Tutvuge robotite pioneeridega, mis võimaldavad meil Marsi koloniseerida

NASA tulevasest Missioon Kuult Marsile Elon Muski ambitsioonikatele plaanidele kasutada SpaceX Starshipi Marsi lõpuks koloniseerimiseks on võidujooks Punase planeedi asustamiseks juba käimas. Kuid enne, kui inimesed saavad Marsi külastada ja sinna mingisuguse pikaajalise baasi rajada, peame saatma välja skaudid, et näha maa asetust ja valmistada see ette mehitatud missioonideks.

Mehaanilised pioneerid, kelle me lähiaastatel Marsile saadame, järgivad selliseid maadeavastajaid nagu Curiosity rover ja Insight maandur, kuid Marsi robootika järgmine põlvkond kasutab uue maailma koloniseerimisega seotud väljakutsete lahendamiseks keerukaid tehisintellekti, uudseid tõukejõumeetodeid ja paindlikke väikesi satte.

Disain Marsi keskkonna jaoks

Marsi keskkonda taluvate masinate ehitamisel on selgeid raskusi. Esiteks on külm, mille keskmine temperatuur on umbes miinus 80 kraadi Fahrenheiti ja poolustes langeb miinus 190 kraadi Fahrenheiti järgi. Siis on õhuke atmosfäär, mis on vaid üks protsent Maa atmosfääri tihedusest. Ja siis on tülikas tolm, mis planeedi pinnal mis tahes toimingul üles lööb, rääkimata päikesekiirte intensiivsest kiirgusest.

Need keskkonnatingimused tekitavad robootika jaoks probleeme, alates temperatuurimuutustest, mis põhjustavad mehhanisme laieneda ja kokku tõmbuda ning seega aja jooksul kuluda, et tolm satub hammasratastesse, mis takistab katmata jääkide kasutamist määrimine.

"See on väga ainulaadne ja ekstreemne keskkond isegi kosmoserobootika jaoks," ütles Al Tadros, kosmoseosakonna asepresident Infrastruktuur ja tsiviilruum ettevõttes Maxar Technologies, mis ehitab robotkäsivarsi NASA Marsi kulgurid. Maxari robotkäed peavad suutma mitte ainult selles karmis keskkonnas ellu jääda, vaid täitma ka selliseid ülesandeid nagu kaevamine ja puurimine, mis võimaldavad teaduslikke uuringuid.

Teine kaalutlus on kaalupiirangud. Kui osa tuleb raketiga Marsile toimetada, tuleb iga grammi kaaluda ja arvestada ning see nõuab hoolikat materjalide valimist. "Paljud meie tegevused kasutavad erinevat tüüpi alumiiniumi, " selgitas Tadros. "Kasutame ka titaani ja mõnel juhul kasutame süsinikkiudu, olenevalt rakendusest." Muud kaalu säästmise nipid hõlmavad mõne õõnestamist sektsioonid, mis ei pea olema struktuurselt nii tugevad, näiteks robotkäe pikkus, mis võiks olla valmistatud kärgstruktuuri maatrikskomposiidist torud.

Laske robotitel iseseisvalt uurida

Kui kulgur on Marsi pinnale toimetatud, võib see uurimist alustada. Maast kauguse tõttu ei ole aga inseneridel võimalik kulgureid otse juhtida. Selle asemel on robotitel oma uurimistöödel teatud autonoomia, kusjuures NASA teostab järelevalvet.

"Nad võivad käskida kulguril minna viis meetrit selles suunas," ütleb Tadros näitena. Kui selle käsu täitmisel tekib probleem, peatub kulgur ja ootab täiendavaid juhiseid. "See on selles mõttes üsna algeline. Kuid tulevikus on soov saada pardal autonoomia, et kulgur tunneks ära: "Oh, mul kästi minna viis meetrit, aga siin on rändrahn." Ma lähen selles suunas ringi, sest tean, et maastik on avatud.

Kaardi ja kohalike teadmistega saavad kulgurid ise navigeerida. Lõpuks saavad nad isegi iseseisvalt teadust teostada, nii et teadlastel oleks vaja ainult määrata käsk "leida selline kivi" ja kulgur saab proovi asukoha kindlaks teha ja seda analüüsida. Sellist autonoomiat kavandatakse juba NASA eelseisva Kuu-missiooni osana VIPER kulgur, ütles Tadros. "See hakkab tegema kiireid uuringuid, uurides ja iseloomustades regoliiti ja kive, et otsida jääd ja muid materjale."

Robootikaga nagu VIPER ja Marskopter Mars 2020 projekti raames käivitades võime oodata, et masinad uurivad ja uurivad Marsi, kohalike ressursside ja ohtude tundmaõppimine, mis aitavad või takistavad inimeste ellujäämist planeet.

Marsi positsioneerimissüsteemi loomine

Esimene samm koloniseerimise suunas on teadmine, kus inimesed saavad Marsil ohutult maanduda ja kus nad saavad leida vajalikke ressursse. Kuid tegelik erinevus külastuse ja pikaajalise teisel planeedil viibimise vahel on infrastruktuuri küsimus. Alates veest kuni kommunikatsioonideni ja lõpetades elupaikade rajamisega, peame leidma viisi, kuidas tagada säästvalt eluks vajalikud esmatarbekaubad.

