Познакомьтесь с роботами-пионерами, которые позволят нам колонизировать Марс

Из предстоящего НАСА Миссия с Луны на Марс амбициозным планам Илона Маска использовать звездолет SpaceX Чтобы в конечном итоге колонизировать Марс, гонка за заселение Красной планеты уже началась. Но прежде чем люди смогут посетить Марс и создать там какую-либо долгосрочную базу, нам необходимо отправить разведчиков, чтобы увидеть местность и подготовить ее к пилотируемым миссиям.

Содержание

  • Проектирование для марсианской среды
  • Позвольте роботам исследовать самостоятельно
  • Создание системы позиционирования Марса
  • Как добраться из А в Б
  • Езда на автобусе
  • Датчики и искусственный интеллект
  • Колонизация Марса возможна

Первопроходцы в области механики, которых мы отправим на Марс в ближайшие годы, последуют за такими исследователями, как Марсоход Любопытство и Посадочный модуль InsightНо следующее поколение марсианской робототехники будет использовать сложный искусственный интеллект, новые методы движения и гибкие маленькие спутники для решения задач колонизации нового мира.

Рекомендуемые видео

Проектирование для марсианской среды

Существуют явные трудности в создании машин, способных противостоять марсианской среде. Во-первых, это холод: средняя температура составляет около минус 80 градусов по Фаренгейту, а на полюсах опускается до минус 190 градусов по Фаренгейту. Еще есть тонкая атмосфера, плотность которой составляет всего один процент от плотности атмосферы Земли. А еще есть неприятная пыль, которая поднимается при любых операциях на поверхности планеты, не говоря уже об интенсивном излучении солнечных лучей.

Связанный

  • Вертолет Ingenuity помогает исследователям узнать о пыли на Марсе
  • Успех НАСА в освоении кислорода на Марсе вселяет надежды на визит человека
  • НАСА, возможно, придется копать глубже в поисках доказательств жизни на Марсе

Эти условия окружающей среды создают проблемы для робототехники: колебания температуры приводят к сбою механизмов. расширяться и сжиматься и со временем изнашиваться до попадания пыли в шестерни, что предотвращает использование открытых смазка.

Марсоход НАСА Curiosity с роботизированной рукой, созданной Maxar для противостояния марсианской среде.
Марсоход НАСА Curiosity с роботизированной рукой, созданной Maxar для противостояния марсианской среде.НАСА

«Это уникальная и экстремальная среда, даже для космической робототехники», — сказал Аль Тадрос, вице-президент по космосу. Инфраструктура и гражданское пространство в Maxar Technologies, компании, производящей роботизированное оружие для Марсоходы НАСА. Роботизированные руки Максара должны быть способны не только выжить в этой суровой среде, но и выполнять такие задачи, как рытье и бурение, которые позволяют проводить научные исследования.

Еще одним соображением являются ограничения по весу. Когда деталь необходимо доставить на Марс с помощью ракеты, необходимо учитывать и учитывать каждый грамм, а это требует тщательного выбора материалов. «Во многом из того, что мы делаем, используются различные типы алюминия», — объяснил Тадрос. «Мы также используем титан, а в некоторых случаях — углеродное волокно, в зависимости от применения». Другие приемы снижения веса включают в себя выемку некоторых секции, которые не должны быть такими структурно прочными, например, длина роботизированной руки, которая может быть изготовлена ​​из композита с сотовой матрицей. трубки.

Позвольте роботам исследовать самостоятельно

Когда марсоход будет доставлен на поверхность Марса, он сможет начать исследования. Однако из-за удаленности от Земли инженеры не могут напрямую управлять марсоходами. Вместо этого роботы имеют определенную степень автономии в своих исследованиях, а НАСА осуществляет контроль.

«Они могут приказать марсоходу пройти пять метров в этом направлении», — приводит пример Тадрос. Если при выполнении этой команды возникнет проблема, ровер остановится и будет ждать дополнительных инструкций. «В этом смысле это довольно элементарно. Но в будущем хотелось бы иметь на борту автономию, чтобы марсоход распознавал: «О, мне сказали пройти пять метров, но здесь валун». Я пойду в этом направлении, потому что знаю, что местность открыта».

«Нам нужны сети связи на Марсе, как между двумя точками на Марсе, так и с Марса обратно на Землю».

Имея карту и знания местности, марсоходы смогут осуществлять самостоятельную навигацию. В конечном итоге они даже смогут заниматься наукой автономно, поэтому ученым нужно будет всего лишь указать команду типа «найти этот вид камня», и марсоход сможет найти и проанализировать образец. Такая автономия уже планируется в рамках предстоящей лунной миссии НАСА. VIPER вездеход- сказал Тадрос. «Он будет проводить быстрые поиски, изучать и характеризовать реголит и камни в поисках льда и других материалов».

