Faceți cunoștință cu pionierii roboților care ne vor permite să colonizăm Marte

De la viitoarea NASA Misiunea Lună pe Marte la planurile ambițioase ale lui Elon Musk de a folosiți o navă SpaceX pentru a coloniza în cele din urmă Marte, cursa pentru popularea Planetei Roșii este deja începută. Dar înainte ca oamenii să poată vizita Marte și să înființeze acolo orice fel de bază pe termen lung, trebuie să trimitem cercetași pentru a vedea întinderea pământului și a-l pregăti pentru misiuni cu echipaj.

Pionierii mecanici pe care îi vom trimite pe Marte în următorii ani vor urma pe urmele anvelopelor exploratorilor precum Curiosity rover si Insight aterizare, dar următoarea generație de robotică marțiană va folosi IA sofisticată, metode noi de propulsie și mici sate flexibile pentru a face față provocărilor de a coloniza o lume nouă.

Proiectare pentru mediul Marte

Există dificultăți distincte în construirea de mașini care pot rezista mediului marțian. În primul rând, este frigul, cu temperaturi medii în jur de minus 80 de grade Fahrenheit și coborând la minus 190 de grade Fahrenheit la poli. Apoi mai este atmosfera subțire, care este doar un procent din densitatea atmosferei Pământului. Și apoi este praful supărător care este ridicat în orice operațiuni de pe suprafața planetei, ca să nu mai vorbim de radiația intensă de la razele Soarelui.

Aceste condiții de mediu creează probleme roboticii, de la variațiile de temperatură care provoacă mecanisme până la se extinde și se contractă și astfel se uzează în timp, praful care pătrunde în angrenaje, ceea ce împiedică utilizarea expuse lubrifiere.

„Este un mediu foarte unic și extrem, chiar și pentru robotica spațială”, a spus Al Tadros, VP Space Infrastructură și spațiu civil la Maxar Technologies, care este compania care construiește brațele robotizate pentru Roverele NASA pe Marte. Brațele robotizate ale lui Maxar trebuie să fie capabile nu numai să supraviețuiască acestui mediu dur, ci și să îndeplinească sarcini precum săparea și forajul care permit investigațiile științifice.

Un alt aspect este limitarea greutății. Atunci când o piesă trebuie să fie livrată pe Marte prin intermediul unei rachete, fiecare gram trebuie luat în considerare și luat în considerare, iar asta necesită o selecție atentă a materialelor. „O mare parte din ceea ce facem utilizează diferite tipuri de aluminiu”, a explicat Tadros. „Folosim și titan și, în unele cazuri, folosim fibră de carbon, în funcție de aplicație.” Alte trucuri pentru a reduce greutatea includ golirea unora secțiuni care nu trebuie să fie atât de rezistente din punct de vedere structural, cum ar fi lungimea unui braț robotic care ar putea fi făcut din compozit cu matrice de tip fagure tuburi.

Lăsați roboții să exploreze singuri

Când un rover a fost livrat la suprafața lui Marte, acesta poate începe explorarea. Cu toate acestea, din cauza distanței față de Pământ, nu este fezabil pentru ingineri să controleze roverele direct. În schimb, roboții au un grad de autonomie în explorările lor, NASA exercitând comanda de supraveghere.

„Ei pot spune roverului să meargă cinci metri în această direcție”, spune Tadros ca exemplu. Dacă există o problemă la executarea acelei comenzi, rover-ul se va opri și va aștepta mai multe instrucțiuni. „Este destul de rudimentar în acest sens. Dar, în viitor, dorința este de a avea autonomie la bord, astfel încât roverul să recunoască „Oh, mi s-a spus să merg cinci metri, dar aici este un bolovan. Voi merge în această direcție pentru că știu că terenul este deschis.”

Cu o hartă și cunoștințe locale, rover-urile vor putea efectua auto-navigarea. Ei vor putea chiar și în cele din urmă să efectueze știință în mod autonom, așa că oamenii de știință ar trebui doar să specifice o comandă precum „găsiți acest tip de rocă”, iar roverul ar putea localiza și analiza o probă. Acest tip de autonomie este deja planificat ca parte a viitoarei misiuni lunare a NASA cu rover VIPER, a spus Tadros. „Va face prospectări rapide, analizând și caracterizand regolitul și rocile pentru a căuta gheață și alte materiale.”

Cu robotică precum VIPER și Marscopter lansând ca parte a proiectului Mars 2020, ne putem aștepta ca mașini să cerceteze și să exploreze Marte, a afla despre resursele și pericolele locale care vor ajuta sau împiedica supraviețuirea oamenilor pe planetă.

Construirea unui sistem de poziționare pe Marte

A ști unde oamenii pot ateriza în siguranță pe Marte și unde pot localiza resursele de care au nevoie este primul pas către colonizare. Dar diferența reală dintre o vizită și o ședere pe termen lung pe o altă planetă este o chestiune de infrastructură. De la apă la comunicații până la construirea de habitate, va trebui să găsim o modalitate de a asigura nevoile de bază ale vieții într-un mod durabil.

