Spoznajte robote pionirje, ki nam bodo omogočili kolonizirati Mars

Iz Nasinega prihajajočega Misija z Lune na Mars ambicioznim načrtom Elona Muska uporabite SpaceX Starship da bi sčasoma kolonizirali Mars, je tekma za naselitev Rdečega planeta že v teku. Toda preden lahko ljudje obiščejo Mars in tam postavijo kakršno koli dolgoročno bazo, moramo poslati izvidnike, da si ogledajo položaj zemlje in jo pripravijo za misije s posadko.

Mehanski pionirji, ki jih bomo v prihodnjih letih poslali na Mars, bodo sledili gumam raziskovalcev, kot je Curiosity rover in Insight lander, vendar bo naslednja generacija marsovske robotike uporabljala sofisticirano umetno inteligenco, nove pogonske metode in prilagodljive majhne satelite, da bi se soočila z izzivi kolonizacije novega sveta.

Oblikovanje za okolje Mars

Obstajajo izrazite težave pri izdelavi strojev, ki lahko prenesejo marsovsko okolje. Najprej je tu mraz, s povprečnimi temperaturami okoli minus 80 stopinj Fahrenheita in se spustijo do minus 190 stopinj Fahrenheita na polih. Potem je tu še tanka atmosfera, ki je le en odstotek gostote Zemljine atmosfere. In potem je tu še moteči prah, ki se dvigne pri kakršnih koli operacijah na površju planeta, da ne omenjamo intenzivnega sevanja sončnih žarkov.

Ti okoljski pogoji povzročajo težave robotiki, od temperaturnih nihanj, ki povzročajo mehanizme, do razširijo in skrčijo ter se tako sčasoma obrabijo, da prah pride v zobnike, kar preprečuje uporabo izpostavljenih mazanje.

"To je zelo edinstveno in ekstremno okolje, tudi za vesoljsko robotiko," je dejal Al Tadros, podpredsednik za vesolje. Infrastruktura in civilni prostor pri Maxar Technologies, ki je podjetje, ki izdeluje robotske roke za Nasini roverji za Mars. Maxarjeve robotske roke morajo biti sposobne ne le preživeti v tem težkem okolju, ampak tudi opravljati naloge, kot sta kopanje in vrtanje, ki omogočajo znanstvene preiskave.

Drug vidik so omejitve teže. Ko je treba del dostaviti na Mars z raketo, je treba upoštevati in upoštevati vsak posamezen gram, kar zahteva skrbno izbiro materialov. "Veliko tega, kar počnemo, uporablja različne vrste aluminija," je pojasnil Tadros. "Uporabljamo tudi titan in v nekaterih primerih karbonska vlakna, odvisno od uporabe." Drugi triki za prihranek teže vključujejo izdolbenje nekaterih odseki, za katere ni treba, da so tako strukturno močni, kot je dolžina robotske roke, ki bi jo lahko izdelali iz kompozita matrice v obliki satja cevi.

Pustite robotom, da sami raziskujejo

Ko je rover dostavljen na površje Marsa, lahko začne raziskovati. Vendar pa zaradi oddaljenosti od Zemlje inženirji ne morejo neposredno nadzorovati roverjev. Namesto tega imajo roboti določeno stopnjo avtonomije pri svojih raziskovanjih, pri čemer NASA izvaja nadzorni ukaz.

"Roverju lahko rečejo, naj gre pet metrov v tej smeri," kot primer pravi Tadros. Če pride do težave pri izvajanju tega ukaza, se bo rover ustavil in počakal na dodatna navodila. »V tem smislu je precej rudimentaren. Toda v prihodnosti je želja po avtonomiji na krovu, tako da bo rover prepoznal: »Oh, rekli so mi, naj grem pet metrov, a tukaj je balvan. Šel bom v tej smeri, ker vem, da je teren odprt.«

Z zemljevidom in lokalnim znanjem bodo roverji lahko izvajali samonavigacijo. Sčasoma bodo lahko celo samostojno izvajali znanost, tako da bi morali znanstveniki samo določiti ukaz, kot je "poišči to vrsto kamna", in rover bi lahko poiskal in analiziral vzorec. Tovrstno avtonomijo že načrtujejo kot del Nasine prihajajoče lunarne misije z VIPER rover, je dejal Tadros. "Opravljal bo hitro iskanje, gledal in karakteriziral regolit in skale, da bi iskal led in druge materiale."

Z robotiko, kot je VIPER in Marscopter izstrelitev v okviru projekta Mars 2020 lahko pričakujemo, da bodo stroji opazovali in raziskovali Mars, spoznavanje lokalnih virov in nevarnosti, ki bodo pomagali ali ovirali preživetje ljudi na planet.

