Tapaa robottien pioneerit, jotka antavat meille mahdollisuuden kolonisoida Marsin

NASAn tulevasta Kuusta Marsiin -tehtävä Elon Muskin kunnianhimoisiin suunnitelmiin käytä SpaceX Starshipiä Marsin lopulta kolonisoimiseksi kilpa Punaisen planeetan kansoittamisesta on jo käynnissä. Mutta ennen kuin ihmiset voivat vierailla Marsissa ja perustaa sinne minkäänlaista pitkäaikaista tukikohtaa, meidän on lähetettävä partiolaisia ​​näkemään maan ja valmistelemaan sitä miehitettyihin tehtäviin.

Mekaaniset pioneerit, jotka lähetämme Marsiin tulevina vuosina, seuraavat tutkimusmatkailijoiden, kuten Curiosity rover ja Insight laskuri, mutta seuraavan sukupolven marsilainen robotiikka käyttää kehittyneitä tekoälyä, uusia propulsiomenetelmiä ja joustavia pienikokoisia laitteita vastatakseen uuden maailman kolonisoimisen haasteisiin.

Suunnittelu Mars-ympäristöön

Marsin ympäristön kestävien koneiden rakentamisessa on selviä vaikeuksia. Ensinnäkin on kylmä, ja lämpötilat ovat keskimäärin noin miinus 80 Fahrenheit-astetta ja laskevat miinus 190 Fahrenheit-asteeseen napoissa. Sitten on ohut ilmakehä, joka on vain yksi prosentti maan ilmakehän tiheydestä. Ja sitten on ongelmallista pölyä, joka potkii ylös kaikissa toimissa planeetan pinnalla, puhumattakaan auringonsäteiden voimakkaasta säteilystä.

Nämä ympäristöolosuhteet aiheuttavat ongelmia robotiikalle aina mekanismeja aiheuttavista lämpötilavaihteluista laajenevat ja supistuvat ja kuluvat siten ajan myötä, jolloin pölyä pääsee hammaspyöriin, mikä estää altistuneiden käytön voitelu.

"Se on erittäin ainutlaatuinen ja äärimmäinen ympäristö jopa avaruusrobotiikalle", sanoi Al Tadros, avaruusjohtaja Infrastruktuuri ja siviilitila Maxar Technologiesilla, joka on yritys, joka rakentaa robottikäsiä NASAn Mars-kulkijat. Maxarin robottikäsivarsien on kyettävä selviytymään tästä ankarasta ympäristöstä, mutta myös suoritettava tehtäviä, kuten kaivaminen ja poraus, jotka mahdollistavat tieteelliset tutkimukset.

Toinen huomioitavaa on painorajoitukset. Kun osa on toimitettava Marsiin raketilla, jokainen gramma on harkittava ja huomioitava, mikä edellyttää materiaalien huolellista valintaa. "Paljon toiminnastamme käytetään erilaisia ​​alumiinityyppejä", Tadros selitti. "Käytämme myös titaania ja joissain tapauksissa hiilikuitua sovelluksesta riippuen." Muita painonsäästötemppuja ovat joidenkin kovertaminen osia, joiden ei tarvitse olla rakenteellisesti niin vahvoja, kuten robottivarren pituus, joka voitaisiin tehdä hunajakennomatriisikomposiitista putket.

Anna robottien tutkia itseään

Kun mönkijä on toimitettu Marsin pinnalle, se voi alkaa tutkia. Maasta etäisyyden vuoksi insinöörien ei kuitenkaan ole mahdollista ohjata mönkijöitä suoraan. Sen sijaan roboteilla on jonkin verran autonomiaa tutkimuksissaan, ja NASA käyttää valvontakomentoa.

"He voivat käskeä mönkijän menemään viisi metriä tähän suuntaan", Tadros kertoo esimerkkinä. Jos komennon suorittamisessa on ongelmia, rover pysähtyy ja odottaa lisäohjeita. "Se on aika alkeellista siinä mielessä. Mutta tulevaisuudessa halutaan autonomiaa aluksella, jotta rover tunnistaa "Voi, minua käskettiin menemään viisi metriä, mutta täällä on kivi. Aion kiertää tähän suuntaan, koska tiedän, että maasto on avoin."

