Mød robotpionererne, der vil tillade os at kolonisere Mars

Fra NASAs kommende Mission måne til Mars til Elon Musks ambitiøse planer om at brug et SpaceX-stjerneskib for til sidst at kolonisere Mars, er kapløbet om at befolke den røde planet allerede i gang. Men før mennesker kan besøge Mars og etablere nogen form for langtidsbase der, er vi nødt til at sende spejdere ud for at se landets lejr og forberede det til bemandede missioner.

De mekaniske pionerer, vi sender til Mars i de kommende år, vil følge i sporet af opdagelsesrejsende som f.eks. Curiosity rover og Insight lander, men den næste generation af Mars-robotter vil bruge sofistikeret kunstig intelligens, nye fremdriftsmetoder og fleksible smallsats til at møde udfordringerne ved at kolonisere en ny verden.

Design til Mars-miljøet

Der er tydelige vanskeligheder med at bygge maskiner, der kan modstå Mars-miljøet. For det første er der kulden, med temperaturer i gennemsnit omkring minus 80 grader Fahrenheit og går ned til minus 190 grader Fahrenheit ved polerne. Så er der den tynde atmosfære, som kun er en procent af tætheden af ​​Jordens atmosfære. Og så er der det besværlige støv, der bliver sparket op i enhver operation på planetens overflade, for ikke at nævne den intense stråling fra Solens stråler.

Disse miljøforhold skaber problemer for robotteknologi, lige fra temperaturvariationer, der forårsager mekanismer til udvide og trække sig sammen og dermed slides over tid, at støv kommer ind i gear, hvilket forhindrer brugen af ​​udsatte smøring.

"Det er et meget unikt og ekstremt miljø, selv for rumrobotik," sagde Al Tadros, VP for Space Infrastructure and Civil Space hos Maxar Technologies, som er virksomheden, der bygger robotarmene til NASAs Mars-rovere. Maxars robotarme skal ikke kun kunne overleve dette barske miljø, men også udføre de opgaver som at grave og bore, som muliggør videnskabelige undersøgelser.

En anden overvejelse er vægtbegrænsninger. Når en del skal leveres til Mars via raket, skal hvert eneste gram overvejes og redegøres for, og det kræver omhyggelig udvælgelse af materialer. "Meget af det, vi laver, bruger forskellige typer aluminium," forklarede Tadros. "Vi bruger også titanium, og i nogle tilfælde bruger vi kulfiber, afhængigt af anvendelsen." Andre vægtbesparende tricks inkluderer at udhule nogle sektioner, der ikke behøver at være så strukturelt stærke, såsom længden af ​​en robotarm, der kunne være lavet af honeycomb matrix komposit rør.

Lad robotter udforske på egen hånd

Når en rover er blevet leveret til overfladen af ​​Mars, kan den begynde at udforske. Men på grund af afstanden fra Jorden er det ikke muligt for ingeniører at kontrollere rovere direkte. I stedet har robotterne en vis grad af autonomi i deres udforskninger, hvor NASA udøver tilsynskommando.

"De kan fortælle roveren at gå fem meter i denne retning," siger Tadros som et eksempel. Hvis der er et problem med at udføre denne kommando, vil roveren stoppe og vente på flere instruktioner. »Det er ret rudimentært i den forstand. Men i fremtiden er ønsket at have autonomi om bord, så roveren genkender 'Åh, jeg fik besked på at gå fem meter, men der er en kampesten her. Jeg vil gå rundt i denne retning, fordi jeg ved, at terrænet er åbent."

Med et kort og lokalkendskab vil rovere være i stand til at udføre selvnavigation. De vil endda i sidste ende være i stand til at udføre videnskab autonomt, så videnskabsmænd behøver kun at specificere en kommando som "find denne slags sten", og roveren kunne lokalisere og analysere en prøve. Denne form for autonomi er allerede ved at blive planlagt som en del af NASAs kommende månemission med VIPER rover, sagde Tadros. "Det kommer til at være hurtig efterforskning, se på og karakterisere regolitten og klipperne for at lede efter is og andre materialer."

Med robotter som VIPER og Marscopter lancering som en del af Mars 2020-projektet, kan vi forvente, at maskiner vil spejde og udforske Mars, at finde ud af om lokale ressourcer og farer, som vil hjælpe eller hindre menneskers overlevelse på planet.

Opbygning af et Mars-positioneringssystem

At vide, hvor mennesker sikkert kan lande på Mars, og hvor de kan finde de ressourcer, de har brug for, er det første skridt mod kolonisering. Men den reelle forskel mellem et besøg og et længerevarende ophold på en anden planet er et spørgsmål om infrastruktur. Fra vand til kommunikation til bygningshabitater bliver vi nødt til at finde en måde at sørge for livets basale fornødenheder på en bæredygtig måde.

