Susipažinkite su robotų pionieriais, kurie leis mums kolonizuoti Marsą

Iš būsimų NASA Mėnulio – Marso misija ambicingiems Elono Musko planams naudoti SpaceX Starship kad galiausiai kolonizuotų Marsą, lenktynės dėl Raudonosios planetos apgyvendinimo jau vyksta. Tačiau, kad žmonės galėtų aplankyti Marsą ir įkurti ten kokią nors ilgalaikę bazę, turime išsiųsti žvalgus, kad pamatytų žemės klodus ir paruoštų ją pilotuojamoms misijoms.

Mechaniniai pionieriai, kuriuos ateinančiais metais siųsime į Marsą, seks tyrinėtojų, tokių kaip Curiosity rover ir Įžvalgų nusileidimo įrenginys, tačiau naujos kartos Marso robotika naudos sudėtingą AI, naujus varymo metodus ir lanksčius mažus palydovus, kad susidorotų su naujojo pasaulio kolonizavimo iššūkiais.

Projektavimas Marso aplinkai

Yra didelių sunkumų kuriant mašinas, kurios gali atlaikyti Marso aplinką. Pirma, yra šaltis, kai vidutinė temperatūra yra apie minus 80 laipsnių pagal Farenheitą, o ašigaliuose nukrenta iki minus 190 laipsnių pagal Farenheitą. Tada yra plona atmosfera, kuri yra tik vienas procentas Žemės atmosferos tankio. Ir tada yra varginančios dulkės, kurios sukyla atliekant bet kokias operacijas planetos paviršiuje, jau nekalbant apie intensyvią Saulės spindulių spinduliuotę.

Šios aplinkos sąlygos sukuria problemų robotikai, pradedant temperatūros svyravimais, kurie sukelia mechanizmus, ir baigiant plečiasi ir susitraukia ir ilgainiui susidėvi, kad dulkės patektų į krumpliaračius, o tai neleidžia naudoti atvirų tepimas.

„Tai labai unikali ir ekstremali aplinka, net ir kosmoso robotikai“, – sakė kosmoso skyriaus viceprezidentas Al Tadros Infrastruktūra ir civilinė erdvė Maxar Technologies, kuri yra įmonė, kurianti robotines rankas NASA marsaeigiai. Maxar robotinės rankos turi ne tik išgyventi šioje atšiaurioje aplinkoje, bet ir atlikti tokias užduotis kaip kasimas ir gręžimas, leidžiantis atlikti mokslinius tyrimus.

Kitas aspektas yra svorio apribojimai. Kai dalis turi būti pristatyta į Marsą per raketą, reikia atsižvelgti ir į kiekvieną gramą, o tam reikia kruopščiai parinkti medžiagas. „Daugelis mūsų darbų naudoja skirtingų tipų aliuminį“, – paaiškino Tadrosas. "Mes taip pat naudojame titaną ir kai kuriais atvejais naudojame anglies pluoštą, priklausomai nuo taikymo." Kitos svorio taupymo gudrybės apima kai kurių ištuštinimą sekcijos, kurios neturi būti struktūriškai tokios tvirtos, pvz., roboto rankos ilgis, kuris gali būti pagamintas iš korio matricos kompozito vamzdeliai.

Leisti robotams tyrinėti patiems

Kai marsaeigis bus pristatytas į Marso paviršių, jis gali pradėti tyrinėti. Tačiau dėl atstumo nuo Žemės inžinieriams neįmanoma tiesiogiai valdyti roverių. Vietoj to, robotai tyrinėdami turi tam tikrą savarankiškumą, o NASA vykdo priežiūros komandą.

„Jie gali liepti marsaeigiui eiti penkis metrus šia kryptimi“, – pavyzdį pateikia Tadrosas. Jei vykdant šią komandą kyla problemų, roveris sustos ir lauks daugiau instrukcijų. „Tai gana elementaru ta prasme. Tačiau ateityje norima turėti autonomiją laive, kad roveris atpažintų: „O, man liepė eiti penkis metrus, bet čia yra riedulys. Aš eisiu šia kryptimi, nes žinau, kad reljefas yra atviras.

