Van de komst van NASA Maan naar Mars missie aan de ambitieuze plannen van Elon Musk gebruik een SpaceX-ruimteschip Om uiteindelijk Mars te koloniseren, is de race om de Rode Planeet te bevolken al begonnen. Maar voordat mensen Mars kunnen bezoeken en daar een basis voor de lange termijn kunnen opzetten, moeten we verkenners sturen om de ligging van het land te bekijken en het voor te bereiden op bemande missies.
Inhoud
- Ontwerpen voor de Mars-omgeving
- Robots zelf laten verkennen
- Een Mars-positioneringssysteem bouwen
- Van A naar B komen
- Met de bus rijden
- Sensoren en AI
- Het koloniseren van Mars is mogelijk
De mechanische pioniers die we de komende jaren naar Mars zullen sturen, zullen in de bandensporen treden van ontdekkingsreizigers als de Nieuwsgierigheid rover en de Inzichtlander, maar de volgende generatie Mars-robotica zal gebruik maken van geavanceerde AI, nieuwe voortstuwingsmethoden en flexibele smallsats om de uitdagingen van het koloniseren van een nieuwe wereld het hoofd te bieden.
Aanbevolen video's
Ontwerpen voor de Mars-omgeving
Er zijn duidelijke problemen bij het bouwen van machines die bestand zijn tegen de omgeving van Mars. Ten eerste is er de kou, met temperaturen die gemiddeld rond de min 80 graden Fahrenheit liggen en aan de polen dalen tot min 190 graden Fahrenheit. Dan is er de dunne atmosfeer, die slechts één procent van de dichtheid van de atmosfeer van de aarde bedraagt. En dan is er nog het lastige stof dat vrijkomt bij alle operaties op het aardoppervlak, om nog maar te zwijgen van de intense straling van de zonnestralen.
Verwant
- Ingenuity-helikopter helpt onderzoekers meer te weten te komen over stof op Mars
- Het succes van NASA op het gebied van zuurstof op Mars wekt de hoop op een menselijk bezoek
- NASA moet mogelijk dieper graven naar bewijs van leven op Mars
Deze omgevingsomstandigheden creëren problemen voor de robotica, van temperatuurvariaties die mechanismen veroorzaken uitzetten en samentrekken en dus na verloop van tijd verslijten, zodat er stof in de tandwielen terechtkomt, waardoor het gebruik van blootgestelde tandwielen wordt verhinderd smering.
“Het is een zeer unieke en extreme omgeving, zelfs voor ruimterobotica”, zegt Al Tadros, VP Space Infrastructuur en civiele ruimte bij Maxar Technologies, het bedrijf waarvoor de robotarmen worden gebouwd NASA's Mars-rovers. De robotarmen van Maxar moeten niet alleen in staat zijn deze barre omgeving te overleven, maar ook de taken uitvoeren zoals graven en boren die wetenschappelijk onderzoek mogelijk maken.
Een andere overweging zijn gewichtsbeperkingen. Wanneer een onderdeel via een raket naar Mars moet worden afgeleverd, moet elke gram worden overwogen en verantwoord, en dat vereist een zorgvuldige selectie van materialen. “Veel van wat we doen maakt gebruik van verschillende soorten aluminium”, legt Tadros uit. “We gebruiken ook titanium en in sommige gevallen gebruiken we koolstofvezel, afhankelijk van de toepassing.” Andere gewichtsbesparende trucs zijn onder meer het uithollen van enkele secties die structureel niet zo sterk hoeven te zijn, zoals de lengte van een robotarm die gemaakt zou kunnen worden van honingraatmatrixcomposiet buizen.
Robots zelf laten verkennen
Wanneer een rover op het oppervlak van Mars is afgeleverd, kan deze beginnen met verkennen. Vanwege de afstand tot de aarde is het voor ingenieurs echter niet haalbaar om rovers rechtstreeks te besturen. In plaats daarvan hebben de robots een zekere mate van autonomie bij hun verkenningen, waarbij NASA toezicht uitoefent.