Kartan ja paikallistuntemuksen avulla roverit pystyvät navigoimaan itse. He jopa pystyvät lopulta suorittamaan tiedettä itsenäisesti, joten tutkijoiden tarvitsee vain määrittää komento, kuten "löydä tällainen kivi", ja mönkijä voi paikantaa ja analysoida näytteen. Tällaista autonomiaa suunnitellaan jo osana NASAn tulevaa Kuu-tehtävää VIPER rover, Tadros sanoi. "Se tekee nopean etsinnön, tarkastelee ja luonnehtii regoliittia ja kiviä jään ja muiden materiaalien etsimiseksi."

Robotiikan kanssa, kuten VIPER ja Marskopteri osana Mars 2020 -projektia lanseeraamme, voimme odottaa koneiden etsivän ja tutkivan Marsia, ottaa selvää paikallisista resursseista ja vaaroista, jotka auttavat tai estävät ihmisten selviytymistä alueella planeetta.

Marsin paikannusjärjestelmän rakentaminen

Ensimmäinen askel kohti kolonisaatiota on tietää, missä ihmiset voivat laskeutua turvallisesti Marsiin ja mistä he voivat paikantaa tarvitsemansa resurssit. Mutta todellinen ero vierailun ja pitkäaikaisen oleskelun välillä toisella planeetalla on infrastruktuurikysymys. Vedestä kommunikaatioon ja elinympäristöjen rakentamiseen meidän on löydettävä tapa tarjota elämän perustarpeet kestävällä tavalla.

Yksi tapa perustaa varhainen infrastruktuuri on käyttää pieniä satelliitteja tai smallsats. "Jos aiot kolonisoida Marsin, pienet satit tulevat sisään rakentamaan infrastruktuurin siirtomaa", sanoi Brad King, Orbionin toimitusjohtaja. Yhtiö luo tehokkaampia propulsiojärjestelmiä pienet satut. "Tarvitsemme viestintäverkkoja Marsiin, sekä kahden Marsin pisteen välillä että Marsista takaisin Maahan. Maapallolla olemme ratkaisseet monet näistä ongelmista planeettamme ympäri kiertävillä satelliiteilla."

Smallsatit voisivat suorittaa samanlaisia ​​tehtäviä Marsissa perustamalla Marsin GPS: ää vastaavan - voisimme kutsua sitä Marsin paikannusjärjestelmäksi. He voivat myös tutkia planeetan pintaa ja valmistaa alueen tuleville ihmisille.

Pääsy paikasta A paikkaan B

Ongelmana on satelliittien saaminen Maasta Marsiin edullisella tavalla. Perinteisesti veneitä on kuljetettu avaruuden halki kemiallisen propulsion avulla – eli polttamalla polttoainetta työntövoiman luomiseksi. Tämä on loistava tapa luoda suuria määriä työntövoimaa, kuten työntövoimaa, joka tarvitaan raketin poistumiseen Maan ilmakehästä ja pääsemiseen avaruuteen. Mutta se vie valtavan määrän polttoainetta, siinä määrin, että suurin osa nykyaikaisista raketteista on yksinkertaisesti polttoainesäiliö.

Halvempi vaihtoehto liikkumiseen avaruudessa on sähkökäyttöinen propulsio, joka käyttää aurinkovoimaa ampumaan inerttiä ainetta, kuten ksenonia, aluksen takaosasta. Tämä menetelmä on erittäin polttoainetehokas ja mahdollistaa pitkien matkojen kuljettamisen erittäin pienellä polttoainemäärällä. Huono puoli on, että tällä propulsiomenetelmällä on pieni työntövoima, joten määränpäähän saapuminen kestää kauemmin. Aluksen lähettäminen maasta Marsiin sähkökäyttöisellä propulsiovoimalla voi kestää muutaman vuoden verrattuna kemialliseen propulsioon, jolla matka kestäisi noin kuudesta yhdeksään kuukauteen.