Izdelava sistema za določanje položaja Marsa

Vedeti, kje lahko ljudje varno pristanejo na Marsu in kje lahko najdejo vire, ki jih potrebujejo, je prvi korak k kolonizaciji. Toda resnična razlika med obiskom in dolgotrajnim bivanjem na drugem planetu je stvar infrastrukture. Od vode do komunikacij do gradnje habitatov, morali bomo najti način, kako zagotoviti osnovne življenjske potrebe na trajnosten način.

Ena od metod za vzpostavitev zgodnje infrastrukture je uporaba majhnih satelitov ali malih satelitov. »Če razmišljate o kolonizaciji Marsa, so mala plovila v pomoč pri vzpostavljanju infrastrukture za kolonijo,« je povedal Brad King, izvršni direktor Orbiona, podjetja, ki ustvarja učinkovitejše pogonske sisteme za smallsats. »Potrebujemo komunikacijska omrežja na Marsu, tako med dvema točkama na Marsu kot z Marsa nazaj na Zemljo. Na Zemlji smo veliko teh težav rešili s sateliti, ki krožijo okoli našega planeta.«

Mali sateliti bi lahko izpolnjevali podobne funkcije na Marsu, tako da bi vzpostavili Marsov ekvivalent GPS – lahko bi ga imenovali Mars Positioning System. Prav tako lahko raziščejo površje planeta in pripravijo območje za prihod ljudi.

Priti od A do B

Težava je v tem, da bi dobili satelite z Zemlje na Mars na cenovno dostopen način. Tradicionalno so se plovila premikala skozi vesolje s kemičnim pogonom – to je sežiganjem goriva za ustvarjanje potiska. To je odličen način za ustvarjanje velikih količin potiska, na primer potiska, ki je potreben, da raketa zapusti Zemljino atmosfero in poleti v vesolje. Toda za to je potrebna velika količina goriva, do te mere, da je največji del sodobnih raket preprosto rezervoar za gorivo.

Cenejša alternativa za premikanje po vesolju je električni pogon, ki uporablja sončno energijo za izstrelitev inertne snovi, kot je ksenon, iz zadnjega dela plovila. Ta metoda je zelo učinkovita pri porabi goriva, saj omogoča potovanje na dolge razdalje z zelo malo goriva. Slaba stran je, da ima ta način pogona majhen potisk, zato traja dlje, da prispete na cilj. Pošiljanje plovila z Zemlje na Mars z uporabo električnega pogona bi lahko trajalo nekaj let v primerjavi s kemičnim pogonom, s katerim bi potovanje trajalo od šest do devet mesecev.

Vendar načelo ne velja samo za mala plovila brez posadke. Izrazita prednost električnega pogona je, da se zelo učinkovito povečuje: "Tehnologija električnega pogona deluje bolje, čim večja je," je dejal King. »Načeloma nič ne omejuje razširitve električnega pogona na zelo velike misije s posadko. Enostavno začneš naleteti na gospodarske ovire, ker gradiš plovilo velikosti Battlestar Galactica, da prideš tja.«

Električni pogon je bil uporabljen v projektih, kot je plovilo japonske vesoljske agencije Hayabusa, ki je nedavno obiskalo oddaljeni asteroid Ryugu. V prihodnjih projektih je še več načrtov za plovila na električni pogon, kot je element moči in pogona (PPE) modul NASA-ine postaje Lunar Gateway, ki uporablja solarni električni pogon in bo trikrat močnejši od trenutnih zmogljivosti.

Vožnja z avtobusom

Za izstrelitev in pristanek na planetih bo še vedno potreben kemični pogon, vendar bi bilo potovanje vmes lahko veliko bolj učinkovito. King predlaga, da bi lahko nepogonsko vozilo za posadko ali tovorno vozilo postavili v kolesarsko orbito, ki gre mimo Zemlje in Marsa. "Potem lahko v bistvu pošljete stvari gor in se 'vozite z avtobusom' na Mars, ne da bi potrebovali pogon," je pojasnil. Podoben sistem je bil že uporabljen za Vesoljski teleskop Kepler, ki je po izstrelitvi v heliocentrično orbito, ki sledi Zemlji, porabil zelo malo goriva.

Seveda je pot z Zemlje na Mars le del poti. Ko plovilo prispe na Mars, mora upočasniti in vstopiti v orbito. Za upočasnitev plovila običajno obstajata dva načina: uporaba vzvratnih propelerjev, ki zahtevajo gorivo, in zračno zaviranje. Slednji je kraj, kjer se plovilo potopi v zunanjo atmosfero Marsa, pri čemer uporabi aerodinamični upor za zmanjšanje energije vozila dovolj, da lahko, ko pride iz ozračja, vstopi v orbito.

Koncept električnega pogona je bil zadnjih nekaj desetletij nekoliko obroben, toda s temi novimi projekti je prešel v mainstream. "Zdaj se uporablja v velikem obsegu - to je kot prehod zračnega potovanja z propelerskih letal na reaktivna letala," je dejal King.

