Poznaj pionierów robotów, którzy pozwolą nam skolonizować Marsa

Z nadchodzącego NASA Misja z Księżyca na Marsa do ambitnych planów Elona Muska użyj statku kosmicznego SpaceX aby ostatecznie skolonizować Marsa, wyścig o zaludnienie Czerwonej Planety już się rozpoczął. Zanim jednak ludzie będą mogli odwiedzić Marsa i założyć tam jakąkolwiek długoterminową bazę, musimy wysłać zwiadowców, aby sprawdzili ukształtowanie terenu i przygotowali go do misji załogowych.

Pionierzy mechaniki, których w nadchodzących latach wyślemy na Marsa, pójdą śladami opon badaczy takich jak Łazik ciekawości i Lądownik Insight, ale następna generacja robotyki marsjańskiej będzie wykorzystywać wyrafinowaną sztuczną inteligencję, nowatorskie metody napędu i elastyczne małe satelity, aby sprostać wyzwaniom kolonizacji nowego świata.

Projektowanie dla środowiska Marsa

Istnieją wyraźne trudności w budowaniu maszyn, które są w stanie wytrzymać środowisko marsjańskie. Po pierwsze, jest zimno, ze średnią temperaturą wynoszącą około minus 80 stopni Fahrenheita i spadającą do minus 190 stopni Fahrenheita na biegunach. Następnie jest rzadka atmosfera, która stanowi zaledwie jeden procent gęstości atmosfery ziemskiej. Do tego dochodzi uciążliwy pył, który zostaje wzniesiony podczas wszelkich operacji na powierzchni planety, nie wspominając już o intensywnym promieniowaniu promieni słonecznych.

Te warunki środowiskowe stwarzają problemy dla robotyki, począwszy od wahań temperatury, które powodują uszkodzenie mechanizmów rozszerzają się i kurczą, a więc z biegiem czasu zużywają się, do przedostawania się kurzu do przekładni, co uniemożliwia użytkowanie odsłoniętych smarowanie.

„To bardzo wyjątkowe i ekstremalne środowisko, nawet dla robotyki kosmicznej” – powiedział Al Tadros, wiceprezes ds. przestrzeni kosmicznej Infrastructure and Civil Space w Maxar Technologies, firmie produkującej ramiona robotyczne Łaziki marsjańskie NASA. Ramiona robotyczne Maxara muszą być w stanie nie tylko przetrwać w tych trudnych warunkach, ale także wykonywać zadania takie jak kopanie i wiercenie, które umożliwiają badania naukowe.

Kolejną kwestią są ograniczenia wagowe. Kiedy część musi zostać dostarczona na Marsa rakietą, należy wziąć pod uwagę i rozliczyć każdy gram, a to wymaga starannego doboru materiałów. „Wiele naszych prac wykorzystuje różne rodzaje aluminium” – wyjaśnił Tadros. „Używamy również tytanu, a w niektórych przypadkach włókna węglowego, w zależności od zastosowania”. Inne sztuczki zmniejszające wagę obejmują wydrążenie niektórych sekcje, które nie muszą być tak mocne konstrukcyjnie, takie jak długość ramienia robota, które można wykonać z kompozytu o strukturze plastra miodu rurki.

Pozwalanie robotom na samodzielne eksplorowanie

Po dostarczeniu łazika na powierzchnię Marsa może on rozpocząć eksplorację. Jednak ze względu na odległość od Ziemi inżynierowie nie mają możliwości bezpośredniego sterowania łazikami. Zamiast tego roboty mają pewną autonomię w swoich badaniach, a NASA sprawuje dowództwo nadzorcze.

„Mogą kazać łazikowi jechać pięć metrów w tym kierunku” – podaje jako przykład Tadros. Jeśli wystąpi problem z wykonaniem tego polecenia, łazik zatrzyma się i będzie czekał na dalsze instrukcje. „W tym sensie jest to raczej elementarne. Ale w przyszłości pragniemy mieć na pokładzie autonomię, aby łazik rozpoznał: „Och, kazano mi przejść pięć metrów, ale tu jest głaz”. Pójdę w tym kierunku, bo wiem, że teren jest otwarty.’”