“Ze kunnen de rover vertellen vijf meter deze kant op te gaan”, zegt Tadros als voorbeeld. Als er een probleem is bij het uitvoeren van dat commando, stopt de rover en wacht op meer instructies. “In die zin is het nogal rudimentair. Maar in de toekomst is het de wens om autonomie aan boord te hebben, zodat de rover herkent: ‘Oh, ik kreeg te horen dat ik vijf meter moest gaan, maar er ligt hier een rotsblok. Ik ga deze kant op omdat ik weet dat het terrein open is. ''
“We hebben communicatienetwerken op Mars nodig, zowel tussen twee punten op Mars als van Mars terug naar de aarde.”
Met een kaart en lokale kennis kunnen rovers zelfnavigatie uitvoeren. Uiteindelijk zullen ze zelfs autonoom wetenschap kunnen uitoefenen, zodat wetenschappers alleen maar een commando hoeven te specificeren zoals ‘vind dit soort gesteente’ en de rover een monster kan lokaliseren en analyseren. Dit soort autonomie wordt al gepland als onderdeel van de aanstaande maanmissie van NASA met de VIPER-rover, zei Tadros. "Het gaat snel prospecteren, kijken naar en karakteriseren van de regoliet en de rotsen om te zoeken naar ijs en andere materialen."
Met robotica zoals VIPER en de Marscopter gelanceerd als onderdeel van het Mars 2020-project, kunnen we verwachten dat machines Mars zullen verkennen en verkennen, het ontdekken van lokale hulpbronnen en gevaren die het voortbestaan van mensen op het land zullen helpen of belemmeren planeet.
Een Mars-positioneringssysteem bouwen
Weten waar mensen veilig op Mars kunnen landen en waar ze de hulpbronnen kunnen vinden die ze nodig hebben, is de eerste stap op weg naar kolonisatie. Maar het echte verschil tussen een bezoek en een langdurig verblijf op een andere planeet is een kwestie van infrastructuur. Van water tot communicatie tot het bouwen van habitats: we zullen een manier moeten vinden om op een duurzame manier in de basisbehoeften van het leven te voorzien.
Eén methode voor het opzetten van vroege infrastructuur is het gebruik van kleine satellieten of smallsats. “Als je erover denkt om Mars te koloniseren, waar de smallsats binnenkomen, is het opzetten van de infrastructuur daarvoor de kolonie”, zegt Brad King, CEO van Orbion, een bedrijf dat efficiëntere voortstuwingssystemen ontwikkelt kleine sat. “We hebben communicatienetwerken op Mars nodig, zowel tussen twee punten op Mars als van Mars terug naar de aarde. Op aarde hebben we veel van deze problemen opgelost met satellieten die rond onze planeet cirkelen.”
Smallsats zouden vergelijkbare functies op Mars kunnen vervullen door een Mars-equivalent van GPS op te zetten – we zouden het het Mars Positioning System kunnen noemen. Ze kunnen ook het oppervlak van de planeet verkennen en het gebied voorbereiden op de komst van mensen.
Van A naar B komen
Het probleem is om satellieten op een betaalbare manier van de aarde naar Mars te krijgen. Traditioneel worden vaartuigen door de ruimte bewogen via chemische voortstuwing, dat wil zeggen door het verbranden van brandstof om stuwkracht te creëren. Dit is een geweldige manier om grote hoeveelheden stuwkracht te creëren, zoals de stuwkracht die een raket nodig heeft om de atmosfeer van de aarde te verlaten en de ruimte in te gaan. Maar er is een enorme hoeveelheid brandstof voor nodig, in die mate dat het grootste deel van moderne raketten simpelweg de brandstoftank is.
Een goedkoper alternatief om door de ruimte te reizen is elektrische voortstuwing, waarbij zonne-energie wordt gebruikt om een inerte substantie zoals xenon uit de achterkant van het vaartuig te schieten. Deze methode is zeer brandstofefficiënt, waardoor lange afstanden met zeer weinig brandstof kunnen worden afgelegd. Het nadeel is dat deze voortstuwingsmethode een lage stuwkracht heeft, waardoor het langer duurt om op de bestemming aan te komen. Het verzenden van een vaartuig van de aarde naar Mars met behulp van elektrische voortstuwing kan een handvol jaren duren, vergeleken met chemische voortstuwing waarbij de reis ongeveer zes tot negen maanden zou duren.
