Ismerkedjen meg a robotok úttörőivel, amelyek lehetővé teszik számunkra a Mars megtelepedését

A NASA közelgőjéből Hold-Mars küldetés Elon Musk ambiciózus terveihez használj egy SpaceX csillaghajót hogy végül gyarmatosítsák a Marsot, már folyik a verseny a Vörös Bolygó benépesítéséért. Mielőtt azonban az emberek ellátogathatnának a Marsra, és ott bármilyen hosszú távú bázist felállíthatnának, felderítőket kell kiküldenünk, hogy lássák a föld fekvését, és készítsék fel az emberes küldetésekre.

A mechanikus úttörők, amelyeket az elkövetkező években a Marsra küldünk, követni fogják az olyan felfedezők abroncsnyomait, mint a Curiosity rover és a Insight lander, de a marsi robotika következő generációja kifinomult mesterséges intelligenciát, újszerű meghajtási módszereket és rugalmas kisméretű műholdakat használ majd, hogy megfeleljen az új világ gyarmatosításának kihívásainak.

Tervezés a Mars környezetéhez

Különös nehézségek adódnak olyan gépek építésében, amelyek ellenállnak a marsi környezetnek. Először is ott van a hideg, az átlaghőmérséklet mínusz 80 Fahrenheit fok körüli, és mínusz 190 Fahrenheit fokra csökken a sarkokon. Aztán ott van a vékony légkör, amely mindössze egy százaléka a Föld légkörének sűrűségének. Aztán ott van a zavaró por, amely a bolygó felszínén végzett műveletek során felcsapódik, nem beszélve a Nap sugarainak intenzív sugárzásáról.

Ezek a környezeti feltételek problémákat okoznak a robotika számára, a hőmérséklet-ingadozásoktól, amelyek mechanizmusokat okoznak kitágulnak és összehúzódnak, és így idővel elhasználódnak, hogy a fogaskerekekbe por kerüljön, ami megakadályozza a kitett elemek használatát kenés.

"Ez egy nagyon egyedi és extrém környezet, még az űrrobotika számára is" - mondta Al Tadros, az űrért felelős alelnöke Infrastruktúra és civil tér a Maxar Technologiesnél, amely a robotkarokat építő vállalat A NASA marsjárói. A Maxar robotkarjainak nemcsak túlélniük kell ezt a zord környezetet, hanem olyan feladatokat is el kell látniuk, mint az ásás és a fúrás, amelyek lehetővé teszik a tudományos vizsgálatokat.

Egy másik szempont a súlykorlátozás. Amikor egy alkatrészt rakétával kell a Marsra szállítani, minden egyes grammot figyelembe kell venni és el kell számolni, és ehhez gondosan kell kiválasztani az anyagokat. „Sok tevékenységünk különböző típusú alumíniumot használ” – magyarázta Tadros. "Titánt is használunk, és bizonyos esetekben szénszálat használunk, az alkalmazástól függően." Egyéb súlycsökkentő trükkök közé tartozik néhány kiürítése olyan szakaszok, amelyeknek szerkezetileg nem kell olyan erősnek lenniük, mint például a méhsejt-mátrix kompozitból készülő robotkar hossza csövek.

Hagyjuk, hogy a robotok maguk fedezzenek fel

Amikor egy rover felkerült a Mars felszínére, megkezdheti a felfedezést. A Földtől való távolság miatt azonban a mérnökök nem tudják közvetlenül irányítani a rovereket. Ehelyett a robotok bizonyos fokú autonómiát élveznek a kutatás során, és a NASA gyakorolja a felügyeleti parancsot.

„Megmondhatják a rovernek, hogy menjen öt métert ebbe az irányba” – mondja Tadros példaként. Ha probléma adódik a parancs végrehajtásával, a rover leáll, és további utasításokat vár. „Ez ebben az értelemben meglehetősen kezdetleges. De a jövőben az a vágy, hogy autonómiával rendelkezzen a fedélzeten, hogy a rover felismerje: „Ó, azt mondták, hogy menjek öt métert, de van itt egy szikla. Megyek ebbe az irányba, mert tudom, hogy szabad a terep."