En metode til at etablere tidlig infrastruktur er gennem brug af små satellitter eller smallsats. "Hvis du tænker på at kolonisere Mars, hvor smallsatsen kommer ind, er at opsætte infrastrukturen for kolonien,” sagde Brad King, CEO for Orbion, et firma, der skaber mere effektive fremdriftssystemer til smallsats. "Vi har brug for kommunikationsnetværk på Mars, både mellem to punkter på Mars og fra Mars tilbage til Jorden. På Jorden har vi løst mange af disse problemer med at kredse satellitter omkring vores planet."

Smallsats kunne udføre lignende funktioner på Mars ved at opsætte en Mars-ækvivalent til GPS - vi kunne kalde det Mars Positioning System. De kan også spejde ud over planetens overflade og forberede området til de kommende mennesker.

At komme fra A til B

Problemet er at få satellitter fra Jorden til Mars på en overkommelig måde. Traditionelt er fartøjer blevet flyttet gennem rummet via kemisk fremdrift - det vil sige brændstof for at skabe fremdrift. Dette er en fantastisk måde at skabe store mængder af stød, såsom det tryk, der kræves for en raket at forlade Jordens atmosfære og komme ud i rummet. Men det kræver en enorm mængde brændstof, i en sådan grad, at den største del af moderne raketter simpelthen er brændstoftanken.

Et billigere alternativ til at bevæge sig gennem rummet er elektrisk fremdrift, som bruger solenergi til at skyde et inert stof som xenon ud af bagsiden af ​​fartøjet. Denne metode er meget brændstoføkonomisk, hvilket gør det muligt at rejse lange afstande med meget lidt brændstof. Ulempen er, at denne fremdriftsmetode er lavt tryk, så det tager længere tid at nå frem til en destination. At sende et fartøj fra Jorden til Mars ved hjælp af elektrisk fremdrift kan tage en håndfuld år sammenlignet med kemisk fremdrift, som rejsen ville tage i området seks til ni måneder.

Princippet gælder dog ikke kun for små ubemandede fartøjer. En klar fordel ved elektrisk fremdrift er, at den skalerer op meget effektivt: "Elektrisk fremdriftsteknologi fungerer bedre, jo større den bliver," sagde King. "I princippet er der intet, der begrænser opskaleringen af ​​elektrisk fremdrift til meget store bemandede missioner. Du begynder bare at løbe ind i økonomiske forhindringer, fordi du bygger et Battlestar Galactica-fartøj for at nå dertil."

Elektrisk fremdrift er blevet brugt i projekter som den japanske rumfartsorganisations Hayabusa-fartøj, som for nylig besøgte den fjerne asteroide Ryugu. Og der er flere planer om el-drevne fartøjer i fremtidige projekter, som f.eks kraft og fremdriftselement (PPE) modul på NASAs Lunar Gateway-station, som bruger solenergi fremdrift og vil være tre gange stærkere end de nuværende muligheder.

Kører i bussen

Opsendelse og landing på planeter vil stadig kræve kemisk fremdrift, men rejsen derimellem kunne gøres langt mere effektiv. King foreslår, at et ikke-fremdrivende mandskabskøretøj eller fragtkøretøj kan sættes ind i en cykelbane, der går forbi Jorden og Mars. "Så kan du i det væsentlige sende tingene op og 'ride med bussen' til Mars, uden at det kræver fremdrift," forklarede han. Et lignende system er allerede blevet brugt til Kepler rumteleskop, som brugte meget lidt brændstof efter sin opsendelse ind i en jordslæbende heliocentrisk bane.

At komme fra Jorden til Mars er selvfølgelig kun en del af rejsen. Når først et fartøj ankommer til Mars, skal det sænke farten og gå i kredsløb. For at bremse et fartøj er der typisk to metoder: Brug af reverse thrustere, som kræver brændstof, og aerobremsning. Sidstnævnte er, hvor et fartøj dykker ned i den ydre atmosfære på Mars og bruger det aerodynamiske luftmodstand til at reducere køretøjets energi nok til, at når det kommer ud af atmosfæren, kan det gå i kredsløb.

Konceptet med elektrisk fremdrift har været noget udkant i de sidste mange årtier, men med disse nye projekter er det flyttet ind i mainstream. "Nu bliver det brugt i stor skala - det er ligesom overgangen af ​​flyrejser fra propeldrevne fly til jetfly," sagde King.

