Seznamte se s robotickými průkopníky, kteří nám umožní kolonizovat Mars

Od nadcházejících NASA Mise Měsíc na Mars k ambiciózním plánům Elona Muska použít vesmírnou loď SpaceX aby nakonec kolonizoval Mars, závod o osídlení Rudé planety již běží. Než však lidé budou moci navštívit Mars a zřídit si na něm jakoukoli dlouhodobou základnu, musíme vyslat zvědy, aby prozkoumali půdu a připravili ji na mise s lidskou posádkou.

Mechanickí průkopníci, které v nadcházejících letech vyšleme na Mars, budou následovat po stopách pneumatik průzkumníků, jako je např. Rover zvědavosti a Přistávací modul Insight, ale další generace marťanských robotů bude využívat sofistikovanou umělou inteligenci, nové metody pohonu a flexibilní malé satelity, aby čelila výzvám kolonizace nového světa.

Navrhování pro prostředí Marsu

Při stavbě strojů, které vydrží marťanské prostředí, existují zřetelné potíže. Zaprvé je tu zima s teplotami v průměru kolem minus 80 stupňů Fahrenheita a na pólech klesajícími k minus 190 stupňů Fahrenheita. Pak je tu řídká atmosféra, což je pouhé jedno procento hustoty zemské atmosféry. A pak je tu nepříjemný prach, který se vynořuje při jakýchkoli operacích na povrchu planety, nemluvě o intenzivní radiaci slunečních paprsků.

Tyto podmínky prostředí vytvářejí problémy pro robotiku, od teplotních změn, které způsobují mechanismy se roztahují a smršťují a tak se časem opotřebovávají, aby se prach dostal do ozubených kol, což znemožňuje použití obnažených mazání.

„Je to velmi unikátní a extrémní prostředí, dokonce i pro vesmírnou robotiku,“ řekl Al Tadros, viceprezident pro vesmír Infrastructure and Civil Space ve společnosti Maxar Technologies, což je společnost, která vyrábí robotická ramena Mars vozítka NASA. Robotická ramena Maxar musí být schopna nejen přežít toto drsné prostředí, ale také vykonávat úkoly, jako je kopání a vrtání, které umožňují vědecký výzkum.

Dalším faktorem je omezení hmotnosti. Když je třeba součást dopravit na Mars raketou, je třeba zvážit a započítat každý jednotlivý gram, a to vyžaduje pečlivý výběr materiálů. "Mnoho z toho, co děláme, používá různé typy hliníku," vysvětlil Tadros. "Používáme také titan a v některých případech používáme uhlíková vlákna, v závislosti na aplikaci." Mezi další triky na úsporu hmotnosti patří vydlabání některých části, které nemusejí být tak konstrukčně pevné, jako je délka robotického ramene, které by mohlo být vyrobeno z kompozitu s voštinovou matricí trubky.

Nechat roboty prozkoumat samy

Když je rover dopraven na povrch Marsu, může začít s průzkumem. Vzhledem ke vzdálenosti od Země však není možné, aby inženýři řídili rovery přímo. Místo toho mají roboti určitou míru autonomie ve svých průzkumech, přičemž velení dozoru vykonává NASA.

"Mohou říct roveru, aby jel pět metrů tímto směrem," říká Tadros jako příklad. Pokud dojde k problému s prováděním tohoto příkazu, rover se zastaví a počká na další pokyny. „V tomto smyslu je to spíše rudimentární. Ale v budoucnu je přáním mít na palubě autonomii, aby rover poznal: „Ach, bylo mi řečeno, abych šel pět metrů, ale je tu balvan. Obejdu tímto směrem, protože vím, že terén je otevřený.“

S mapou a místní znalostí budou roveři schopni provádět samonavigaci. Budou dokonce nakonec schopni provádět vědu autonomně, takže vědcům stačí zadat příkaz jako „najít tento druh skály“ a rover by mohl najít a analyzovat vzorek. Tento druh autonomie se již plánuje jako součást nadcházející lunární mise NASA s VIPER rover“ řekl Tadros. "Bude to dělat rychlé prospekce, zkoumat a charakterizovat regolit a skály, aby hledaly led a další materiály."

S robotikou, jako je VIPER a další Marscopter odstartování v rámci projektu Mars 2020, můžeme očekávat, že stroje prozkoumají a prozkoumají Mars, zjistit o místních zdrojích a rizicích, které pomohou nebo znemožní přežití lidí na planeta.

Vybudování systému určování polohy Marsu

Vědět, kde mohou lidé bezpečně přistát na Marsu a kde mohou najít zdroje, které potřebují, je prvním krokem ke kolonizaci. Skutečný rozdíl mezi návštěvou a dlouhodobým pobytem na jiné planetě je ale věcí infrastruktury. Od vody přes komunikace až po budování biotopů, musíme najít způsob, jak zajistit základní životní potřeby udržitelným způsobem.