A térképpel és helyismerettel rendelkező roverek képesek lesznek önálló navigációt végezni. Idővel képesek lesznek önállóan is végezni a tudományt, így a tudósoknak csak egy olyan parancsot kellene megadniuk, mint a „találjon ilyen kőzetet”, és a rover meg tudja határozni és elemezni tudja a mintát. Ezt a fajta autonómiát már tervezik a NASA közelgő holdküldetésének részeként a VIPER rover, Tadros mondta. "Gyors kutatást fog végezni, megvizsgálja és jellemzi a regolitot és a sziklákat, hogy jeget és más anyagokat keressen."

Olyan robotikával, mint a VIPER és a Marskopter a Mars 2020 projekt részeként induló gépekkel számíthatunk a Mars felderítésére, tájékozódni azokról a helyi erőforrásokról és veszélyekről, amelyek elősegítik vagy akadályozzák az emberek túlélését bolygó.

Mars helymeghatározó rendszer felépítése

Az első lépés a gyarmatosítás felé annak ismerete, hogy az emberek hol szállhatnak le biztonságosan a Marson, és hol találhatják meg a szükséges erőforrásokat. De az igazi különbség a látogatás és a hosszú távú tartózkodás között egy másik bolygón az infrastruktúra kérdése. A víztől a kommunikáción át az élőhelyek építéséig meg kell találnunk a módját, hogy fenntartható módon biztosítsuk az élethez szükséges alapvető szükségleteket.

A korai infrastruktúra felállításának egyik módja a kis műholdak vagy kis műholdak használata. „Ha a Mars gyarmatosításán gondolkodik, akkor ott jönnek be a kisgépek, hogy felállítják az infrastruktúrát a kolónia” – mondta Brad King, az Orbion vezérigazgatója. kissatok. „Kommunikációs hálózatokra van szükségünk a Marson, mind a Mars két pontja között, mind a Marsról vissza a Földre. A Földön sok ilyen problémát megoldottunk a bolygónk körül keringő műholdakkal.”

A Smallsats hasonló funkciókat tölthet be a Marson, ha a GPS-nek megfelelő marsi - nevezhetnénk Mars Positioning System - rendszert. A bolygó felszínét is felderíthetik, felkészítve a területet az érkező emberek számára.

Eljutás A-ból B-be

A probléma az, hogy megfizethető módon juttassák el a műholdakat a Földről a Marsra. Hagyományosan a vízi járműveket vegyi meghajtással mozgatták az űrben – vagyis tüzelőanyag elégetésével, hogy tolóerőt hozzanak létre. Ez egy nagyszerű módja annak, hogy nagy tolóerőt hozzunk létre, például ahhoz, hogy egy rakéta elhagyja a Föld légkörét és az űrbe kerüljön. De ehhez hatalmas mennyiségű üzemanyagra van szükség, olyan mértékben, hogy a modern rakéták legnagyobb részét egyszerűen az üzemanyagtartály teszi ki.

Az űrben való mozgás olcsóbb alternatívája az elektromos meghajtás, amely napenergiával egy inert anyagot, például xenont lő ki a jármű hátuljából. Ez a módszer rendkívül üzemanyag-hatékony, és lehetővé teszi nagy távolságok megtételét nagyon kevés üzemanyag felhasználásával. Hátránya, hogy ennek a meghajtási módszernek alacsony a tolóereje, így tovább tart a cél elérése. Egy vízi járműnek a Földről a Marsra elektromos meghajtással történő eljuttatása néhány évig tarthat, szemben a kémiai meghajtással, amellyel az út hat-kilenc hónapig tartana.