Turėdami žemėlapį ir vietines žinias, roveriai galės savarankiškai naviguoti. Galų gale jie netgi galės savarankiškai atlikti mokslą, todėl mokslininkams tereikės nurodyti komandą, pvz., „rasti tokią uolą“, o marsaeigis galėtų surasti ir išanalizuoti pavyzdį. Tokia autonomija jau planuojama kaip būsimos NASA Mėnulio misijos dalis VIPER rover“, – sakė Tadas. „Jis greitai žvalgys, apžiūrės ir apibūdins regolitą ir uolas, kad ieškotų ledo ir kitų medžiagų.

Su robotais, tokiais kaip VIPER ir Marskopteris startuodami kaip Mars 2020 projekto dalis, galime tikėtis, kad mašinos žvalgys ir tyrinės Marsą, sužinoti apie vietinius išteklius ir pavojus, kurie padės arba trukdys žmonėms išgyventi planeta.

Marso padėties nustatymo sistemos kūrimas

Žinojimas, kur žmonės gali saugiai nusileisti Marse ir kur jie gali rasti jiems reikalingus išteklius, yra pirmasis žingsnis kolonizacijos link. Tačiau tikrasis skirtumas tarp apsilankymo ir ilgalaikio buvimo kitoje planetoje yra infrastruktūros klausimas. Nuo vandens iki komunikacijų iki buveinių kūrimo turėsime rasti būdą, kaip tvariai aprūpinti būtiniausius gyvenimo poreikius.

Vienas iš ankstyvosios infrastruktūros sukūrimo būdų yra naudoti mažus palydovus arba mažus palydovus. „Jei galvojate apie Marso kolonizavimą, ten, kur ateina mažieji palydovai, sukuriama infrastruktūra kolonija“, – sakė Bradas Kingas, „Orbion“, bendrovės, kuriančios efektyvesnes varomąsias sistemas, generalinis direktorius. mažos salės. „Mums reikia ryšių tinklų Marse, tiek tarp dviejų taškų Marse, tiek iš Marso atgal į Žemę. Žemėje daugelį šių problemų išsprendėme su palydovais aplink mūsų planetą.

„Smallsats“ galėtų atlikti panašias funkcijas Marse, sukurdami Marso ekvivalentą GPS – galėtume tai pavadinti Marso padėties nustatymo sistema. Jie taip pat gali išžvalgyti planetos paviršių, paruošdami vietą žmonėms ateiti.

Kelionė iš A į B

Problema yra palydovų nugabenimas iš Žemės į Marsą prieinamu būdu. Tradiciškai laivai buvo perkeliami per kosmosą naudojant cheminę varomąją jėgą, ty deginant kurą, kad būtų sukurta trauka. Tai puikus būdas sukurti didelius traukos kiekius, pvz., trauką, reikalingą raketai palikti Žemės atmosferą ir patekti į kosmosą. Tačiau tam reikia didžiulio kuro kiekio, tiek, kad didžioji šiuolaikinių raketų dalis yra tiesiog degalų bakas.

Pigesnė alternatyva judėjimui erdvėje yra elektrinė varomoji jėga, kuri naudoja saulės energiją inertinei medžiagai, tokiai kaip ksenonas, iššauti iš laivo galo. Šis metodas yra labai ekonomiškas, todėl galima nukeliauti ilgus atstumus su labai mažai degalų. Neigiama yra tai, kad šis varymo būdas yra mažos traukos galia, todėl atvykimas į paskirties vietą užtrunka ilgiau. Laivo siuntimas iš Žemės į Marsą naudojant elektrinį varymą gali užtrukti keletą metų, palyginti su cheminiu varikliu, kuriuo kelionė truktų nuo šešių iki devynių mėnesių.