O metodă de stabilire a infrastructurii timpurii este prin utilizarea sateliților mici sau smallsats. „Dacă te gândești să colonizezi Marte, acolo unde intervin satele mici este să creezi infrastructura pentru colonia”, a spus Brad King, CEO al Orbion, o companie care creează sisteme de propulsie mai eficiente pentru smallsats. „Avem nevoie de rețele de comunicații pe Marte, atât între două puncte de pe Marte, cât și de pe Marte înapoi pe Pământ. Pe Pământ, am rezolvat multe dintre aceste probleme cu sateliții care orbitează în jurul planetei noastre.”

Smallsats-urile ar putea îndeplini funcții similare pe Marte, prin crearea unui echivalent marțian cu GPS - l-am putea numi Mars Positioning System. De asemenea, pot cerceta suprafața planetei, pregătind zona pentru oamenii care vor veni.

Trecerea de la A la B

Problema este obținerea sateliților de pe Pământ pe Marte într-un mod accesibil. În mod tradițional, ambarcațiunile au fost deplasate prin spațiu prin propulsie chimică - adică arderea combustibilului pentru a crea forță. Aceasta este o modalitate excelentă de a crea cantități mari de forță, cum ar fi forța necesară pentru ca o rachetă să părăsească atmosfera Pământului și să ajungă în spațiu. Dar este nevoie de o cantitate masivă de combustibil, într-o asemenea măsură încât cea mai mare parte a rachetelor moderne este pur și simplu rezervorul de combustibil.

O alternativă mai ieftină pentru deplasarea prin spațiu este propulsia electrică, care folosește energia solară pentru a arunca o substanță inertă precum xenonul din spatele ambarcațiunii. Această metodă este foarte eficientă din punct de vedere al consumului de combustibil, permițând parcurgerea pe distanțe lungi cu foarte puțin combustibil. Dezavantajul este că această metodă de propulsie are o tracțiune mică, deci durează mai mult până ajunge la destinație. Trimiterea unei nave de pe Pământ pe Marte folosind propulsia electrică ar putea dura câțiva ani, în comparație cu propulsia chimică cu care ar dura călătoria în aproximativ șase până la nouă luni.

Cu toate acestea, principiul nu se aplică numai ambarcațiunilor mici fără pilot. Un avantaj distinct al propulsiei electrice este că se extinde foarte eficient: „Tehnologia propulsiei electrice funcționează mai bine cu cât devine mai mare”, a spus King. „În principiu, nu există nimic care să limiteze extinderea propulsiei electrice la misiuni foarte mari, cu echipaj. Începi să întâlnești obstacole economice pentru că construiești ambarcațiuni de dimensiunea Battlestar Galactica pentru a ajunge acolo.”

Propulsia electrică a fost folosită în proiecte precum ambarcațiunea Hayabusa a Agenției Spațiale Japoneze, care a vizitat recent asteroidul îndepărtat. Ryugu. Și există mai multe planuri pentru ambarcațiuni cu propulsie electrică în proiecte viitoare, cum ar fi element de putere și propulsie (PPE) al stației Lunar Gateway a NASA, care utilizează propulsie solară electrică și va fi de trei ori mai puternic decât capacitățile actuale.

Mergând cu autobuzul

Lansarea și aterizarea pe planete vor necesita în continuare propulsie chimică, dar călătoria între ele ar putea fi mult mai eficientă. King sugerează că un vehicul de echipaj nepropulsiv sau un vehicul de marfă ar putea fi pus pe o orbită ciclică care trece pe lângă Pământ și Marte. „Atunci poți, în esență, să trimiți lucruri și să mergi cu autobuzul pe Marte, nefiind nevoie de propulsie”, a explicat el. Un sistem similar a fost deja folosit pentru Telescopul spațial Kepler, care a folosit foarte puțin combustibil după lansarea pe o orbită heliocentrică care se întinde pe Pământ.

Desigur, a ajunge de pe Pământ pe Marte este doar o parte a călătoriei. Odată ce o navă ajunge pe Marte, trebuie să încetinească și să intre pe orbită. Pentru a încetini o ambarcațiune, există de obicei două metode: folosirea propulsoarelor inversate care necesită combustibil și aerofrânarea. Acesta din urmă este locul în care o navă se scufundă în atmosfera exterioară a lui Marte, folosind rezistența aerodinamică pentru a reduce energia vehiculului suficient încât, atunci când iese din atmosferă, să poată intra pe orbită.

Conceptul de propulsie electrică a fost oarecum marginal în ultimele decenii, dar odată cu aceste noi proiecte s-a mutat în curentul principal. „Acum este aplicat la scară largă – este ca trecerea călătoriilor aeriene de la aeronave cu elice la aeronave cu reacție”, a spus King.