Periaate ei kuitenkaan koske vain pieniä miehittämättömiä aluksia. Sähkökäyttöisen propulsion selkeä etu on, että se skaalautuu erittäin tehokkaasti: "Sähköpropulsiotekniikka toimii paremmin mitä isommaksi se tulee", King sanoi. "Periaatteessa mikään ei rajoita sähkövoiman laajentamista erittäin suuriin miehistötehtäviin. Alat vain törmätä taloudellisiin esteisiin, koska rakennat Battlestar Galactica -kokoista venettä päästäksesi perille."

Sähkökäyttöä on käytetty projekteissa, kuten Japanin avaruusjärjestön Hayabusa-aluksessa, joka vieraili hiljattain kaukaisella asteroidilla Ryugu. Ja tulevissa projekteissa on enemmän suunnitelmia sähkökäyttöisille aluksille, kuten teho ja propulsioelementti NASAn Lunar Gateway -aseman (PPE) moduuli, joka käyttää aurinkoenergiaa ja on kolme kertaa nykyistä voimakkaampi.

Bussilla ajaminen

Laukaisu planeetoille ja laskeutuminen niille vaatii edelleen kemiallista propulsiovoimaa, mutta välimatkaa voitaisiin tehdä paljon tehokkaammaksi. King ehdottaa, että ei-propulsiivinen miehistön ajoneuvo tai rahtiajoneuvo voitaisiin asettaa pyöräilyradalle, joka kulkee Maan ja Marsin ohi. "Sitten voit lähettää tavarat ylös ja "ajella bussilla" Marsiin ilman käyttövoimaa", hän selitti. Vastaavaa järjestelmää on jo käytetty Kepler-avaruusteleskooppi, joka käytti hyvin vähän polttoainetta laukaisunsa jälkeen Maata jäljessä olevalle heliosentriselle kiertoradalle.

Tietenkin päästä Maasta Marsiin on vain osa matkaa. Kun alus saapuu Marsiin, sen täytyy hidastua ja astua kiertoradalle. Aluksen hidastamiseen on tyypillisesti kaksi tapaa: polttoainetta vaativien peruutuspotkurien käyttö ja ilmajarrutus. Jälkimmäinen on paikka, jossa alus sukeltaa Marsin ulkoilmakehään käyttämällä aerodynaamista vastusta ajoneuvon energian vähentämiseksi tarpeeksi, jotta se pääsee ilmakehästä poistuessaan kiertoradalle.

Sähkökäyttöisen propulsion käsite on ollut jokseenkin syrjässä viime vuosikymmeninä, mutta näiden uusien projektien myötä se on siirtynyt valtavirtaan. "Nyt sitä sovelletaan laajassa mittakaavassa - se on kuin lentomatkojen siirtymistä potkurikäyttöisistä lentokoneista suihkukoneisiin", King sanoi.

Anturit ja tekoäly

Joten voimme lähettää robotteja tutkimaan pintaa ja satelliitteja perustamaan infrastruktuuria. Voisimme jopa siirtää valtavia rakenteita, kuten elinympäristöjä, avaruuden läpi käyttämällä mahdollisimman vähän polttoainetta sähkövoimalla. Mutta Marsin kolonisaation haasteet eivät esiinny vain silloin, kun ihmiset todella miehittävät planeetan elinympäristöä. Yksi suuri ongelma on se, kuinka elinympäristöjä ja rakenteita voidaan ylläpitää niin kauan, kun ne ovat asumattomina. Suunnitellut projektit, kuten esimerkiksi NASAn Lunar Gateway -asema, ovat todennäköisesti käytössä vain 20-30 prosenttia ajasta, ja voimme odottaa samanlaista tai jopa alhaisempaa käyttöastetta mahdollisessa Marsissa elinympäristöjä.

Maapallon ulkopuolisten elinympäristöjen on kyettävä tarkkailemaan itseään ja korjaamaan itsensä, varsinkin kun lähin ihminen on miljoonien kilometrien päässä. Ja sitä varten tarvitaan tekoäly.

Äskettäin Kansainväliselle avaruusasemalle lähetetty järjestelmä voisi tarjota perustan tekoälyn elinympäristöjen seurannalle. Boschin SoundSee järjestelmä koostuu hyötykuormasta, joka sisältää 20 mikrofonia, kameran ja ympäristöanturin lämpötilan, kosteuden ja paineen tallennusta varten. Nämä anturit keräävät tietoa ympäristöstä, erityisesti akustista tietoa, jota voidaan käyttää ongelmien ilmoittamiseen.