Tačiau šis principas taikomas ne tik mažiems nepilotuojamiems laivams. Aiškus elektrinio varymo pranašumas yra tai, kad jis labai efektyviai plečiasi: „Elektros varymo technologija veikia geriau, kuo didesnė“, – sakė Kingas. „Iš principo niekas neriboja elektros varomosios jėgos padidinimo iki labai didelių, įgulos narių misijų. Jūs tiesiog pradedate susidurti su ekonominėmis kliūtimis, nes statote Battlestar Galactica dydžio laivą, kad ten patektumėte.

Elektrinė varomoji jėga buvo naudojama tokiuose projektuose kaip Japonijos kosmoso agentūros Hayabusa laivas, kuris neseniai aplankė tolimą asteroidą Ryugu. Be to, būsimuose projektuose, tokiuose kaip galia ir varomasis elementas (PPE) NASA Lunar Gateway stoties modulis, kuris naudoja saulės elektrinį varymą ir bus tris kartus galingesnis už dabartines galimybes.

Važiuoja autobusu

Planetoms paleisti ir nusileisti vis tiek reikės cheminio varymo, tačiau kelionė tarp jų gali būti daug efektyvesnė. Kingas siūlo, kad nevaromoji ekipažo transporto priemonė arba krovininė transporto priemonė galėtų būti iškeliama į dviračio orbitą, kuri eina pro Žemę ir Marsą. „Tada iš esmės galite išsiųsti daiktus ir „važiuoti autobusu“ į Marsą, nereikalaujant jokios varomosios jėgos“, – paaiškino jis. Panaši sistema jau buvo naudojama Keplerio kosminis teleskopas, kuris po paleidimo į Žemę besitęsiančią heliocentrinę orbitą sunaudojo labai mažai kuro.

Žinoma, patekti iš Žemės į Marsą yra tik dalis kelionės. Kai laivas atvyksta į Marsą, jis turi sulėtinti greitį ir patekti į orbitą. Norint sulėtinti plaukiojančią priemonę, paprastai naudojami du būdai: naudoti atbulinės eigos variklius, kuriems reikia degalų, ir aerostabdį. Pastaruoju atveju laivas panyra į išorinę Marso atmosferą, naudodamas aerodinaminį pasipriešinimą, kad sumažintų transporto priemonės energiją tiek, kad, išlipęs iš atmosferos, jis galėtų patekti į orbitą.

Elektrinio varymo koncepcija pastaruosius kelis dešimtmečius buvo šiek tiek pakraščio, tačiau su šiais naujais projektais ji perkelta į pagrindinę kryptį. „Dabar jis taikomas dideliu mastu – tai tarsi oro kelionių perėjimas nuo sraigto varomo orlaivio prie reaktyvinio“, – sakė Kingas.

Jutikliai ir AI

Taigi galime nusiųsti robotus, kad apžiūrėtų paviršių, ir palydovus, kad sukurtų infrastruktūrą. Mes netgi galėtume perkelti milžiniškas konstrukcijas, tokias kaip buveinės, per erdvę, naudodami minimalų kurą, naudojant elektrinį variklį. Tačiau Marso kolonizacijos iššūkiai kyla ne tik tada, kai žmonės iš tikrųjų užima planetos buveinę. Viena iš pagrindinių problemų yra tai, kaip buveines ir struktūras galima išlaikyti ilgą laiką, kol jos bus neapgyvendintos. Pavyzdžiui, planuojami projektai, tokie kaip NASA Lunar Gateway stotis, greičiausiai bus užimti tik 20–30 procentų laiko, ir galime tikėtis panašių ar net mažesnių potencialaus Marso užimtumo rodiklių buveines.

Už planetos ribų esančios buveinės turi turėti galimybę stebėti save ir susitvarkyti, ypač kai artimiausias žmogus yra už milijonų mylių. Ir tam reikalingas AI.

Neseniai į Tarptautinę kosminę stotį paleista sistema galėtų būti AI buveinių stebėjimo pagrindas. Bosch SoundSee sistema susideda iš naudingo krovinio, kuriame yra 20 mikrofonų, fotoaparato ir aplinkos jutiklio, skirto temperatūrai, drėgmei ir slėgiui įrašyti. Šie jutikliai renka duomenis apie aplinką, ypač akustinę informaciją, kuri gali būti naudojama problemoms pažymėti.