Dzięki mapie i wiedzy lokalnej łaziki będą mogły samodzielnie nawigować. Docelowo będą nawet w stanie samodzielnie prowadzić badania, więc naukowcy będą musieli jedynie wydać polecenie typu „znajdź ten rodzaj skały”, a łazik będzie mógł zlokalizować i przeanalizować próbkę. Tego rodzaju autonomia jest już planowana w ramach nadchodzącej misji NASA na Księżyc Łazik VIPER– powiedział Tadros. „Będzie polegać na szybkich poszukiwaniach, przyglądaniu się i charakteryzowaniu regolitu i skał w poszukiwaniu lodu i innych materiałów”.

Dzięki robotyce takiej jak VIPER i Marskopter wystrzelony w ramach projektu Mars 2020, możemy spodziewać się, że maszyny będą prowadzić zwiad i eksplorację Marsa, poznanie lokalnych zasobów i zagrożeń, które pomogą lub utrudnią przetrwanie ludzi na Ziemi planeta.

Budowa systemu pozycjonowania Marsa

Wiedza o tym, gdzie ludzie mogą bezpiecznie wylądować na Marsie i gdzie mogą zlokalizować potrzebne zasoby, jest pierwszym krokiem w kierunku kolonizacji. Jednak prawdziwa różnica między wizytą a długotrwałym pobytem na innej planecie polega na infrastrukturze. Od wody, przez komunikację, po budowanie siedlisk – musimy znaleźć sposób na zapewnienie podstawowych artykułów pierwszej potrzeby w zrównoważony sposób.

Jedną z metod tworzenia wczesnej infrastruktury jest wykorzystanie małych satelitów, czyli małych satelitów. „Jeśli myślisz o kolonizacji Marsa, tam wkraczają małe satelity, przygotowując infrastrukturę kolonii” – powiedział Brad King, dyrektor generalny Orbion, firmy tworzącej bardziej wydajne systemy napędowe dla małe satelity. „Potrzebujemy sieci komunikacyjnych na Marsie, zarówno między dwoma punktami na Marsie, jak i z Marsa z powrotem na Ziemię. Na Ziemi rozwiązaliśmy wiele z tych problemów za pomocą satelitów krążących wokół naszej planety.

Smallsaty mogłyby spełniać podobne funkcje na Marsie, tworząc marsjański odpowiednik GPS – moglibyśmy to nazwać marsjańskim systemem pozycjonowania. Mogą także badać powierzchnię planety, przygotowując teren na przybycie ludzi.

Dojazd z A do B

Problemem jest tanie przesłanie satelitów z Ziemi na Marsa. Tradycyjnie statki przemieszczały się w przestrzeni kosmicznej za pomocą napędu chemicznego, czyli spalania paliwa w celu wytworzenia ciągu. Jest to świetny sposób na wytworzenie dużej ilości ciągu, takiego jak ciąg wymagany, aby rakieta opuściła atmosferę ziemską i poleciała w przestrzeń kosmiczną. Wymaga to jednak ogromnej ilości paliwa, do tego stopnia, że ​​największą częścią nowoczesnych rakiet jest po prostu zbiornik paliwa.

Tańszą alternatywą do poruszania się w przestrzeni kosmicznej jest napęd elektryczny, który wykorzystuje energię słoneczną do wystrzeliwania z tyłu statku obojętnej substancji, takiej jak ksenon. Metoda ta jest bardzo oszczędna i pozwala na pokonywanie długich dystansów przy bardzo małej ilości paliwa. Wadą jest to, że ta metoda napędu charakteryzuje się niskim ciągiem, więc dotarcie do celu zajmuje więcej czasu. Wysłanie statku z Ziemi na Marsa przy użyciu napędu elektrycznego może zająć kilka lat w porównaniu z napędem chemicznym, w przypadku którego podróż trwałaby od sześciu do dziewięciu miesięcy.