С робототехникой, такой как VIPER и Марскоптер запускаясь в рамках проекта «Марс 2020», мы можем ожидать, что машины будут разведывать и исследовать Марс, узнать о местных ресурсах и опасностях, которые помогут или помешают выживанию людей на планета.

Создание системы позиционирования Марса

Знание того, где люди могут безопасно приземлиться на Марсе и где они могут найти необходимые им ресурсы, является первым шагом на пути к колонизации. Но настоящая разница между визитом и долгосрочным пребыванием на другой планете – это вопрос инфраструктуры. От воды до коммуникаций и строительства среды обитания, нам нужно будет найти способ обеспечить основные жизненные потребности устойчивым способом.

Изображение небольшого спутника с плазменным двигателем «Орбион».
Изображение небольшого спутника с плазменным двигателем «Орбион».Орбион

Одним из методов создания ранней инфраструктуры является использование малых спутников или малых спутников. «Если вы думаете о колонизации Марса, то маленькие спутники пригодятся в создании инфраструктуры для колонии», — сказал Брэд Кинг, генеральный директор Orbion, компании, создающей более эффективные двигательные системы для маленькие спутники. «Нам нужны сети связи на Марсе, как между двумя точками на Марсе, так и с Марса обратно на Землю. На Земле мы решили многие из этих проблем с помощью спутников, вращающихся вокруг нашей планеты».

Спутники Smallsat могли бы выполнять аналогичные функции на Марсе, установив марсианский эквивалент GPS – мы могли бы назвать это системой позиционирования Марса. Они также могут исследовать поверхность планеты, подготавливая ее для прибытия людей.

Как добраться из А в Б

Проблема заключается в том, чтобы доставить спутники с Земли на Марс доступным способом. Традиционно корабли перемещались в космосе с помощью химического двигателя, то есть сжигания топлива для создания тяги. Это отличный способ создать большую тягу, такую ​​​​как тяга, необходимая ракете, чтобы покинуть атмосферу Земли и отправиться в космос. Но для этого требуется огромное количество топлива, до такой степени, что большая часть современных ракет — это просто топливный бак.

Более дешевой альтернативой перемещению в космосе является электрическая двигательная установка, которая использует солнечную энергию для выброса инертного вещества, такого как ксенон, из задней части корабля. Этот метод очень экономичен и позволяет преодолевать большие расстояния с очень небольшим количеством топлива. Обратной стороной является то, что этот метод движения имеет низкую тягу, поэтому для достижения пункта назначения требуется больше времени. Отправка корабля с Земли на Марс с использованием электрического двигателя может занять несколько лет, по сравнению с химическим двигателем, с которым путешествие займет от шести до девяти месяцев.

«Мы, люди, не можем услышать, что там что-то идет не так, но когда вы со временем преобразуете это в данные, ИИ может обнаружить эти тонкие изменения в отклонении от нормы».

Однако этот принцип применим не только к небольшим беспилотным кораблям. Очевидным преимуществом электродвижения является то, что оно очень эффективно масштабируется: «Технология электродвижения работает тем лучше, чем больше она становится», — сказал Кинг. «В принципе, нет ничего, ограничивающего расширение использования электродвигателей для очень крупных миссий с экипажем. Вы просто начинаете сталкиваться с экономическими препятствиями, потому что для этого строите корабль размером с Battlestar Galactica».

Электрическая двигательная установка использовалась в таких проектах, как корабль «Хаябуса» Японского космического агентства, который недавно посетил далекий астероид. Рюгу. В будущих проектах есть и другие планы по созданию судов с электрическим приводом, таких как силовой и двигательный элемент (СИЗ) станции НАСА Lunar Gateway, которая использует солнечную электрическую двигательную установку и будет в три раза мощнее нынешних возможностей.

Езда на автобусе

Для запуска и посадки на планеты по-прежнему потребуется химическое движение, но путешествие между ними можно сделать гораздо более эффективным. Кинг предполагает, что недвигательный экипаж или грузовой корабль можно вывести на велосипедную орбиту, проходящую мимо Земли и Марса. «Тогда вы, по сути, сможете отправить вещи на Марс и «поехать на автобусе» на Марс, не требуя при этом движения», — объяснил он. Подобная система уже использовалась для Космический телескоп Кеплер, который использовал очень мало топлива после запуска на гелиоцентрическую орбиту, следующую за Землей.

Конечно, добраться с Земли на Марс — это лишь часть пути. Как только корабль прибудет на Марс, ему необходимо замедлиться и выйти на орбиту. Чтобы замедлить корабль, обычно есть два метода: использование реверсивных двигателей, требующих топлива, и аэроторможение. В последнем случае корабль погружается во внешнюю атмосферу Марса, используя аэродинамическое сопротивление, чтобы уменьшить энергию корабля настолько, что, когда он выйдет из атмосферы, он сможет выйти на орбиту.