"Jos kuvittelet, että asemassa on vuoto, ei vain ultraääniääniä, vaan myös painehäviöitä", Boschin tutkija Jonathan Macoskey selitti. "Jos näemme sekä painehäviön että ultraäänen ja muita tekijöitä, se on konkreettinen tapa tunnistaa ongelma."

Tietysti vuoto ISS: ssä olisi äänekäs, ilmeinen ja dramaattinen. Mutta monet konehäiriöt, erityisesti miehittämättömissä ympäristöissä, johtuvat asteittaisesta heikkenemisestä ajan myötä. Tekoälyä voidaan käyttää aistimaan näitä asioita, SoundSeen päätutkija Samarjit Das sanoi, ei lisäämällä enemmän tai parempia antureita, vaan käyttämällä anturidataa tehokkaammin hienovaraisten kohteiden etsimiseen kuviot.

"Koneet eivät vain hajoa heti hyvästä huonoon", Das sanoi. ”Ajan myötä kuluminen kuluu vähitellen. Ajattele järjestelmää, jota haluat ehkä seurata ISS: ssä, kuten juoksumattoa. Sisällä olevat vaihteet heikkenevät hitaasti ajan myötä, kun niitä käytetään. Me ihmiset emme voi kuulla, että jokin menee pieleen siellä, mutta kun se muunnetaan tiedoiksi ajan mittaan, tekoäly voi havaita nuo hienovaraiset muutokset poikkeamissa normista."

Älä kuitenkaan kuvittele tulevaisuuden aluksia ja elinympäristöjä kokonaan tekoälyn ohjaamina, tai vielä pahempaa hirveää tekoälyä, kuten vuoden 2001 HAL. "Anturit ja tekoäly eivät korvaa ihmisiä kokonaan ja automatisoi kaikkea", Das sanoi. "AI on puolustuslinja." Macoskey oli samaa mieltä: "Näemme tekoälyn työkaluna, joka mahdollistaa uusia asioita samalla tavalla kuin mikroskoopin avulla ihmiset pystyivät katsomaan mikroskooppisia organismeja."

Marsin kolonisointi on mahdollista

Kaikkien näiden ympäristö- ja logistiikkaongelmien vuoksi saattaa tuntua siltä, ​​että ihmisten lähettäminen Marsiin ylipäänsä on pitkä havainto, puhumattakaan minkäänlaisen pysyvän tai puolipysyvän tukikohdan perustamisesta sinne. Vaikka nämä ovat vakavia haasteita, ratkaisuja on olemassa tekoälyn, robotiikan ja propulsiomenetelmien muodossa, joita testataan nyt käytettäväksi tulevissa avaruusprojekteissa.

"Uskon, että Marsin kolonisointi ei ole teknologinen ongelma, se on taloudellinen kysymys", King sanoi. ”Jos meillä olisi resursseja kuluttaa, tiedämme, mitä on rakennettava ja tiedämme, miten se rakennetaan. Mutta siihen tarvittavien dollarien tai eurojen määrä on pelottava."

Riittävällä rahoituksella meillä on tietoa aloittaaksemme viestintäjärjestelmien perustamisen, kuljetuksen mahdollistamisen ja elinympäristöjen rakentamisen Marsiin. King uskoo, että se voi tapahtua jopa meidän elinaikanamme: "Rajattomilla resursseilla voisimme rakentaa tämän infrastruktuurin vuosikymmenessä."

Toimittajien suositukset

• Tämä merkittävä muotoa muuttava robotti voisi jonain päivänä suunnata Marsiin
• Tapaa peliä muuttava heittorobotti, joka voi täydellisesti matkia mitä tahansa ihmisen heittoa
• Marsin vesikartta voisi auttaa valitsemaan paikkoja tulevia tehtäviä varten
• NASA haluaa apuasi ratkaisemaan pysyvän Mars-mysteerin
• Viimeistely: Kuinka tiedemiehet antavat roboteille ihmismäisiä tuntoaisteja