Zasada ta nie dotyczy jednak tylko małych statków bezzałogowych. Wyraźną zaletą napędu elektrycznego jest to, że można go bardzo efektywnie skalować: „Technologia napędu elektrycznego działa lepiej, im jest większa” – powiedział King. „Zasadniczo nic nie ogranicza wykorzystania napędu elektrycznego do bardzo dużych misji z załogą. Po prostu zaczynasz napotykać przeszkody ekonomiczne, ponieważ budujesz statek wielkości Battlestar Galactica, aby się tam dostać.

Napęd elektryczny wykorzystano w projektach takich jak statek Hayabusa Japońskiej Agencji Kosmicznej, który niedawno odwiedził odległą asteroidę Ryugu. W przyszłych projektach planuje się więcej jednostek napędzanych energią elektryczną, takich jak element mocy i napędu (PPE) stacji Lunar Gateway należącej do NASA, która wykorzystuje napęd elektryczny ze energii słonecznej i będzie trzy razy mocniejsza niż obecne możliwości.

Jazda autobusem

Wystrzeliwanie i lądowanie na planetach nadal będzie wymagało napędu chemicznego, ale podróż pomiędzy nimi może być znacznie wydajniejsza. King sugeruje, że nienapędowy pojazd załogowy lub pojazd towarowy można umieścić na orbicie rowerowej mijającej Ziemię i Marsa. „Wtedy można w zasadzie wysłać wszystko w górę i „pojechać autobusem” na Marsa, nie wymagając żadnego napędu” – wyjaśnił. Podobny system zastosowano już m.in Kosmiczny Teleskop Keplera, który po wystrzeleniu na orbitę heliocentryczną podążającą za Ziemią zużywał bardzo mało paliwa.

Oczywiście dotarcie z Ziemi na Marsa to tylko część podróży. Gdy statek dotrze na Marsa, musi zwolnić i wejść na orbitę. Aby spowolnić jednostkę, istnieją zazwyczaj dwie metody: użycie silników odwrotnych, które wymagają paliwa, i hamowanie aerodynamiczne. W tym drugim przypadku statek zanurza się w zewnętrzną atmosferę Marsa, wykorzystując opór aerodynamiczny do zmniejszenia energii pojazdu na tyle, że po wyjściu z atmosfery może wejść na orbitę.

Przez ostatnie kilka dekad koncepcja napędu elektrycznego była nieco marginalna, ale dzięki nowym projektom weszła do głównego nurtu. „Teraz jest to stosowane na dużą skalę – przypomina to przejście z samolotów napędzanych śmigłem na samoloty odrzutowe” – powiedział King.

Czujniki i sztuczna inteligencja

Możemy więc wysyłać roboty do badania powierzchni i satelity do tworzenia infrastruktury. Moglibyśmy nawet przenosić w przestrzeni kosmicznej ogromne konstrukcje, takie jak siedliska, przy minimalnym zużyciu paliwa dzięki napędowi elektrycznemu. Jednak wyzwania związane z kolonizacją Marsa pojawiają się nie tylko wtedy, gdy ludzie faktycznie zajmują siedlisko na planecie. Jedną z głównych kwestii jest to, w jaki sposób siedliska i konstrukcje mogą zostać utrzymane przez długie okresy, podczas których będą niezamieszkane. Planowane projekty, takie jak na przykład stacja Lunar Gateway NASA, będą prawdopodobnie zajęte tylko od 20 do 30 procent czasu i możemy spodziewać się podobnego lub nawet niższego wskaźnika obłożenia potencjalnego Marsa siedliska.

Siedliska poza planetą muszą być w stanie same się monitorować i naprawiać, zwłaszcza gdy najbliższy człowiek znajduje się miliony kilometrów stąd. A do tego potrzebna jest sztuczna inteligencja.

System niedawno wystrzelony na Międzynarodową Stację Kosmiczną może stanowić podstawę monitorowania siedlisk AI. Boscha System SoundSee składa się z ładunku zawierającego 20 mikrofonów, kamery i czujnika środowiskowego rejestrującego temperaturę, wilgotność i ciśnienie. Czujniki te zbierają dane o środowisku, zwłaszcza informacje akustyczne, które można wykorzystać do sygnalizowania problemów.

