Møt robotpionerene som vil tillate oss å kolonisere Mars

Fra NASAs kommende Måne til Mars oppdrag til Elon Musks ambisiøse planer om å bruk et SpaceX-stjerneskip for til slutt å kolonisere Mars, er kappløpet om å befolke den røde planeten allerede i gang. Men før mennesker kan besøke Mars og sette opp noen form for langtidsbase der, må vi sende ut speidere for å se landet og forberede det for bemannede oppdrag.

De mekaniske pionerene vi skal sende til Mars i de kommende årene vil følge i dekksporene til oppdagere som Curiosity rover og Insight lander, men neste generasjon Mars-robotikk vil bruke sofistikert AI, nye fremdriftsmetoder og fleksible småsatsinger for å møte utfordringene med å kolonisere en ny verden.

Design for Mars-miljøet

Det er tydelige vanskeligheter med å bygge maskiner som tåler Mars-miljøet. For det første er det kulden, med temperaturer i gjennomsnitt rundt minus 80 grader Fahrenheit og går ned til minus 190 grader Fahrenheit ved polene. Så er det den tynne atmosfæren, som bare er én prosent av tettheten til jordens atmosfære. Og så er det det plagsomme støvet som blir sparket opp i alle operasjoner på planetens overflate, for ikke å snakke om den intense strålingen fra solens stråler.

Disse miljøforholdene skaper problemer for robotikk, fra temperaturvariasjoner som forårsaker mekanismer til utvide og trekke seg sammen og dermed slites over tid, til støv kommer inn i gir som hindrer bruk av utsatt smøring.

"Det er et veldig unikt og ekstremt miljø, selv for romrobotikk," sa Al Tadros, VP for Space Infrastructure and Civil Space hos Maxar Technologies, som er selskapet som bygger robotarmene for NASAs Mars-rovere. Maxars robotarmer må ikke bare kunne overleve dette tøffe miljøet, men også utføre oppgavene som graving og boring som muliggjør vitenskapelige undersøkelser.

Et annet hensyn er vektbegrensninger. Når en del skal leveres til Mars via rakett, må hvert eneste gram vurderes og gjøres rede for, og det krever nøye utvalg av materialer. "Mye av det vi gjør bruker forskjellige typer aluminium," forklarte Tadros. "Vi bruker også titan, og i noen tilfeller bruker vi karbonfiber, avhengig av bruken." Andre vektbesparende triks inkluderer å hule ut noen seksjoner som ikke trenger å være så strukturelt sterke, for eksempel lengden på en robotarm som kan være laget av honeycomb matrise-kompositt rør.

La roboter utforske på egenhånd

Når en rover har blitt levert til overflaten av Mars, kan den begynne å utforske. På grunn av avstanden fra Jorden er det imidlertid ikke mulig for ingeniører å kontrollere rovere direkte. I stedet har robotene en viss grad av autonomi i sine utforskninger, med NASA som utøver tilsynskommando.

"De kan fortelle roveren å gå fem meter i denne retningen," sier Tadros som et eksempel. Hvis det er et problem med å utføre den kommandoen, vil roveren stoppe og vente på flere instruksjoner. "Det er ganske rudimentært i så måte. Men i fremtiden er ønsket å ha autonomi om bord, så roveren gjenkjenner «Å, jeg ble fortalt å gå fem meter, men det er en steinblokk her. Jeg går rundt i denne retningen fordi jeg vet at terrenget er åpent.»

Med kart og lokalkunnskap vil rovere kunne utføre selvnavigering. De vil til og med etter hvert kunne utføre vitenskap autonomt, så forskere trenger bare å spesifisere en kommando som "finn denne typen stein", og roveren kan lokalisere og analysere en prøve. Denne typen autonomi er allerede planlagt som en del av NASAs kommende måneoppdrag med VIPER rover, sa Tadros. "Det kommer til å gjøre rask prospektering, se på og karakterisere regolitten og steinene for å lete etter is og andre materialer."

Med robotikk som VIPER og Marscopter lansering som en del av Mars 2020-prosjektet, kan vi forvente at maskiner skal speide og utforske Mars, finne ut om lokale ressurser og farer som vil hjelpe eller hindre menneskers overlevelse på planet.

Bygge et Mars Positioning System

Å vite hvor mennesker trygt kan lande på Mars og hvor de kan finne ressursene de trenger er det første skrittet mot kolonisering. Men den virkelige forskjellen mellom et besøk og et langtidsopphold på en annen planet er et spørsmål om infrastruktur. Fra vann til kommunikasjon til bygningshabitater, må vi finne en måte å sørge for livets grunnleggende nødvendigheter på en bærekraftig måte.