“Wij als mensen kunnen niet horen dat daar iets misgaat, maar als je dat in de loop van de tijd naar data vertaalt, kan AI die subtiele veranderingen in afwijking van de norm opmerken.”
Het principe geldt echter niet alleen voor kleine onbemande vaartuigen. Een duidelijk voordeel van elektrische voortstuwing is dat deze zeer efficiënt kan worden opgeschaald: “Elektrische voortstuwingstechnologie werkt beter naarmate deze groter wordt”, aldus King. “In principe is er niets dat de opschaling van elektrische voortstuwing beperkt tot zeer grote, bemande missies. Je begint gewoon tegen economische hindernissen aan te lopen, omdat je een ruimteschip ter grootte van een Battlestar Galactica bouwt om daar te komen.”
Elektrische voortstuwing is gebruikt in projecten zoals het Hayabusa-vaartuig van de Japanse ruimtevaartorganisatie, dat onlangs de verre asteroïde bezocht Ryugu. En er zijn meer plannen voor elektrisch aangedreven vaartuigen in toekomstige projecten, zoals de kracht- en voortstuwingselement (PPE) -module van NASA's Lunar Gateway-station, die gebruik maakt van elektrische zonne-energie en drie keer krachtiger zal zijn dan de huidige mogelijkheden.
Met de bus rijden
Voor het lanceren en landen op planeten is nog steeds chemische voortstuwing nodig, maar de reis ertussen kan veel efficiënter worden gemaakt. King suggereert dat een niet-voortstuwend bemanningsvoertuig of vrachtvoertuig in een baan om de aarde en Mars kan worden gebracht. “Dan kun je in wezen dingen opsturen en ‘met de bus rijden’ naar Mars, zonder dat er voortstuwing nodig is”, legde hij uit. Een soortgelijk systeem is al gebruikt voor de Kepler-ruimtetelescoop, dat zeer weinig brandstof gebruikte na zijn lancering in een heliocentrische baan rond de aarde.
Natuurlijk is het reizen van de aarde naar Mars slechts een deel van de reis. Zodra een ruimtevaartuig op Mars aankomt, moet het vertragen en in een baan om de aarde komen. Om een vaartuig te vertragen zijn er doorgaans twee methoden: het gebruik van omgekeerde stuwraketten die brandstof nodig hebben, en aerobraking. In dit laatste geval duikt een ruimtevaartuig in de buitenste atmosfeer van Mars, waarbij gebruik wordt gemaakt van de aerodynamische weerstand om de energie van het voertuig voldoende te verminderen zodat het, wanneer het uit de atmosfeer komt, in een baan om de aarde kan komen.
Het concept van elektrische voortstuwing is de afgelopen decennia enigszins marginaal geweest, maar met deze nieuwe projecten is het mainstream geworden. “Nu wordt het op grote schaal toegepast – het is net als de overgang van vliegreizen van propellervliegtuigen naar straalvliegtuigen,” zei King.
Sensoren en AI
We kunnen dus robots sturen om het oppervlak te verkennen en satellieten om infrastructuur op te zetten. We zouden zelfs enorme constructies, zoals woonhuizen, door de ruimte kunnen verplaatsen met minimale brandstof en door middel van elektrische voortstuwing. Maar de uitdagingen van de kolonisatie van Mars doen zich niet alleen voor als mensen daadwerkelijk een leefgebied op de planeet bezetten. Een belangrijk vraagstuk is hoe habitats en structuren in stand kunnen worden gehouden gedurende de lange perioden waarin ze leegstaan. Geplande projecten zoals het Lunar Gateway-station van NASA zullen bijvoorbeeld waarschijnlijk slechts 20 tot 30 personen bezet zijn procent van de tijd, en we kunnen vergelijkbare of zelfs lagere bezettingsgraden verwachten voor potentiële Mars habitats.
Habitaten buiten de planeet moeten zichzelf kunnen monitoren en zichzelf kunnen herstellen, vooral wanneer de dichtstbijzijnde mens zich miljoenen kilometers verderop bevindt. En daarvoor is AI nodig.