Senzori și AI

Așa că putem trimite roboți să cerceteze suprafața și sateliți pentru a configura infrastructura. Am putea chiar muta construcții enorme, cum ar fi habitatele prin spațiu, folosind combustibil minim prin propulsie electrică. Dar provocările colonizării lui Marte nu apar numai atunci când oamenii ocupă de fapt un habitat de pe planetă. O problemă majoră este modul în care habitatele și structurile pot fi menținute pentru perioadele lungi în care vor fi neocupate. Proiectele planificate precum stația Lunar Gateway a NASA, de exemplu, vor fi probabil ocupate doar 20 până la 30 la sută din timp și ne putem aștepta la rate similare sau chiar mai mici de ocupare pentru potențialul Marte habitate.

Habitatele din afara planetei trebuie să fie capabile să se monitorizeze și să se repare, mai ales când cel mai apropiat om se află la milioane de kilometri distanță. Și pentru asta, AI este necesară.

Un sistem lansat recent pe Stația Spațială Internațională ar putea oferi baza pentru monitorizarea habitatului AI. ale lui Bosch Sistemul SoundSee constă dintr-o sarcină utilă care conține 20 de microfoane, o cameră și un senzor de mediu pentru înregistrarea temperaturii, umidității și presiunii. Acești senzori colectează date despre mediu, în special informații acustice, care pot fi folosite pentru a semnala probleme.

„Dacă vă imaginați că există o scurgere în stație, nu numai că ar exista sunete ultrasonice, ci și o pierdere de presiune”, a explicat cercetătorul Bosch Jonathan Macoskey. „Dacă vedem atât o pierdere de presiune, cât și un ton ultrasonic și alți factori, acesta este un mod concret de a identifica o problemă.”

Desigur, o scurgere în ISS ar fi puternică, evidentă și dramatică. Dar multe defecțiuni ale mașinii, în special în medii fără echipaj, se datorează unei degradări treptate în timp. AI poate fi folosit pentru a simți aceste lucruri, a spus cercetătorul principal al SoundSee, Samarjit Das, nu adăugând senzori mai mulți sau mai buni, ci mai degrabă prin utilizarea datelor senzorilor mai eficient pentru a căuta subtile modele.

„Mașinile nu se defectează imediat de la bine la rău”, a spus Das. „Există o uzură treptată în timp. Gândiți-vă la un sistem pe care ați dori să-l monitorizați în ISS ca o bandă de alergare. Angrenajele din interior se degradează încet în timp pe măsură ce sunt utilizate. Noi, ca oameni, nu putem auzi că ceva nu merge greșit acolo, dar când traduceți asta în date în timp, AI poate observa acele schimbări subtile în abaterea de la normă.”

Totuși, nu vă imaginați viitoarele nave și habitate controlate în întregime de AI, sau chiar mai rău, un AI roșu precum HAL din 2001. „Senzorii și inteligența artificială nu vor înlocui în întregime oamenii și nu vor automatiza totul”, a spus Das. „AI este o linie de apărare.” Macoskey a fost de acord: „Vedem AI ca pe un instrument care permite lucruri noi, în același mod în care microscopul le-a permis oamenilor să se uite la organisme microscopice.”

Colonizarea Marte este posibilă

Cu toate aceste dificultăți de mediu și logistice, s-ar putea părea că trimiterea oamenilor pe Marte este o șansă lungă, ca să nu mai vorbim de stabilirea oricărui tip de bază permanentă sau semi-permanentă acolo. Deși acestea sunt provocări serioase, există soluții sub formă de IA, robotică și metode de propulsie, care sunt testate acum pentru a fi utilizate în viitoare proiecte spațiale.

„Cred că colonizarea lui Marte nu este o problemă tehnologică, este o problemă economică”, a spus King. „Dacă am avea resurse de cheltuit, știm ce trebuie construit și știm cum să-l construim. Dar numărul de dolari sau euro de care este nevoie pentru a face asta este descurajantă.”

Cu fonduri suficiente, avem cunoștințele necesare pentru a începe să instalăm sisteme de comunicații, să permitem transportul și să construim habitate pe Marte. King este încrezător că s-ar putea întâmpla chiar și în timpul vieții noastre: „Având în vedere resurse nelimitate, am putea stabili această infrastructură într-un deceniu”.

Recomandările editorilor

• Acest robot remarcabil care își schimbă forma ar putea într-o zi să se îndrepte spre Marte
• Faceți cunoștință cu robotul de aruncare care schimbă jocul, care poate imita perfect orice aruncare umană
• Harta apei Marte ar putea ajuta la alegerea locațiilor pentru misiuni viitoare
• NASA dorește ajutorul tău pentru a rezolva un mister de durată pe Marte
• Atingerea finală: modul în care oamenii de știință le oferă roboților simțuri tactile asemănătoare oamenilor