En metode for å sette opp tidlig infrastruktur er gjennom bruk av små satellitter, eller smallsats. "Hvis du tenker på å kolonisere Mars, der småsatsingene kommer inn er å sette opp infrastrukturen for kolonien," sa Brad King, administrerende direktør i Orbion, et selskap som lager mer effektive fremdriftssystemer for smallsats. «Vi trenger kommunikasjonsnettverk på Mars, både mellom to punkter på Mars og fra Mars tilbake til jorden. På jorden har vi løst mange av disse problemene med å kretse satellitter rundt planeten vår.»

Smallsats kan oppfylle lignende funksjoner på Mars, ved å sette opp en Mars-ekvivalent med GPS – vi kan kalle det Mars Positioning System. De kan også speide ut overflaten av planeten, og forberede området for menneskene som skal komme.

Å komme seg fra A til B

Problemet er å få satellitter fra Jorden til Mars på en rimelig måte. Tradisjonelt har fartøyer blitt flyttet gjennom verdensrommet via kjemisk fremdrift – det vil si brenning av drivstoff for å skape skyvekraft. Dette er en fin måte å skape store mengder skyvekraft på, for eksempel kraften som kreves for at en rakett skal forlate jordens atmosfære og komme ut i verdensrommet. Men det krever en enorm mengde drivstoff, i en slik grad at den største delen av moderne raketter ganske enkelt er drivstofftanken.

Et billigere alternativ for å bevege seg gjennom verdensrommet er elektrisk fremdrift, som bruker solenergi til å skyte et inert stoff som xenon ut av baksiden av fartøyet. Denne metoden er svært drivstoffeffektiv, og gjør det mulig å reise lange avstander med svært lite drivstoff. Ulempen er at denne fremdriftsmetoden er lav skyvekraft, så det tar lengre tid å komme frem til en destinasjon. Å sende et fartøy fra Jorden til Mars ved hjelp av elektrisk fremdrift kan ta en håndfull år, sammenlignet med kjemisk fremdrift som reisen ville ta i området seks til ni måneder.

Prinsippet gjelder imidlertid ikke bare små ubemannede fartøyer. En tydelig fordel med elektrisk fremdrift er at den skalerer opp veldig effektivt: "Elektrisk fremdriftsteknologi fungerer bedre jo større den blir," sa King. "I prinsippet er det ingenting som begrenser oppskaleringen av elektrisk fremdrift til veldig store oppdrag med mannskap. Du begynner bare å støte på økonomiske hindringer fordi du bygger fartøy på størrelse med Battlestar Galactica for å komme dit."

Elektrisk fremdrift har blitt brukt i prosjekter som den japanske romfartsorganisasjonens Hayabusa-fartøy, som nylig besøkte den fjerne asteroiden Ryugu. Og det er flere planer for elektrisitetsdrevne fartøyer i fremtidige prosjekter, som f.eks kraft og fremdriftselement (PPE)-modulen til NASAs Lunar Gateway-stasjon som bruker solenergi og vil være tre ganger kraftigere enn dagens evner.

Å kjøre buss

Oppskyting og landing på planeter vil fortsatt kreve kjemisk fremdrift, men reisen i mellom kan gjøres langt mer effektiv. King foreslår at et ikke-fremdriftskjøretøy eller lastebil kan settes inn i en sykkelbane som går forbi Jorden og Mars. "Da kan du i hovedsak sende ting opp og "ri bussen" til Mars, uten å kreve fremdrift," forklarte han. Et lignende system har allerede blitt brukt for Kepler-romteleskopet, som brukte svært lite drivstoff etter oppskytingen i en heliosentrisk bane som følger jorden.

Å komme seg fra Jorden til Mars er selvfølgelig bare en del av reisen. Når et fartøy ankommer Mars, må det bremse ned og gå inn i bane. For å bremse et fartøy er det vanligvis to metoder: å bruke reverserende thrustere som krever drivstoff, og aerobremsing. Sistnevnte er der et fartøy dykker ned i den ytre atmosfæren på Mars, og bruker det aerodynamiske luftmotstanden for å redusere kjøretøyets energi nok til at når det kommer ut av atmosfæren, kan det gå i bane.

Konseptet med elektrisk fremdrift har vært noe utkant de siste tiårene, men med disse nye prosjektene er det flyttet inn i mainstream. "Nå brukes det i stor skala - det er som overgangen til flyreiser fra propelldrevne fly til jetfly," sa King.