Az elv azonban nem csak a kisméretű, pilóta nélküli járművekre vonatkozik. Az elektromos meghajtás egyértelmű előnye, hogy nagyon hatékonyan skálázható: „Az elektromos meghajtási technológia annál jobban működik, minél nagyobb lesz” – mondta King. „Elvileg semmi sem korlátozza az elektromos meghajtás kiterjesztését nagyon nagy, legénységgel ellátott küldetésekre. Csak kezdesz gazdasági akadályokba ütközni, mert Battlestar Galactica méretű hajót építesz, hogy odaérj."

Az elektromos meghajtást olyan projektekben alkalmazták, mint a Japán Űrügynökség Hayabusa hajója, amely nemrégiben meglátogatta a távoli aszteroidát. Ryugu. A jövőbeni projektekben további tervek vannak elektromos meghajtású vízi járművekre, mint például a teljesítmény és hajtóelem A NASA Lunar Gateway állomásának (PPE) modulja, amely napelemes elektromos meghajtást használ, és háromszor erősebb lesz a jelenlegi képességeknél.

A buszon lovagolni

A bolygókra való kilövés és leszállás továbbra is vegyi meghajtást igényel, de a köztes utazást sokkal hatékonyabbá lehetne tenni. King azt javasolja, hogy egy nem hajtóerős személyzeti járművet vagy teherszállító járművet olyan kerékpáros pályára állítsanak, amely elhalad a Föld és a Mars mellett. „Akkor lényegében fel lehet küldeni a dolgokat, és „buszozni” a Marsra, anélkül, hogy meghajtásra lenne szükség” – magyarázta. Hasonló rendszert már használtak a Kepler Űrteleszkóp, amely nagyon kevés üzemanyagot használt fel a Földet követő heliocentrikus pályára indítása után.

Természetesen a Földről a Marsra jutni csak egy része az útnak. Amint egy hajó megérkezik a Marsra, le kell lassítania, és pályára kell állnia. A vízi jármű lelassítására jellemzően két módszer létezik: üzemanyagot igénylő hátrameneti tolóerő és légi fékezés. Ez utóbbi az a hely, ahol egy vízi jármű a Mars külső légkörébe merül, és az aerodinamikai légellenállás segítségével annyira lecsökkenti a jármű energiáját, hogy amikor kijön a légkörből, pályára léphessen.

Az elektromos meghajtás fogalma az elmúlt évtizedekben némileg peremhelyzetbe került, de ezekkel az új projektekkel a fősodorba került. „Most már széles körben alkalmazzák – ez olyan, mint a légi közlekedés átállása propeller hajtású repülőgépekről sugárhajtású repülőgépekre” – mondta King.

Szenzorok és AI

Így küldhetünk robotokat a felszín felderítésére, és műholdakat az infrastruktúra felállítására. Még hatalmas építményeket, például élőhelyeket is mozgathatunk az űrben minimális üzemanyag felhasználásával elektromos meghajtással. De a Mars gyarmatosításának kihívásai nem csak akkor jelentkeznek, amikor az emberek ténylegesen elfoglalnak egy bolygón lévő élőhelyet. Az egyik fő kérdés az, hogy az élőhelyek és struktúrák hogyan tarthatók fenn hosszú ideig, amíg lakatlanok lesznek. Az olyan tervezett projektek, mint például a NASA Lunar Gateway állomása, valószínűleg csak 20-30 alkalommal lesznek elfoglalva. százalékában, és hasonló vagy még alacsonyabb kihasználtságra számíthatunk a potenciális Marson élőhelyek.

A bolygón kívüli élőhelyeknek képesnek kell lenniük önmaguk megfigyelésére és rendbetételére, különösen akkor, ha a legközelebbi ember több millió mérföldre van tőle. Ehhez pedig mesterséges intelligencia szükséges.

A Nemzetközi Űrállomáson nemrégiben elindított rendszer alapja lehet az AI élőhelyeinek megfigyelésének. Bosch-é SoundSee rendszer egy rakományból áll, amely 20 mikrofont, egy kamerát és egy környezeti érzékelőt tartalmaz a hőmérséklet, páratartalom és nyomás rögzítésére. Ezek az érzékelők adatokat gyűjtenek a környezetről, különösen az akusztikus információkat, amelyek felhasználhatók a problémák jelzésére.