„Jei įsivaizduojate, kad stotyje yra nuotėkis, būtų ne tik ultragarsiniai tonai, bet ir slėgio sumažėjimas“, – paaiškino Bosch mokslininkas Jonathanas Macoskey. „Jei matome ir slėgio sumažėjimą, ir ultragarso toną bei kitus veiksnius, tai yra konkretus būdas nustatyti problemą.

Žinoma, nuotėkis TKS būtų garsus, akivaizdus ir dramatiškas. Tačiau daugelis mašinų gedimų, ypač nepilotuojamoje aplinkoje, atsiranda dėl laipsniško gedimo laikui bėgant. AI gali būti naudojamas šiems dalykams pajusti, sakė „SoundSee“ pagrindinis tyrėjas Samarjit Das, o ne pridedant daugiau ar geresnių jutiklių, bet veiksmingiau naudojant jutiklių duomenis ieškant subtilių dalykų modelius.

„Mašinos ne tik iš karto genda iš geros į blogą“, - sakė Dasas. „Bėgant laikui, laipsniškas nusidėvėjimas. Pagalvokite apie sistemą, kurią galbūt norėsite stebėti TKS kaip bėgimo takelį. Viduje esantys krumpliaračiai pamažu genda, kai jie naudojami. Mes, žmonės, negirdime, kad kažkas ten negerai, bet kai laikui bėgant tai paverčiate duomenimis, AI gali pastebėti tuos subtilius nukrypimus nuo normos.

Tačiau neįsivaizduokite, kad būsimi laivai ir buveinės būtų visiškai valdomi dirbtinio intelekto, arba, dar blogiau, tokio žiauraus DI, kaip 2001 m. HAL. „Jutikliai ir dirbtinis intelektas visiškai nepakeis žmonių ir visko automatizuos“, – sakė Dasas. „AI yra gynybos linija“. Macoskey sutiko: „Mes matome DI kaip įrankį, kuris įgalina naujus dalykus taip pat, kaip mikroskopas leido žmonėms pažvelgti į mikroskopinius organizmus“.

Galimas Marso kolonizavimas

Atsižvelgiant į visus šiuos aplinkos ir logistikos sunkumus, gali atrodyti, kad žmonių siuntimas į Marsą išvis yra toli, jau nekalbant apie bet kokios nuolatinės ar pusiau nuolatinės bazės įkūrimą. Nors tai rimti iššūkiai, egzistuoja AI, robotikos ir varymo metodų, kurie dabar bandomi naudoti būsimuose kosmoso projektuose, sprendimai.

"Manau, kad Marso kolonizavimas nėra technologinis, tai ekonomikos klausimas", - sakė Kingas. „Jei turėtume resursų išleisti, žinome, ką reikia statyti, ir žinome, kaip tai statyti. Tačiau dolerių ar eurų skaičius, kurio reikia tam padaryti, yra bauginantis.

Turėdami pakankamai lėšų, turime žinių, kad galėtume pradėti kurti ryšių sistemas, sudaryti sąlygas transportui ir kurti buveines Marse. Kingas įsitikinęs, kad tai netgi gali įvykti per mūsų gyvenimą: „Turėdami neribotus išteklius, galėtume sukurti šią infrastruktūrą per dešimtmetį.

Redaktorių rekomendacijos

• Šis nuostabus formą keičiantis robotas vieną dieną galėtų nukeliauti į Marsą
• Susipažinkite su žaidimą keičiančiu metimo robotu, kuris gali puikiai imituoti bet kokį žmogaus metimą
• Marso vandens žemėlapis galėtų padėti pasirinkti vietas būsimoms misijoms
• NASA nori jūsų pagalbos, kad išspręstumėte ilgalaikę Marso paslaptį
• Apdaila: kaip mokslininkai robotams suteikia žmogiškus lytėjimo pojūčius