Sensorer og AI

Så vi kan sende roboter for å speide overflaten og satellitter for å sette opp infrastruktur. Vi kan til og med flytte enorme konstruksjoner som habitater gjennom verdensrommet ved å bruke minimalt med drivstoff gjennom elektrisk fremdrift. Men utfordringene med Mars-kolonisering oppstår ikke bare når mennesker faktisk okkuperer et habitat på planeten. Et hovedspørsmål er hvordan naturtyper og strukturer kan opprettholdes i de lange periodene de vil være ubebodde. Planlagte prosjekter som NASAs Lunar Gateway-stasjon, for eksempel, vil sannsynligvis bare være opptatt 20 til 30 prosent av tiden, og vi kan forvente lignende eller enda lavere beleggsgrader for potensiell Mars habitater.

Naturtyper utenfor planeten må kunne overvåke seg selv og fikse seg selv, spesielt når det nærmeste mennesket er millioner av miles unna. Og for det kreves AI.

Et system som nylig ble lansert til den internasjonale romstasjonen kan gi grunnlaget for AI-habitatovervåking. Bosch sin SoundSee system består av en nyttelast som inneholder 20 mikrofoner, et kamera og en miljøsensor for registrering av temperatur, fuktighet og trykk. Disse sensorene samler inn data om miljøet, spesielt akustisk informasjon, som kan brukes til å flagge problemer.

"Hvis du forestiller deg at det er en lekkasje i stasjonen, vil det ikke bare være ultralydtoner, men også et trykktap," forklarte Bosch-forsker Jonathan Macoskey. "Hvis vi ser både et trykktap og en ultralydtone og andre faktorer, er det en konkret måte å identifisere et problem på."

Selvfølgelig ville en lekkasje i ISS være høy, åpenbar og dramatisk. Men mange maskinfeil, spesielt i ubemannede miljøer, skyldes en gradvis degradering over tid. AI kan brukes til å fornemme disse tingene, sa SoundSee rektor Samarjit Das, ikke ved å legge til flere eller bedre sensorer, men heller ved å bruke sensordata mer effektivt for å søke etter subtile mønstre.

"Maskiner går ikke bare i stykker umiddelbart fra bra til dårlig," sa Das. «Det er en gradvis nedslitning over tid. Tenk på et system du kanskje vil overvåke i ISS som en tredemølle. Tannhjulene inni brytes sakte ned over tid etter hvert som de brukes. Vi som mennesker kan ikke høre at noe går galt der, men når du oversetter det til data over tid, kan AI oppdage de subtile endringene i avvik fra normen."

Ikke forestill deg fremtidige skip og habitater kontrollert helt av AI, eller enda verre en rød AI som 2001s HAL. "Sensorer og AI vil ikke erstatte mennesker helt og automatisere alt," sa Das. "AI er en forsvarslinje." Macoskey var enig: "Vi ser på AI som et verktøy som muliggjør nye ting på samme måte som mikroskopet gjorde det mulig for mennesker å se på mikroskopiske organismer."

Det er mulig å kolonisere Mars

Med alle disse miljømessige og logistiske vanskelighetene, kan det virke som om det i det hele tatt er en lang sjanse å sende mennesker til Mars, enn si å etablere noen form for permanent eller semi-permanent base der. Selv om dette er alvorlige utfordringer, finnes det løsninger i form av AI, robotikk og fremdriftsmetoder som nå testes for bruk i fremtidige romprosjekter.

"Jeg tror at kolonisering av Mars ikke er et teknologisk problem, det er et økonomisk problem," sa King. "Hvis vi hadde ressursene å bruke, vet vi hva som må bygges og vi vet hvordan vi skal bygge det. Men antallet dollar eller euro som kreves for å gjøre det er skremmende.»

Med tilstrekkelig finansiering har vi kunnskapen til å begynne å sette opp kommunikasjonssystemer, muliggjøre transport og bygge habitater på Mars. King er overbevist om at det til og med kan skje i løpet av vår levetid: "Gitt ubegrensede ressurser, kan vi sette opp denne infrastrukturen om et tiår."

Redaktørenes anbefalinger

• Denne bemerkelsesverdige formskiftende roboten kan en dag dra til Mars
• Møt den skiftende pitching-roboten som perfekt kan etterligne ethvert menneskekast
• Vannkart over Mars kan hjelpe deg med å velge steder for fremtidige oppdrag
• NASA vil ha din hjelp til å løse et varig Mars-mysterium
• Finishing touch: Hvordan forskere gir roboter menneskelignende taktile sanser