Концепция электродвижения в течение последних нескольких десятилетий была несколько второстепенной, но с этими новыми проектами она стала мейнстримом. «Сейчас это применяется в больших масштабах – это похоже на переход воздушного транспорта от винтовых самолетов к реактивным», – сказал Кинг.

Датчики и искусственный интеллект

Поэтому мы можем отправить роботов для разведки поверхности и спутники для создания инфраструктуры. Мы могли бы даже перемещать огромные конструкции, такие как жилые дома, в космосе, используя минимальное количество топлива с помощью электродвижения. Но проблемы колонизации Марса возникают не только тогда, когда люди фактически занимают среду обитания на планете. Одна из основных проблем заключается в том, как можно сохранить среду обитания и сооружения в течение длительного периода времени, в течение которого они будут незаселены. Запланированные проекты, такие как, например, станция НАСА Lunar Gateway, вероятно, будут заняты только от 20 до 30 человек. процента времени, и мы можем ожидать аналогичных или даже более низких показателей занятости для потенциального Марса. места обитания.

Внепланетные среды обитания должны иметь возможность контролировать себя и восстанавливаться, особенно когда ближайший человек находится на расстоянии миллионов миль. И для этого необходим ИИ.

«Я считаю, что колонизация Марса — это не технологическая проблема, а проблема экономики».

Система, недавно запущенная на Международную космическую станцию, может стать основой для мониторинга среды обитания ИИ. Бош Система SoundSee состоит из полезной нагрузки, содержащей 20 микрофонов, камеру и датчик окружающей среды для регистрации температуры, влажности и давления. Эти датчики собирают данные об окружающей среде, особенно акустическую информацию, которую можно использовать для выявления проблем.

«Если представить, что на станции есть утечка, будут не только ультразвуковые сигналы, но и потеря давления», — объяснил научный сотрудник Bosch Джонатан Макоски. «Если мы видим и потерю давления, и ультразвуковой тон, и другие факторы, это конкретный способ выявления проблемы».

Конечно, утечка на МКС будет громкой, очевидной и драматичной. Но многие отказы машин, особенно в беспилотных средах, происходят из-за постепенной деградации с течением времени. По словам главного исследователя SoundSee Самарджита Даса, искусственный интеллект можно использовать для распознавания этих вещей, не добавляя больше или более совершенных датчиков, а скорее за счет более эффективного использования данных датчиков для поиска едва заметных узоры.

«Машины не просто сразу ломаются от хорошего к плохому», — сказал Дас. «С течением времени происходит постепенный износ. Подумайте о системе, которую вы, возможно, захотите контролировать на МКС, как о беговой дорожке. Внутренние шестерни со временем медленно изнашиваются по мере использования. Мы, люди, не можем услышать, что там что-то идет не так, но когда вы со временем преобразуете это в данные, ИИ может обнаружить эти тонкие изменения в отклонении от нормы».

Фотография, сделанная марсоходом Curiosity в кратере Гейла.НАСА/Лаборатория реактивного движения/MSL

Однако не представляйте, что будущие корабли и среды обитания будут полностью контролироваться ИИ или, что еще хуже, таким искусственным интеллектом, как HAL 2001 года. «Датчики и искусственный интеллект не заменят людей полностью и не автоматизируют все», — сказал Дас. «ИИ — это линия защиты». Макоски согласился: «Мы рассматриваем ИИ как инструмент, который позволяет создавать новые вещи точно так же, как микроскоп позволяет людям смотреть на микроскопические организмы».

Колонизация Марса возможна

При всей этой окружающей среде и логистических трудностях может показаться, что отправка людей на Марс вообще является маловероятной перспективой, не говоря уже о создании там какой-либо постоянной или полупостоянной базы. Хотя это серьезные проблемы, решения существуют в виде искусственного интеллекта, робототехники и методов движения, которые сейчас тестируются для использования в будущих космических проектах.

«Я считаю, что колонизация Марса — это не технологическая проблема, это проблема экономики», — сказал Кинг. «Если бы у нас были ресурсы, которые можно было бы потратить, мы знали бы, что нужно построить, и знали бы, как это построить. Но количество долларов или евро, которое для этого потребуется, устрашает».

При достаточном финансировании у нас есть знания, чтобы начать создавать системы связи, обеспечивать транспорт и строить среду обитания на Марсе. Кинг уверен, что это может произойти даже при нашей жизни: «При наличии неограниченных ресурсов мы могли бы создать эту инфраструктуру за десять лет».

Рекомендации редакции

  • Этот замечательный робот, меняющий форму, однажды может отправиться на Марс
  • Познакомьтесь с революционным роботом-качером, который может идеально имитировать любой бросок человека.
  • Водная карта Марса может помочь выбрать места для будущих миссий
  • НАСА хочет, чтобы вы помогли разгадать непреходящую тайну Марса
  • Последний штрих: как ученые наделяют роботов человеческими тактильными чувствами