Üks varajase infrastruktuuri loomise meetod on väikeste satelliitide või väikesatelliitide kasutamine. "Kui mõtlete Marsi koloniseerimisele, siis sinna, kus väikesed satid tulevad sisse, rajavad infrastruktuuri koloonia,” ütles Brad King, Orbioni tegevjuht. Ettevõtte Orbion loob tõhusamaid jõuseadmeid. väikesed satsid. "Me vajame Marsil sidevõrke, nii kahe Marsi punkti vahel kui ka Marsilt tagasi Maale. Maal oleme paljud neist probleemidest lahendanud meie planeedi ümber tiirlevate satelliitidega.

Smallsatid võiksid Marsil sarnaseid funktsioone täita, luues GPS-iga ekvivalendi – võiksime seda nimetada Marsi positsioneerimissüsteemiks. Samuti saavad nad uurida planeedi pinda, valmistades piirkonna inimeste jaoks ette.

Saabumine punktist A punkti B

Probleem on satelliitide jõudmises Maalt Marsile taskukohasel viisil. Traditsiooniliselt on veesõidukeid kosmoses liigutatud keemilise tõukejõu abil, st tõukejõu tekitamiseks kütust põletades. See on suurepärane viis suure tõukejõu tekitamiseks, näiteks raketi tõukejõu saamiseks, et Maa atmosfäärist lahkuda ja kosmosesse jõuda. Kuid see võtab tohutul hulgal kütust, nii et tänapäevaste rakettide suurim osa on lihtsalt kütusepaak.

Odavam alternatiiv kosmoses liikumiseks on elektriajam, mis kasutab päikeseenergiat, et tulistada veesõiduki tagaosast välja inertse aine, näiteks ksenooni. See meetod on väga kütusesäästlik, võimaldades läbida pikki vahemaid väga vähese kütusekuluga. Negatiivne külg on see, et sellel tõukejõul on väike tõukejõud, mistõttu sihtkohta jõudmine võtab kauem aega. Veesõiduki saatmine Maalt Marsile elektrilise tõukejõu abil võib võtta käputäie aastaid, võrreldes keemilise tõukejõuga, mille teekond kestaks kuus kuni üheksa kuud.

Kuid põhimõte ei kehti ainult väikeste mehitamata veesõidukite puhul. Elektrilise tõukejõu selge eelis on see, et see laieneb väga tõhusalt: "Elektrijõutehnoloogia töötab seda paremini, mida suuremaks see muutub, " ütles King. "Põhimõtteliselt ei piira miski elektrilise tõukejõu laiendamist väga suurtele meeskonnaga missioonidele. Te hakkate lihtsalt kokku puutuma majanduslike takistustega, sest ehitate sinna jõudmiseks Battlestar Galactica suurust laeva.

Elektrilist tõukejõudu on kasutatud sellistes projektides nagu Jaapani kosmoseagentuuri Hayabusa veesõiduk, mis külastas hiljuti kauget asteroidi Ryugu. Ja tulevastes projektides, nagu näiteks võimsus ja tõukejõu element NASA Lunar Gateway jaama (PPE) moodul, mis kasutab päikese elektrilist tõukejõudu ja on kolm korda võimsam kui praegune võimalus.

Bussiga sõitmine

Planeetidele startimine ja maandumine nõuab endiselt keemilist tõukejõudu, kuid vahepealset teekonda saab muuta palju tõhusamaks. King soovitab, et mittetõukejõulise meeskonnasõiduki või kaubaveoki võiks panna rattasõidu orbiidile, mis möödub Maast ja Marsist. "Siis saate sisuliselt asjad üles saata ja bussiga Marsile sõita, ilma tõukejõuta," selgitas ta. Sarnast süsteemi on juba kasutatud Kepleri kosmoseteleskoop, mis kasutas pärast Maad mööda heliotsentrilisele orbiidile lendu väga vähe kütust.

Muidugi on Maalt Marsile jõudmine vaid osa teekonnast. Kui veesõiduk Marsile jõuab, peab see aeglustuma ja orbiidile sisenema. Veesõiduki aeglustamiseks on tavaliselt kaks meetodit: kütust nõudvate tagurpidi tõukurite kasutamine ja aeropidurdus. Viimane on koht, kus veesõiduk sukeldub Marsi välisatmosfääri, kasutades aerodünaamilist takistust, et vähendada sõiduki energiat piisavalt, et kui see atmosfäärist väljub, võib see orbiidile siseneda.

Elektrilise tõukejõu kontseptsioon on viimastel aastakümnetel olnud mõnevõrra kõrvaline, kuid nende uute projektidega on see liikunud peavoolu. "Nüüd rakendatakse seda laialdaselt – see on nagu lennureiside üleminek sõukruviga lennukitelt reaktiivlennukitele," ütles King.