“Ik geloof dat het koloniseren van Mars geen technologische kwestie is, maar een economische kwestie.”
Een systeem dat onlangs naar het internationale ruimtestation is gelanceerd, zou de basis kunnen vormen voor AI-habitatmonitoring. Bosch's SoundSee-systeem bestaat uit een lading met twintig microfoons, een camera en een omgevingssensor voor het registreren van temperatuur, vochtigheid en druk. Deze sensoren verzamelen gegevens over de omgeving, vooral akoestische informatie, die kunnen worden gebruikt om problemen te signaleren.
“Als je je voorstelt dat er een lek in het station zit, zouden er niet alleen ultrasone tonen zijn, maar ook een drukverlies”, legt Bosch-onderzoeker Jonathan Macoskey uit. “Als we zowel een drukverlies als een ultrasone toon en andere factoren zien, is dat een concrete manier om een probleem te identificeren.”
Natuurlijk zou een lek in het ISS luid, duidelijk en dramatisch zijn. Maar veel machinestoringen, vooral in onbemande omgevingen, zijn te wijten aan een geleidelijke degradatie in de loop van de tijd. AI kan worden gebruikt om deze dingen waar te nemen, zegt Samarjit Das, hoofdonderzoeker van SoundSee, en niet door eraan toe te voegen meer of betere sensoren, maar juist door sensordata efficiënter te gebruiken om subtiel te zoeken patronen.
“Machines vallen niet zomaar onmiddellijk uiteen van goed naar slecht,” zei Das. “Er vindt geleidelijke slijtage plaats in de loop van de tijd. Denk aan een systeem dat u in het ISS zou willen monitoren, zoals een loopband. De tandwielen binnenin gaan na verloop van tijd langzaam achteruit naarmate ze worden gebruikt. Wij mensen kunnen daar niet horen dat er iets misgaat, maar als je dat in de loop van de tijd naar data vertaalt, kan AI die subtiele veranderingen in afwijking van de norm opmerken.”
Stel je echter geen toekomstige schepen en habitats voor die volledig door AI worden bestuurd, of erger nog, een rouge AI zoals de HAL uit 2001. “Sensoren en AI zullen de mens niet volledig vervangen en alles automatiseren”, zegt Das. “AI is een verdedigingslinie.” Macoskey was het daarmee eens: “Wij zien AI als een hulpmiddel dat nieuwe dingen mogelijk maakt op dezelfde manier waarop de microscoop mensen in staat stelde naar microscopisch kleine organismen te kijken.”
Het koloniseren van Mars is mogelijk
Met al deze milieu- en logistieke problemen lijkt het misschien alsof het sturen van mensen naar Mars een gok is, laat staan het vestigen van enige vorm van permanente of semi-permanente basis daar. Hoewel dit serieuze uitdagingen zijn, bestaan er oplossingen in de vorm van AI, robotica en voortstuwingsmethoden die nu worden getest voor gebruik in toekomstige ruimtevaartprojecten.
“Ik geloof dat het koloniseren van Mars geen technologische kwestie is, maar een economische kwestie”, zei King. “Als we de middelen hadden om te besteden, weten we wat er gebouwd moet worden en weten we hoe we het moeten bouwen. Maar het aantal dollars of euro’s dat daarvoor nodig is, is ontmoedigend.”
Met voldoende financiering hebben we de kennis om te beginnen met het opzetten van communicatiesystemen, het mogelijk maken van transport en het bouwen van habitats op Mars. King is ervan overtuigd dat dit zelfs binnen ons leven zou kunnen gebeuren: “Gegeven de onbeperkte middelen zouden we deze infrastructuur in tien jaar kunnen opzetten.”
Aanbevelingen van de redactie
- Deze opmerkelijke vormveranderende robot zou op een dag naar Mars kunnen gaan
- Maak kennis met de baanbrekende pitchingrobot die elke menselijke worp perfect kan nabootsen
- De waterkaart van Mars kan helpen bij het kiezen van locaties voor toekomstige missies
- NASA heeft jouw hulp nodig om een blijvend Mars-mysterie op te lossen
- Finishing touch: hoe wetenschappers robots mensachtige tastzintuigen geven