„Jeśli wyobrazimy sobie nieszczelność stacji, wygenerujemy nie tylko dźwięki ultradźwiękowe, ale także spadek ciśnienia” – wyjaśnił Jonathan Macoskey, naukowiec z firmy Bosch. „Jeśli zaobserwujemy zarówno spadek ciśnienia, sygnał ultradźwiękowy, jak i inne czynniki, jest to konkretny sposób na zidentyfikowanie problemu”.

Oczywiście wyciek w ISS byłby głośny, oczywisty i dramatyczny. Jednak wiele awarii maszyn, szczególnie w środowiskach bezzałogowych, wynika ze stopniowej degradacji w czasie. Sztuczna inteligencja może zostać wykorzystana do wyczucia tych rzeczy, powiedział główny badacz SoundSee, Samarjit Das, a nie poprzez dodanie więcej lub lepszych czujników, ale raczej poprzez efektywniejsze wykorzystanie danych z czujników do wyszukiwania subtelnych informacji wzory.

„Maszyny nie psują się natychmiast od dobrego do złego” – powiedział Das. „Z biegiem czasu następuje stopniowe zużywanie się. Pomyśl o systemie, który możesz chcieć monitorować w ISS jak o bieżni. Znajdujące się w środku koła zębate powoli ulegają degradacji w miarę użytkowania. My, ludzie, nie słyszymy, że dzieje się coś złego, ale kiedy z biegiem czasu przełożymy to na dane, sztuczna inteligencja może wykryć subtelne zmiany stanowiące odchylenia od normy”.

Nie wyobrażajcie sobie jednak przyszłych statków i siedlisk kontrolowanych całkowicie przez sztuczną inteligencję lub, co gorsza, złośliwą sztuczną inteligencję, taką jak HAL z 2001 roku. „Czujniki i sztuczna inteligencja nie zastąpią całkowicie człowieka i nie zautomatyzują wszystkiego” – powiedział Das. „Sztuczna inteligencja jest linią obrony”. Macoskey zgodził się: „Postrzegamy sztuczną inteligencję jako narzędzie, które umożliwia nowe rzeczy w taki sam sposób, w jaki mikroskop umożliwił ludziom oglądanie mikroskopijnych organizmów”.

Kolonizacja Marsa jest możliwa

Biorąc pod uwagę wszystkie te trudności środowiskowe i logistyczne, mogłoby się wydawać, że wysłanie ludzi na Marsa jest w ogóle odległą perspektywą, nie mówiąc już o założeniu tam jakiejkolwiek stałej lub półstałej bazy. Chociaż są to poważne wyzwania, istnieją rozwiązania w postaci sztucznej inteligencji, robotyki i metod napędu, które są obecnie testowane pod kątem wykorzystania w przyszłych projektach kosmicznych.

„Wierzę, że kolonizacja Marsa nie jest kwestią technologiczną, ale kwestią ekonomiczną” – powiedział King. „Gdybyśmy mieli środki do wydania, wiedzielibyśmy, co należy zbudować i wiemy, jak to zbudować. Jednak liczba dolarów lub euro potrzebnych do tego jest zniechęcająca”.

Dysponując wystarczającymi funduszami, mamy wiedzę niezbędną do rozpoczęcia tworzenia systemów komunikacji, umożliwienia transportu i budowy siedlisk na Marsie. King jest przekonany, że może to nastąpić nawet za naszego życia: „Biorąc pod uwagę nieograniczone zasoby, moglibyśmy zbudować tę infrastrukturę w ciągu dziesięciu lat”.

Zalecenia redaktorów

• Ten niezwykły, zmiennokształtny robot może pewnego dnia udać się na Marsa
• Poznaj rewolucyjnego robota rzucającego, który doskonale naśladuje każdy ludzki rzut
• Mapa wodna Marsa może pomóc w wyborze lokalizacji dla przyszłych misji
• NASA potrzebuje Twojej pomocy w rozwiązaniu odwiecznej tajemnicy Marsa
• Wykończenie: jak naukowcy nadają robotom zmysły dotyku przypominające ludzkie