Lernen Sie die Roboterpioniere kennen, die es uns ermöglichen werden, den Mars zu kolonisieren

Von der bevorstehenden NASA Mond-Mars-Mission zu Elon Musks ehrgeizigen Plänen Verwenden Sie ein SpaceX-Raumschiff Um schließlich den Mars zu kolonisieren, ist der Wettlauf um die Besiedlung des Roten Planeten bereits im Gange. Doch bevor Menschen den Mars besuchen und dort eine langfristige Basis errichten können, müssen wir Kundschafter aussenden, um die Lage des Landes zu erkunden und es für bemannte Missionen vorzubereiten.

Die mechanischen Pioniere, die wir in den kommenden Jahren zum Mars schicken werden, werden den Reifenspuren von Entdeckern wie dem folgen Curiosity Rover und das Insight-Lander, aber die nächste Generation der Marsrobotik wird hochentwickelte KI, neuartige Antriebsmethoden und flexible Kleinsatelliten nutzen, um die Herausforderungen der Kolonisierung einer neuen Welt zu meistern.

Entwerfen für die Marsumgebung

Es gibt deutliche Schwierigkeiten beim Bau von Maschinen, die der Marsumgebung standhalten können. Erstens ist da die Kälte mit durchschnittlichen Temperaturen um minus 80 Grad Fahrenheit, an den Polen sinkt sie auf minus 190 Grad Fahrenheit. Dann ist da noch die dünne Atmosphäre, die nur ein Prozent der Dichte der Erdatmosphäre ausmacht. Und dann ist da noch der lästige Staub, der bei allen Operationen auf der Planetenoberfläche aufgewirbelt wird, ganz zu schweigen von der intensiven Strahlung der Sonnenstrahlen.

Diese Umgebungsbedingungen stellen Probleme für die Robotik dar, da Temperaturschwankungen dazu führen, dass Mechanismen funktionieren dehnen sich aus und ziehen sich zusammen und verschleißen so mit der Zeit, sodass Staub in die Zahnräder gelangt und der Einsatz freiliegender Teile verhindert wird Schmierung.

„Es ist eine sehr einzigartige und extreme Umgebung, selbst für die Weltraumrobotik“, sagte Al Tadros, Vizepräsident für Raumfahrt Infrastruktur und ziviler Raum bei Maxar Technologies, dem Unternehmen, das die Roboterarme dafür herstellt Die Marsrover der NASA. Die Roboterarme von Maxar müssen nicht nur in dieser rauen Umgebung überleben, sondern auch Aufgaben wie Graben und Bohren ausführen, die wissenschaftliche Untersuchungen ermöglichen.

Eine weitere Überlegung sind Gewichtsbeschränkungen. Wenn ein Teil per Rakete zum Mars transportiert werden muss, muss jedes einzelne Gramm berücksichtigt und berücksichtigt werden, und das erfordert eine sorgfältige Auswahl der Materialien. „Bei vielen unserer Arbeiten verwenden wir verschiedene Arten von Aluminium“, erklärte Tadros. „Wir verwenden auch Titan und in einigen Fällen verwenden wir je nach Anwendung auch Kohlefaser.“ Zu anderen Tricks zur Gewichtsersparnis gehört das Aushöhlen Abschnitte, die strukturell nicht so stark sein müssen, wie etwa die Länge eines Roboterarms, der aus Wabenmatrix-Verbundwerkstoff hergestellt werden könnte Röhren.

Lassen Sie Roboter auf eigene Faust erkunden

Sobald ein Rover auf der Marsoberfläche angekommen ist, kann er mit der Erkundung beginnen. Aufgrund der Entfernung von der Erde ist es für Ingenieure jedoch nicht möglich, Rover direkt zu steuern. Stattdessen verfügen die Roboter über ein gewisses Maß an Autonomie bei ihren Erkundungen, wobei die NASA das Aufsichtskommando ausübt.

