, защото знам, че теренът е отворен.“

С карта и местни познания марсоходите ще могат да извършват самонавигация. Те дори в крайна сметка ще могат да извършват наука автономно, така че учените ще трябва само да уточнят команда като „намерете този вид скала“ и марсоходът може да локализира и анализира проба. Този вид автономия вече се планира като част от предстоящата лунна мисия на НАСА с VIPER роувър, каза Тадрос. „Ще се извършва бързо проучване, разглеждане и характеризиране на реголита и скалите, за да се търси лед и други материали.“

С роботика като VIPER и др Марскоптер стартирайки като част от проекта Марс 2020, можем да очакваме машини да разузнават и изследват Марс, откриване на местни ресурси и опасности, които ще помогнат или възпрепятстват оцеляването на хората на планета.

Изграждане на система за позициониране на Марс

Знаейки къде хората могат безопасно да кацнат на Марс и къде могат да намерят ресурсите, от които се нуждаят, е първата стъпка към колонизацията. Но истинската разлика между едно посещение и дългосрочен престой на друга планета е въпрос на инфраструктура. От водата до комуникациите до изграждането на местообитания, ще трябва да намерим начин да осигурим основните жизнени нужди по устойчив начин.

Един метод за създаване на ранна инфраструктура е чрез използването на малки спътници или малки сателити. „Ако мислите да колонизирате Марс, мястото, където малките спътници идват, е създаването на инфраструктура за колонията“, каза Брад Кинг, главен изпълнителен директор на Orbion, компания, създаваща по-ефективни системи за задвижване за малки сателити. „Имаме нужда от комуникационни мрежи на Марс, както между две точки на Марс, така и от Марс обратно към Земята. На Земята сме решили много от тези проблеми с орбитални сателити около нашата планета.

Малките сателити биха могли да изпълняват подобни функции на Марс, като създадат марсиански еквивалент на GPS – можем да го наречем система за позициониране на Марс. Те могат също така да разузнават повърхността на планетата, подготвяйки района за идването на хората.

Стигане от А до Б

Въпросът е да получите сателити от Земята до Марс по достъпен начин. Традиционно корабите се придвижват в космоса чрез химическо задвижване – тоест изгаряне на гориво за създаване на тяга. Това е чудесен начин за създаване на големи количества тяга, като например тягата, необходима на ракетата да напусне земната атмосфера и да стигне до космоса. Но това отнема огромно количество гориво до такава степен, че най-голямата част от съвременните ракети е просто резервоарът за гориво.

По-евтина алтернатива за придвижване в космоса е електрическото задвижване, което използва слънчева енергия, за да изстреля инертно вещество като ксенон от задната част на кораба. Този метод е с висока горивна ефективност и позволява изминаването на дълги разстояния с много малко гориво. Недостатъкът е, че този метод на задвижване е с ниска тяга, така че отнема повече време, за да стигнете до местоназначението. Изпращането на кораб от Земята до Марс с електрическо задвижване може да отнеме няколко години в сравнение с химическото задвижване, с което пътуването ще отнеме около шест до девет месеца.

Принципът обаче не се прилага само за малки безпилотни кораби. Явно предимство на електрическото задвижване е, че то се мащабира много ефективно: „Технологията за електрическо задвижване работи по-добре, колкото по-голяма става“, каза Кинг. „По принцип нищо не ограничава разширяването на електрическото задвижване до много големи мисии с екипаж. Просто започваш да се натъкваш на икономически препятствия, защото строиш плавателен съд с размерите на Battlestar Galactica, за да стигнеш до там.“

Електрическото задвижване е използвано в проекти като кораба Hayabusa на Японската космическа агенция, който наскоро посети далечния астероид Рюгу. И има още планове за задвижвани с електричество плавателни съдове в бъдещи проекти, като например силов и задвижващ елемент (PPE) модул на станцията Lunar Gateway на НАСА, който използва слънчево електрическо задвижване и ще бъде три пъти по-мощен от сегашните възможности.

Каране на автобуса

Изстрелването и кацането на планети все още ще изисква химическо задвижване, но пътуването между тях може да бъде много по-ефективно. Кинг предполага, че непропулсивно превозно средство за екипаж или товарно превозно средство може да бъде пуснато в колоездачна орбита, която минава покрай Земята и Марс. „Тогава можете по същество да изпратите нещата и да се „возите на автобуса“ до Марс, без да се нуждаете от задвижване“, обясни той. Подобна система вече е използвана за Космически телескоп Кеплер, който използва много малко гориво след изстрелването си в следваща Земята хелиоцентрична орбита.