Sensorer og AI

Så vi kan sende robotter til at spejde overfladen og satellitter til at etablere infrastruktur. Vi kunne endda flytte enorme konstruktioner som levesteder gennem rummet ved at bruge minimalt brændstof gennem elektrisk fremdrift. Men udfordringerne ved Mars-kolonisering opstår ikke kun, når mennesker faktisk besætter et habitat på planeten. Et stort spørgsmål er, hvordan levesteder og strukturer kan opretholdes i de lange perioder, hvor de vil være ubesatte. Planlagte projekter som NASAs Lunar Gateway station, for eksempel, vil sandsynligvis kun være besat 20 til 30 procent af tiden, og vi kan forvente lignende eller endda lavere belægningsprocenter for potentiel Mars levesteder.

Off-planet-habitater skal være i stand til at overvåge sig selv og rette sig selv, især når det nærmeste menneske er millioner af miles væk. Og til det kræves AI.

Et system, der for nylig blev lanceret til den internationale rumstation, kunne danne grundlag for overvågning af AI-habitat. Bosch's SoundSee system består af en nyttelast indeholdende 20 mikrofoner, et kamera og en miljøsensor til registrering af temperatur, luftfugtighed og tryk. Disse sensorer indsamler data om miljøet, især akustisk information, som kan bruges til at markere problemer.

"Hvis du forestiller dig, at der er en lækage i stationen, ville der ikke kun være ultralydstoner, men også et tryktab," forklarede Bosch-forsker Jonathan Macoskey. "Hvis vi ser både et tryktab og en ultralydstone og andre faktorer, er det en konkret måde at identificere et problem på."

Selvfølgelig ville en lækage i ISS være høj, tydelig og dramatisk. Men mange maskinfejl, især i ubemandede miljøer, skyldes en gradvis nedbrydning over tid. AI kan bruges til at fornemme disse ting, sagde SoundSee-hovedforsker Samarjit Das, ikke ved at tilføje flere eller bedre sensorer, men snarere ved at bruge sensordata mere effektivt til at søge efter subtile mønstre.

"Maskiner går ikke bare i stykker med det samme fra godt til dårligt," sagde Das. »Der er en gradvis nedslidning over tid. Tænk på et system, du måske vil overvåge i ISS som et løbebånd. Gearene indeni nedbrydes langsomt over tid, efterhånden som de bruges. Vi som mennesker kan ikke høre, at noget går galt der, men når du oversætter det til data over tid, kan AI spotte disse subtile ændringer i afvigelse fra normen."

Forestil dig dog ikke fremtidige skibe og habitater, der udelukkende kontrolleres af AI, eller endnu værre en rouge AI som 2001's HAL. "Sensorer og AI vil ikke erstatte mennesker fuldstændigt og automatisere alt," sagde Das. "AI er en forsvarslinje." Macoskey var enig: "Vi ser AI som et værktøj, der muliggør nye ting på samme måde, som mikroskopet gjorde det muligt for mennesker at se på mikroskopiske organismer."

Det er muligt at kolonisere Mars

Med alle disse miljømæssige og logistiske vanskeligheder kan det virke som om at sende mennesker til Mars overhovedet er et langskud, endsige at etablere enhver form for permanent eller semi-permanent base der. Selvom det er alvorlige udfordringer, findes der løsninger i form af kunstig intelligens, robotteknologi og fremdriftsmetoder, som nu testes til brug i fremtidige rumprojekter.

"Jeg tror, ​​at kolonisering af Mars ikke er et teknologisk problem, det er et økonomisk spørgsmål," sagde King. "Hvis vi havde ressourcerne til at bruge, ved vi, hvad der skal bygges, og vi ved, hvordan vi bygger det. Men antallet af dollars eller euro, der skal til for at gøre det, er skræmmende."

Med tilstrækkelig finansiering har vi viden til at begynde at opsætte kommunikationssystemer, muliggøre transport og bygge habitater på Mars. King er overbevist om, at det endda kan ske inden for vores levetid: "Med ubegrænsede ressourcer kan vi etablere denne infrastruktur om et årti."

Redaktørens anbefalinger

• Denne bemærkelsesværdige formskiftende robot kunne en dag tage til Mars
• Mød den skiftende pitching-robot, der perfekt kan efterligne ethvert menneskeligt kast
• Vandkort over Mars kunne hjælpe med at vælge steder til fremtidige missioner
• NASA vil have din hjælp til at løse et varigt Mars-mysterium
• Prikken over i'et: Hvordan videnskabsmænd giver robotter menneskelignende taktile sanser