"Ha azt képzeli, hogy szivárgás van az állomáson, akkor nemcsak ultrahangos hangok hallhatók, hanem nyomásveszteség is" - magyarázta Jonathan Macoskey, a Bosch kutatója. "Ha mind a nyomásveszteséget, mind az ultrahangos hangot és egyéb tényezőket látjuk, az a probléma azonosításának konkrét módja."

Természetesen egy szivárgás az ISS-ben hangos, nyilvánvaló és drámai lenne. De sok gép meghibásodása, különösen pilóta nélküli környezetben, az idő múlásával történő fokozatos leromlás következménye. Az AI felhasználható ezeknek a dolgoknak az érzékelésére, mondta Samarjit Das, a SoundSee vezető kutatója, nem úgy, hogy hozzátesszük. több vagy jobb érzékelőt, hanem az érzékelőadatok hatékonyabb felhasználásával a finom kereséshez minták.

„A gépek nem csak azonnal tönkremennek jóból rosszba” – mondta Das. „Idővel fokozatosan elhasználódik. Gondoljon egy olyan rendszerre, amelyet esetleg futópadként szeretne figyelni az ISS-ben. A benne lévő fogaskerekek idővel lassan lebomlanak a használat során. Mi, emberek nem halljuk, hogy ott valami elromlik, de ha ezt idővel adatokká alakítja, a mesterséges intelligencia észreveheti a normától való eltérések finom változásait.”

Ne képzelje el azonban, hogy a jövő hajóit és élőhelyeit teljes egészében mesterséges intelligencia irányítja, vagy ami még rosszabb, olyan vad MI-t, mint a 2001-es HAL. „Az érzékelők és a mesterséges intelligencia nem helyettesíti teljesen az embereket, és nem automatizál mindent” – mondta Das. "Az AI egy védelmi vonal." Macoskey egyetértett: „Az AI-t olyan eszköznek tekintjük, amely ugyanúgy új dolgokat tesz lehetővé, mint ahogyan a mikroszkóp lehetővé tette az emberek számára a mikroszkopikus élőlények megtekintését.”

A Mars kolonizálása lehetséges

Mindezen környezeti és logisztikai nehézségek mellett úgy tűnhet, hogy az embereket a Marsra küldeni hosszú távon, nem beszélve arról, hogy ott bármilyen állandó vagy félig állandó bázist létesítenek. Bár ezek komoly kihívások, léteznek megoldások mesterséges intelligencia, robotika és meghajtási módszerek formájában, amelyeket jelenleg tesztelnek a jövőbeli űrprojektekben való felhasználás céljából.

„Úgy gondolom, hogy a Mars gyarmatosítása nem technológiai, hanem gazdasági kérdés” – mondta King. „Ha megvoltak a forrásaink, hogy költsünk, akkor tudjuk, mit kell építeni, és tudjuk, hogyan kell megépíteni. De az ehhez szükséges dollárok vagy eurók száma ijesztő.”

Elegendő finanszírozás birtokában rendelkezünk azzal a tudással, hogy megkezdjük a kommunikációs rendszerek felállítását, lehetővé téve a közlekedést és az élőhelyek építését a Marson. King bízik benne, hogy ez akár a mi életünkben is megtörténhet: „Ha korlátlan erőforrásokkal rendelkezünk, egy évtized alatt kiépíthetjük ezt az infrastruktúrát.”

Szerkesztői ajánlások

• Ez a figyelemre méltó alakváltó robot egy napon a Mars felé indulhat
• Ismerje meg a játékot megváltoztató dobórobotot, amely tökéletesen utánoz bármilyen emberi dobást
• A Mars víztérképe segíthet a jövőbeli küldetések helyszíneinek kiválasztásában
• A NASA a segítségedet kéri egy maradandó Mars-rejtély megoldásához
• Utolsó simítás: Hogyan biztosítanak a tudósok a robotoknak emberszerű tapintási érzékeket