„Sie können dem Rover sagen, dass er fünf Meter in diese Richtung fahren soll“, nennt Tadros als Beispiel. Wenn bei der Ausführung dieses Befehls ein Problem auftritt, stoppt der Rover und wartet auf weitere Anweisungen. „In diesem Sinne ist es eher rudimentär. Aber in Zukunft besteht der Wunsch darin, Autonomie an Bord zu haben, damit der Rover erkennt: „Oh, mir wurde gesagt, ich solle fünf Meter weit gehen, aber hier ist ein Felsbrocken.“ Ich werde in diese Richtung umrunden, weil ich weiß, dass das Gelände offen ist.‘“

Mit einer Karte und Ortskenntnissen können Rover eine Selbstnavigation durchführen. Irgendwann werden sie sogar in der Lage sein, autonom wissenschaftliche Arbeiten durchzuführen, sodass Wissenschaftler nur einen Befehl wie „Finde diese Art von Gestein“ angeben müssten und der Rover eine Probe lokalisieren und analysieren könnte. Eine solche Autonomie ist bereits im Rahmen der kommenden Mondmission der NASA mit dem geplant VIPER-Rover, sagte Tadros. „Es wird eine schnelle Prospektion durchführen, den Regolith und die Felsen untersuchen und charakterisieren, um nach Eis und anderen Materialien zu suchen.“

Mit Robotik wie VIPER und dem Marskopter Beim Start im Rahmen des Mars 2020-Projekts können wir erwarten, dass Maschinen den Mars erkunden und erkunden. Informieren Sie sich über lokale Ressourcen und Gefahren, die das Überleben der Menschen auf der Insel unterstützen oder behindern Planet.

Aufbau eines Mars-Positionierungssystems

Zu wissen, wo Menschen sicher auf dem Mars landen können und wo sie die benötigten Ressourcen finden können, ist der erste Schritt zur Kolonisierung. Doch der eigentliche Unterschied zwischen einem Besuch und einem Langzeitaufenthalt auf einem anderen Planeten liegt in der Infrastruktur. Von Wasser über Kommunikation bis hin zum Bau von Lebensräumen müssen wir einen Weg finden, die Grundbedürfnisse des Lebens auf nachhaltige Weise bereitzustellen.

Eine Methode zum Aufbau einer frühen Infrastruktur ist der Einsatz kleiner Satelliten, sogenannter Smallsats. „Wenn Sie darüber nachdenken, den Mars zu kolonisieren, müssen die Kleinsatelliten die Infrastruktur dafür aufbauen die Kolonie“, sagte Brad King, CEO von Orbion, einem Unternehmen, das effizientere Antriebssysteme für entwickelt Kleinsats. „Wir brauchen Kommunikationsnetzwerke auf dem Mars, sowohl zwischen zwei Punkten auf dem Mars als auch vom Mars zurück zur Erde. Auf der Erde haben wir viele dieser Probleme durch die Umlaufbahn von Satelliten um unseren Planeten gelöst.“

Smallsats könnten ähnliche Funktionen auf dem Mars erfüllen, indem sie ein Mars-Äquivalent zu GPS einrichten – wir könnten es das Mars-Positionierungssystem nennen. Sie können auch die Oberfläche des Planeten erkunden und das Gebiet für die kommenden Menschen vorbereiten.

Von A nach B kommen

Es geht darum, Satelliten auf erschwingliche Weise von der Erde zum Mars zu bringen. Traditionell wurden Raumschiffe mit chemischen Antrieben durch den Weltraum bewegt – das heißt, sie verbrannten Treibstoff, um Schub zu erzeugen. Dies ist eine großartige Möglichkeit, große Schubmengen zu erzeugen, beispielsweise den Schub, den eine Rakete benötigt, um die Erdatmosphäre zu verlassen und in den Weltraum zu gelangen. Aber es braucht so viel Treibstoff, dass der größte Teil moderner Raketen einfach der Treibstofftank ist.

Eine günstigere Alternative für die Fortbewegung durch den Weltraum ist ein elektrischer Antrieb, der mithilfe von Sonnenenergie eine inerte Substanz wie Xenon aus dem Heck des Raumfahrzeugs schießt. Diese Methode ist äußerst kraftstoffeffizient und ermöglicht das Zurücklegen langer Strecken mit sehr wenig Kraftstoff. Der Nachteil besteht darin, dass diese Antriebsmethode über einen geringen Schub verfügt und es daher länger dauert, ein Ziel zu erreichen. Ein Raumschiff mit elektrischem Antrieb von der Erde zum Mars zu schicken, könnte ein paar Jahre dauern, verglichen mit einem chemischen Antrieb, bei dem die Reise etwa sechs bis neun Monate dauern würde.