Andurid ja AI

Nii saame saata roboteid maapinda uurima ja satelliite infrastruktuuri üles seadma. Võiksime isegi tohutuid ehitisi, näiteks elupaiku, läbi kosmose liigutada, kasutades elektrijõul minimaalset kütust. Kuid Marsi koloniseerimise väljakutsed ei ilmne ainult siis, kui inimesed tegelikult hõivavad planeedi elupaika. Üks suur probleem on see, kuidas saab säilitada elupaiku ja struktuure pika perioodi jooksul, mil need on asustamata. Kavandatavad projektid, nagu näiteks NASA Lunar Gateway jaam, on tõenäoliselt hõivatud vaid 20–30 protsenti ajast ja võime oodata sarnaseid või isegi madalamaid täitumusi potentsiaalsel Marsil elupaigad.

Planeedivälised elupaigad peavad saama end jälgida ja end parandada, eriti kui lähim inimene on miljonite miilide kaugusel. Ja selleks on vaja AI-d.

Hiljuti rahvusvahelisse kosmosejaama käivitatud süsteem võib olla tehisintellekti elupaikade seire aluseks. Boschi oma SoundSee süsteem koosneb kasulikust koormast, mis sisaldab 20 mikrofoni, kaamerat ja keskkonnaandurit temperatuuri, niiskuse ja rõhu salvestamiseks. Need andurid koguvad andmeid keskkonna kohta, eriti akustilist teavet, mida saab kasutada probleemide märkimiseks.

"Kui kujutate ette, et jaamas on leke, ei kostaks mitte ainult ultrahelitoone, vaid ka rõhukadu," selgitas Boschi teadur Jonathan Macoskey. "Kui me näeme nii rõhukadu kui ka ultraheli tooni ja muid tegureid, on see konkreetne viis probleemi tuvastamiseks."

Muidugi oleks ISS-i leke vali, ilmne ja dramaatiline. Kuid paljud masinarikked, eriti mehitamata keskkondades, on tingitud järkjärgulisest halvenemisest aja jooksul. AI-d saab kasutada nende asjade tajumiseks, ütles SoundSee juhtivteadur Samarjit Das, mitte lisades rohkem või paremaid andureid, vaid pigem kasutades andurite andmeid tõhusamalt peente otsimiseks mustrid.

"Masinad ei lagune koheselt heast halvaks," ütles Das. "Aja jooksul toimub järkjärguline kulumine. Mõelge süsteemile, mida võiksite ISS-is jälgida nagu jooksulint. Sees olevad käigud lagunevad aja jooksul kasutamise käigus aeglaselt. Meie inimestena ei kuule, et seal midagi valesti läheb, aga kui need aja jooksul andmeteks teisendada, võib tehisintellekt märgata neid peeneid muutusi normist kõrvalekaldumisel.

Ärge kujutage ette tulevasi laevu ja elupaiku, mida kontrollib täielikult tehisintellekt, või mis veelgi hullem, sellist jõhkrat tehisintellekti nagu 2001. aasta HAL. "Andurid ja tehisintellekt ei asenda inimesi täielikult ega automatiseeri kõike," ütles Das. "AI on kaitseliin." Macoskey nõustus: "Me näeme tehisintellekti kui tööriista, mis võimaldab uusi asju samamoodi, nagu mikroskoop võimaldas inimestel vaadata mikroskoopilisi organisme."

Marsi koloniseerimine on võimalik

Kõigi nende keskkonna- ja logistiliste raskuste juures võib tunduda, nagu oleks inimeste Marsile saatmine üleüldse pikk haare, rääkimata mingisuguse alalise või poolpüsiva baasi rajamisest sinna. Kuigi need on tõsised väljakutsed, leidub lahendusi tehisintellekti, robootika ja tõukejõu meetodite näol, mida katsetatakse praegu tulevastes kosmoseprojektides kasutamiseks.

"Ma usun, et Marsi koloniseerimine ei ole tehnoloogiline, vaid majandusküsimus," ütles King. “Kui meil oleks ressursse kulutada, siis teame, mida tuleb ehitada, ja teame, kuidas seda ehitada. Kuid dollarite või eurode arv, mis selleks kulub, on hirmuäratav.

Piisava rahastuse korral on meil teadmised, et alustada sidesüsteemide loomist, transpordi võimaldamist ja elupaikade rajamist Marsil. King on kindel, et see võib juhtuda isegi meie eluea jooksul: "Arvestades piiramatuid ressursse, suudaksime selle infrastruktuuri rajada kümne aastaga."

Toimetajate soovitused

• See tähelepanuväärne kuju muutev robot võib ühel päeval suunduda Marsile
• Tutvuge mängu muutva viskerobotiga, mis suudab suurepäraselt jäljendada iga inimese viset
• Marsi veekaart võib aidata tulevaste missioonide jaoks asukohti valida
• NASA soovib teie abi kestva Marsi mõistatuse lahendamisel
• Viimistlus: kuidas teadlased annavad robotitele inimlikke puutetundlikkusi