Jednou z metod pro nastavení rané infrastruktury je použití malých satelitů nebo malých satelitů. „Pokud uvažujete o kolonizaci Marsu, tam, kde přicházejí malé satelity, je vytvoření infrastruktury kolonii,“ řekl Brad King, generální ředitel společnosti Orbion, která vytváří účinnější pohonné systémy malé satelity. "Potřebujeme komunikační sítě na Marsu, jak mezi dvěma body na Marsu, tak z Marsu zpět na Zemi." Na Zemi jsme mnoho z těchto problémů vyřešili pomocí satelitů na oběžné dráze kolem naší planety.“

Smallsaty by mohly plnit podobné funkce na Marsu, a to nastavením marťanského ekvivalentu GPS – mohli bychom to nazvat Mars Positioning System. Mohou také prozkoumat povrch planety a připravit oblast na příchod lidí.

Dostat se z A do B

Problémem je dostat satelity ze Země na Mars cenově dostupným způsobem. Tradičně se plavidla pohybovala vesmírem pomocí chemického pohonu – tedy spalováním paliva pro vytvoření tahu. Je to skvělý způsob, jak vytvořit velké množství tahu, jako je tah potřebný k tomu, aby raketa opustila zemskou atmosféru a dostala se do vesmíru. Ale vyžaduje to obrovské množství paliva, a to do takové míry, že největší část moderních raket je prostě palivová nádrž.

Levnější alternativou pro pohyb vesmírem je elektrický pohon, který využívá solární energii k vystřelování inertní látky, jako je xenon, ze zadní části plavidla. Tato metoda je vysoce úsporná, umožňuje cestování na dlouhé vzdálenosti s velmi malým množstvím paliva. Nevýhodou je, že tento způsob pohonu má nízký tah, takže dojezd do cíle trvá déle. Vyslání plavidla ze Země na Mars pomocí elektrického pohonu může trvat několik let ve srovnání s chemickým pohonem, s nímž by cesta trvala v oblasti šesti až devíti měsíců.

Princip se však nevztahuje pouze na malá bezpilotní plavidla. Výraznou výhodou elektrického pohonu je, že se velmi efektivně rozšiřuje: „Technologie elektrického pohonu funguje tím lépe, čím je větší,“ řekl King. „V zásadě nic neomezuje rozšíření elektrického pohonu na velmi velké mise s posádkou. Začnete narážet na ekonomické překážky, protože stavíte plavidla velikosti Battlestar Galactica, abyste se tam dostali.“

Elektrický pohon byl použit v projektech, jako je loď Hayabusa Japonské vesmírné agentury, která nedávno navštívila vzdálený asteroid. Ryugu. A v budoucích projektech jsou další plány pro plavidla s elektrickým pohonem, jako je např silový a pohonný prvek (PPE) modul stanice NASA Lunar Gateway, který využívá solární elektrický pohon a bude třikrát výkonnější než současné možnosti.

Jízda autobusem

Starty a přistání na planetách budou stále vyžadovat chemický pohon, ale cesta mezi nimi by mohla být mnohem efektivnější. King navrhuje, že na cyklistickou oběžnou dráhu, která vede kolem Země a Marsu, by mohlo být umístěno nepohonné vozidlo posádky nebo nákladní vozidlo. „Pak můžete v podstatě poslat věci nahoru a ‚jezdit autobusem‘ na Mars, aniž byste potřebovali žádný pohon,“ vysvětlil. Podobný systém byl již použit pro Vesmírný dalekohled Kepler, která po svém startu na heliocentrickou oběžnou dráhu se Zemí spotřebovala velmi málo paliva.

Dostat se ze Země na Mars je samozřejmě jen část cesty. Jakmile plavidlo dorazí na Mars, musí zpomalit a vstoupit na oběžnou dráhu. Ke zpomalení plavidla obvykle existují dva způsoby: použití reverzních trysek, které vyžadují palivo, a aerobraking. V druhém případě se plavidlo ponoří do vnější atmosféry Marsu a pomocí aerodynamického odporu sníží energii vozidla natolik, že když opustí atmosféru, může vstoupit na oběžnou dráhu.

Koncept elektrického pohonu byl v posledních několika desetiletích poněkud okrajový, ale s těmito novými projekty se přesunul do hlavního proudu. "Nyní se to používá ve velkém měřítku - je to jako přechod letecké dopravy z letadel poháněných vrtulí na proudová letadla," řekl King.