Das Prinzip gilt jedoch nicht nur für kleine unbemannte Fluggeräte. Ein klarer Vorteil des Elektroantriebs besteht darin, dass er sehr effizient skalierbar ist: „Die Elektroantriebstechnologie funktioniert umso besser, je größer sie wird“, sagte King. „Grundsätzlich gibt es keine Beschränkungen für die Ausweitung des Elektroantriebs auf sehr große Missionen mit Besatzung. Man stößt gerade erst auf wirtschaftliche Hürden, weil man Schiffe in der Größe einer Battlestar Galactica baut, um dorthin zu gelangen.“

Elektrische Antriebe wurden in Projekten wie dem Hayabusa-Raumschiff der japanischen Raumfahrtbehörde eingesetzt, das kürzlich den fernen Asteroiden besuchte Ryugu. Und es gibt weitere Pläne für elektrisch angetriebene Schiffe in zukünftigen Projekten, wie zum Beispiel Kraft- und Antriebselement (PPE)-Modul der Lunar Gateway-Station der NASA, das einen solarelektrischen Antrieb nutzt und dreimal leistungsstärker sein wird als die derzeitigen Kapazitäten.

Bus fahren

Für den Start und die Landung auf Planeten ist weiterhin ein chemischer Antrieb erforderlich, die Reise dazwischen könnte jedoch weitaus effizienter gestaltet werden. King schlägt vor, dass ein nicht angetriebenes Mannschafts- oder Frachtfahrzeug in eine zyklische Umlaufbahn gebracht werden könnte, die an Erde und Mars vorbeiführt. „Dann kann man im Wesentlichen Dinge nach oben schicken und mit dem Bus zum Mars fahren, ohne dass ein Antrieb erforderlich ist“, erklärte er. Ein ähnliches System wurde bereits für die verwendet Kepler-Weltraumteleskop, das nach seinem Start in eine der Erde nachlaufende heliozentrische Umlaufbahn nur sehr wenig Treibstoff verbrauchte.

Natürlich ist der Weg von der Erde zum Mars nur ein Teil der Reise. Sobald ein Raumschiff den Mars erreicht, muss es langsamer werden und in die Umlaufbahn gelangen. Um ein Fahrzeug zu verlangsamen, gibt es normalerweise zwei Methoden: die Verwendung von Rückwärtstriebwerken, die Treibstoff benötigen, und Luftbremsen. Bei Letzterem taucht ein Raumfahrzeug in die äußere Atmosphäre des Mars ein und nutzt dabei den Luftwiderstand, um die Energie des Raumfahrzeugs soweit zu reduzieren, dass es beim Verlassen der Atmosphäre in die Umlaufbahn eintreten kann.

Das Konzept des Elektroantriebs war in den letzten Jahrzehnten eher ein Randthema, aber mit diesen neuen Projekten ist es in den Mainstream gerückt. „Jetzt wird es in großem Maßstab angewendet – es ist wie der Übergang des Flugverkehrs von Propellerflugzeugen zu Düsenflugzeugen“, sagte King.

Sensoren und KI

So können wir Roboter schicken, um die Oberfläche zu erkunden, und Satelliten, um die Infrastruktur aufzubauen. Wir könnten sogar riesige Bauwerke wie Lebensräume mit minimalem Kraftstoffverbrauch und elektrischem Antrieb durch den Weltraum bewegen. Die Herausforderungen der Marskolonisierung treten jedoch nicht nur dann auf, wenn Menschen tatsächlich einen Lebensraum auf dem Planeten besetzen. Eine große Frage ist, wie Lebensräume und Strukturen über lange Zeiträume, in denen sie unbewohnt bleiben, erhalten bleiben können. Geplante Projekte wie beispielsweise die NASA-Station Lunar Gateway werden voraussichtlich nur 20 bis 30 belegt sein Prozent der Zeit, und wir können mit ähnlichen oder sogar niedrigeren Belegungsraten für den potenziellen Mars rechnen Lebensräume.

Lebensräume außerhalb des Planeten müssen in der Lage sein, sich selbst zu überwachen und sich selbst zu reparieren, insbesondere wenn der nächste Mensch Millionen von Kilometern entfernt ist. Und dafür ist KI erforderlich.

Ein kürzlich zur Internationalen Raumstation gestartetes System könnte die Grundlage für die KI-Habitatüberwachung bilden. Boschs SoundSee-System besteht aus einer Nutzlast mit 20 Mikrofonen, einer Kamera und einem Umgebungssensor zur Aufzeichnung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck. Diese Sensoren sammeln Daten über die Umgebung, insbesondere akustische Informationen, die zur Erkennung von Problemen genutzt werden können.