Разбира се, да стигнете от Земята до Марс е само част от пътуването. След като кораб пристигне на Марс, той трябва да забави и да влезе в орбита. За забавяне на плавателен съд обикновено има два метода: използване на реверсивни тласкачи, които изискват гориво, и въздушно спиране. Последното е мястото, където корабът се потапя във външната атмосфера на Марс, използвайки аеродинамичното съпротивление, за да намали достатъчно енергията на превозното средство, така че когато излезе от атмосферата, да може да влезе в орбита.

Концепцията за електрическо задвижване беше донякъде маргинална през последните няколко десетилетия, но с тези нови проекти тя се премести в мейнстрийма. „Сега се прилага в голям мащаб – това е като прехода на въздушното пътуване от самолети с витло към реактивни самолети“, каза Кинг.

Сензори и AI

Така че можем да изпратим роботи да разузнават повърхността и сателити да създадат инфраструктура. Можем дори да преместим огромни конструкции като местообитания през космоса, използвайки минимално гориво чрез електрическо задвижване. Но предизвикателствата на колонизацията на Марс не възникват само когато хората действително заемат местообитание на планетата. Един основен въпрос е как местообитанията и структурите могат да бъдат поддържани за дългите периоди, през които те ще бъдат незаети. Планирани проекти като станцията Lunar Gateway на НАСА, например, вероятно ще бъдат заети само между 20 и 30 процент от времето и можем да очакваме подобни или дори по-ниски нива на заетост за потенциален Марс местообитания.

Местообитанията извън планетата трябва да могат да се самонаблюдават и да се коригират, особено когато най-близкият човек е на милиони километри. И за това е необходим AI.

Система, изстреляна наскоро към Международната космическа станция, може да осигури основа за наблюдение на местообитанията с изкуствен интелект. на Бош Система SoundSee се състои от полезен товар, съдържащ 20 микрофона, камера и сензор за околната среда за запис на температура, влажност и налягане. Тези сензори събират данни за околната среда, особено акустична информация, която може да се използва за сигнализиране на проблеми.

„Ако си представите, че има теч в станцията, не само ще има ултразвукови тонове, но и загуба на налягане“, обясни изследователят на Bosch Джонатан Макоски. „Ако видим както загуба на налягане, така и ултразвуков тон и други фактори, това е конкретен начин за идентифициране на проблем.“

Разбира се, изтичането на информация в МКС би било шумно, очевидно и драматично. Но много повреди на машини, особено в безпилотни среди, се дължат на постепенно влошаване с течение на времето. AI може да се използва за усещане на тези неща, каза главният изследовател на SoundSee Самаржит Дас, а не чрез добавяне повече или по-добри сензори, а по-скоро чрез използване на сензорни данни по-ефективно за търсене на фини модели.

„Машините не се развалят веднага от добри към лоши“, каза Дас. „С течение на времето има постепенно износване. Помислете за система, която може да искате да наблюдавате в МКС като бягаща пътека. Зъбните колела вътре бавно се разграждат с времето, докато се използва. Ние като хора не можем да чуем, че нещо се обърка там, но когато преведете това в данни с течение на времето, AI може да забележи тези фини промени в отклонението от нормата.

Не си представяйте бъдещи кораби и местообитания, контролирани изцяло от AI, или дори по-лошо, червен AI като HAL от 2001 г. „Сензорите и AI няма да заменят хората изцяло и да автоматизират всичко“, каза Дас. „AI е линия на защита.“ Macoskey се съгласи: „Виждаме AI като инструмент, който позволява нови неща по същия начин, по който микроскопът позволи на хората да гледат микроскопични организми.“

Колонизирането на Марс е възможно

С цялата тази среда и логистични трудности може да изглежда, че изпращането на хора на Марс изобщо е дълъг шанс, да не говорим за установяването на каквато и да е постоянна или полупостоянна база там. Въпреки че това са сериозни предизвикателства, съществуват решения под формата на AI, роботика и методи за задвижване, които сега се тестват за използване в бъдещи космически проекти.

„Вярвам, че колонизирането на Марс не е технологичен, а икономически въпрос“, каза Кинг. „Ако имахме ресурсите, които да изразходваме, знаем какво трябва да се изгради и знаем как да го изградим. Но броят долари или евро, които са необходими за това, е плашещ.

С достатъчно финансиране имаме знанията да започнем да създаваме комуникационни системи, да позволяваме транспорт и да изграждаме местообитания на Марс. Кинг е убеден, че това може да се случи дори в рамките на живота ни: „При неограничени ресурси бихме могли да създадем тази инфраструктура за десетилетие.“

Препоръки на редакторите

• Този забележителен робот за промяна на формата може един ден да се отправи към Марс
• Запознайте се с променящия играта робот за хвърляне, който може перфектно да имитира всяко човешко хвърляне
• Водната карта на Марс може да помогне при избора на места за бъдещи мисии
• НАСА иска вашата помощ за разрешаване на трайна мистерия на Марс
• Завършващ щрих: Как учените дават на роботите човекоподобни тактилни сетива