Senzory a AI

Můžeme tedy poslat roboty, aby prozkoumali povrch, a satelity, aby vytvořili infrastrukturu. Mohli bychom dokonce přesouvat obrovské stavby, jako jsou biotopy, vesmírem s použitím minimálního paliva prostřednictvím elektrického pohonu. Výzvy spojené s kolonizací Marsu však nenastávají pouze tehdy, když lidé skutečně obývají biotop na planetě. Jedním z hlavních problémů je, jak mohou být biotopy a struktury udržovány po dlouhá období, během nichž nebudou obsazeny. Plánované projekty, jako je například stanice NASA Lunar Gateway, budou pravděpodobně obsazeny pouze 20 až 30 procenta času a můžeme očekávat podobnou nebo dokonce nižší míru obsazenosti potenciálního Marsu stanovišť.

Mimoplanetární stanoviště musí být schopna se sama monitorovat a opravovat, zvláště když je nejbližší člověk miliony mil daleko. A k tomu je potřeba AI.

Systém nedávno vypuštěný na Mezinárodní vesmírnou stanici by mohl poskytnout základ pro monitorování stanovišť AI. Bosch's Systém SoundSee sestává z užitečného zatížení obsahujícího 20 mikrofonů, kamery a senzoru prostředí pro záznam teploty, vlhkosti a tlaku. Tyto senzory shromažďují data o prostředí, zejména akustické informace, které lze použít k indikaci problémů.

„Pokud si představíte, že ve stanici dochází k úniku, došlo by nejen k ultrazvukovým tónům, ale také ke ztrátě tlaku,“ vysvětlil výzkumný pracovník společnosti Bosch Jonathan Macoskey. "Pokud vidíme jak ztrátu tlaku, tak ultrazvukový tón a další faktory, je to konkrétní způsob identifikace problému."

Únik na ISS by byl samozřejmě hlasitý, zřejmý a dramatický. Ale mnoho poruch strojů, zejména v bezpilotních prostředích, je způsobeno postupnou degradací v průběhu času. K vycítění těchto věcí lze použít umělou inteligenci, řekl hlavní výzkumník SoundSee Samarjit Das, nikoli přidáním více či lepších senzorů, ale spíše tím, že data ze senzorů budou efektivněji vyhledávat jemné vzory.

"Stroje se nejen okamžitě porouchají z dobrého na špatné," řekl Das. „Dochází k postupnému opotřebení v průběhu času. Představte si systém, který byste mohli chtít sledovat na ISS jako běžící pás. Ozubená kola uvnitř se postupem času pomalu degradují, jak se používají. My jako lidé neslyšíme, že by se tam něco pokazilo, ale když to časem převedete do dat, umělá inteligence dokáže zaznamenat tyto jemné změny odchylky od normy.“

Nepředstavujte si však budoucí lodě a stanoviště plně ovládané umělou inteligencí, nebo ještě hůře rudou umělou inteligenci, jako je HAL z roku 2001. „Senzory a umělá inteligence nenahradí úplně lidi a vše zautomatizují,“ řekl Das. "AI je obranná linie." Macoskey souhlasil: "Umělou inteligenci vnímáme jako nástroj, který umožňuje nové věci stejným způsobem, jakým mikroskop umožnil lidem dívat se na mikroskopické organismy."

Kolonizace Marsu je možná

Se všemi těmito problémy souvisejícími s prostředím a logistickými obtížemi by se mohlo zdát, že posílat lidi na Mars je vůbec běh na dlouhou trať, natožpak tam zřídit jakoukoli stálou nebo polotrvalou základnu. Přestože se jedná o vážné problémy, existují řešení v podobě AI, robotiky a pohonných metod, které se nyní testují pro použití v budoucích vesmírných projektech.

"Věřím, že kolonizace Marsu není technologický problém, je to ekonomický problém," řekl King. „Pokud bychom měli prostředky utratit, víme, co je potřeba postavit, a víme, jak to postavit. Ale počet dolarů nebo eur, které je k tomu zapotřebí, je skličující.“

S dostatečnými finančními prostředky máme znalosti, abychom mohli začít s nastavováním komunikačních systémů, umožněním dopravy a budováním stanovišť na Marsu. King je přesvědčen, že by se to mohlo stát i během našeho života: „S neomezenými zdroji bychom mohli tuto infrastrukturu postavit za deset let.“

Doporučení redakce

• Tento pozoruhodný robot měnící tvar by mohl jednoho dne zamířit na Mars
• Seznamte se s novým nadhazovacím robotem, který dokáže dokonale napodobit jakýkoli lidský hod
• Vodní mapa Marsu by mohla pomoci vybrat místa pro budoucí mise
• NASA chce vaši pomoc při řešení trvalé záhady Marsu
• Finishing touch: Jak vědci dávají robotům lidské hmatové smysly