„Wenn man sich vorstellt, es gäbe ein Leck in der Station, gäbe es nicht nur Ultraschalltöne, sondern auch einen Druckverlust“, erklärt Bosch-Forscher Jonathan Macoskey. „Wenn wir sowohl einen Druckverlust als auch einen Ultraschallton und andere Faktoren sehen, ist das eine konkrete Möglichkeit, ein Problem zu identifizieren.“

Natürlich wäre ein Leck in der ISS laut, offensichtlich und dramatisch. Doch viele Maschinenausfälle, insbesondere in unbemannten Umgebungen, sind auf eine allmähliche Verschlechterung im Laufe der Zeit zurückzuführen. KI könne genutzt werden, um diese Dinge zu erkennen, sagte SoundSee-Hauptforscher Samarjit Das, nicht aber, indem er hinzufügte mehr oder bessere Sensoren, sondern vielmehr durch die effizientere Nutzung von Sensordaten zur Suche nach Subtilen Muster.

„Maschinen versagen nicht sofort vom Guten zum Schlechten“, sagte Das. „Mit der Zeit kommt es zu einer allmählichen Abnutzung. Stellen Sie sich ein System wie ein Laufband vor, das Sie in der ISS überwachen möchten. Die Zahnräder im Inneren verschleißen mit der Zeit langsam, wenn es verwendet wird. Wir als Menschen können nicht hören, dass dort etwas schiefläuft, aber wenn man das im Laufe der Zeit in Daten umwandelt, kann die KI diese subtilen Abweichungen von der Norm erkennen.“

Stellen Sie sich jedoch nicht vor, dass zukünftige Schiffe und Lebensräume vollständig von der KI kontrolliert werden, oder, noch schlimmer, eine Schurken-KI wie die HAL von 2001. „Sensoren und KI werden den Menschen nicht vollständig ersetzen und alles automatisieren“, sagte Das. „KI ist eine Verteidigungslinie.“ Macoskey stimmte zu: „Wir sehen KI als ein Werkzeug, das neue Dinge ermöglicht, genauso wie das Mikroskop es dem Menschen ermöglichte, mikroskopisch kleine Organismen zu betrachten.“

Eine Kolonisierung des Mars ist möglich

Bei all diesen Umgebungs- und Logistikschwierigkeiten könnte es so aussehen, als wäre es weit hergeholt, Menschen zum Mars zu schicken, ganz zu schweigen davon, dort irgendeine dauerhafte oder semipermanente Basis zu errichten. Obwohl es sich hierbei um ernsthafte Herausforderungen handelt, gibt es Lösungen in Form von KI, Robotik und Antriebsmethoden, die derzeit für den Einsatz in zukünftigen Weltraumprojekten getestet werden.

„Ich glaube, dass die Kolonisierung des Mars keine technologische, sondern eine wirtschaftliche Frage ist“, sagte King. „Wenn wir die nötigen Ressourcen hätten, wüssten wir, was gebaut werden muss, und wir wissen, wie wir es bauen müssen. Aber die Menge an Dollar oder Euro, die dafür nötig ist, ist entmutigend.“

Mit ausreichender Finanzierung verfügen wir über das Wissen, um mit dem Aufbau von Kommunikationssystemen, der Ermöglichung von Transportmöglichkeiten und dem Aufbau von Lebensräumen auf dem Mars zu beginnen. King ist zuversichtlich, dass es noch zu unseren Lebzeiten passieren könnte: „Mit unbegrenzten Ressourcen könnten wir diese Infrastruktur in einem Jahrzehnt aufbauen.“

Empfehlungen der Redaktion

• Dieser bemerkenswerte formverändernde Roboter könnte eines Tages zum Mars fliegen
• Lernen Sie den bahnbrechenden Pitching-Roboter kennen, der jeden menschlichen Wurf perfekt nachahmen kann
• Eine Wasserkarte des Mars könnte bei der Auswahl von Standorten für zukünftige Missionen helfen
• Die NASA möchte Ihre Hilfe bei der Lösung eines anhaltenden Mars-Rätsels
• Der letzte Schliff: Wie Wissenschaftler Robotern menschenähnliche Tastsinne verleihen