Senzorji in AI

Tako lahko pošljemo robote, da preiščejo površje, in satelite, da vzpostavijo infrastrukturo. Lahko bi celo premaknili ogromne konstrukcije, kot so habitati, skozi vesolje z minimalno količino goriva prek električnega pogona. Toda izzivi kolonizacije Marsa se ne pojavijo le, ko ljudje dejansko zasedajo življenjski prostor na planetu. Eno od glavnih vprašanj je, kako je mogoče ohraniti habitate in strukture za dolga obdobja, ko bodo nenaseljeni. Načrtovani projekti, kot je na primer Nasina postaja Lunar Gateway, bodo verjetno zasedeni le 20 do 30 odstotkov časa in lahko pričakujemo podobne ali celo nižje stopnje zasedenosti za potencialni Mars habitati.

Zunajzemeljski habitati se morajo sami nadzorovati in popravljati, še posebej, če je najbližji človek milijone milj stran. In za to je potrebna AI.

Sistem, ki je bil nedavno izstreljen na Mednarodno vesoljsko postajo, bi lahko zagotovil osnovo za spremljanje habitatov z umetno inteligenco. Boscheve Sistem SoundSee je sestavljen iz tovora, ki vsebuje 20 mikrofonov, kamero in okoljski senzor za beleženje temperature, vlažnosti in tlaka. Ti senzorji zbirajo podatke o okolju, zlasti akustične informacije, ki jih je mogoče uporabiti za opozarjanje na težave.

"Če si predstavljate, da v postaji pušča, ne bi prišlo samo do ultrazvočnih tonov, ampak tudi do izgube tlaka," je pojasnil Boschev raziskovalec Jonathan Macoskey. "Če opazimo tako izgubo tlaka kot ultrazvočni ton in druge dejavnike, je to konkreten način prepoznavanja težave."

Seveda bi bilo uhajanje v ISS glasno, očitno in dramatično. Toda številne okvare strojev, zlasti v okoljih brez posadke, so posledica postopne degradacije skozi čas. Umetno inteligenco je mogoče uporabiti za zaznavanje teh stvari, je dejal glavni raziskovalec SoundSee Samarjit Das, ne z dodajanjem več ali boljših senzorjev, temveč z učinkovitejšo uporabo podatkov senzorjev za iskanje subtilnih vzorcev.

"Stroji se ne pokvarijo kar takoj, iz dobrih v slabe," je dejal Das. »Sčasoma pride do postopne obrabe. Pomislite na sistem, ki bi ga morda želeli spremljati v ISS kot tekalno stezo. Zobniki v notranjosti se sčasoma med uporabo počasi razgradijo. Ljudje ne moremo slišati, da bi šlo kaj narobe, a ko to sčasoma prevedete v podatke, lahko umetna inteligenca opazi te subtilne spremembe v odstopanju od norme.«

Ne predstavljajte si prihodnjih ladij in habitatov, ki bi jih v celoti nadzorovala umetna inteligenca, ali še huje, rdeče umetne inteligence, kot je HAL iz leta 2001. "Senzorji in umetna inteligenca ne bodo v celoti nadomestili ljudi in avtomatizirali vsega," je dejal Das. "AI je obrambna linija." Macoskey se je strinjal: "Umetno inteligenco vidimo kot orodje, ki omogoča nove stvari na enak način, kot je mikroskop ljudem omogočil ogled mikroskopskih organizmov."

Kolonizacija Marsa je mogoča

Z vsemi temi okoljskimi in logističnimi težavami se morda zdi, da je pošiljanje ljudi na Mars sploh dolga pot, kaj šele vzpostavitev kakršne koli stalne ali delno stalne baze tam. Čeprav so to resni izzivi, obstajajo rešitve v obliki umetne inteligence, robotike in pogonskih metod, ki se zdaj preizkušajo za uporabo v prihodnjih vesoljskih projektih.

"Verjamem, da kolonizacija Marsa ni tehnološko vprašanje, je ekonomsko vprašanje," je dejal King. »Če bi imeli sredstva za porabo, vemo, kaj je treba zgraditi, in vemo, kako to zgraditi. Toda število dolarjev ali evrov, ki je potrebno za to, je zastrašujoče.«

Z zadostnimi sredstvi imamo znanje, da začnemo postavljati komunikacijske sisteme, omogočati transport in graditi habitate na Marsu. King je prepričan, da bi se to lahko zgodilo celo v času našega življenja: "Glede na neomejena sredstva bi lahko to infrastrukturo postavili v desetletju."

Priporočila urednikov

• Ta izjemen robot, ki spreminja obliko, bi se lahko nekega dne odpravil na Mars
• Spoznajte robota za metanje, ki spreminja igro in lahko popolnoma posnema vsak človeški met
• Vodni zemljevid Marsa bi lahko pomagal izbrati lokacije za prihodnje misije
• NASA želi vašo pomoč pri razrešitvi trajne skrivnosti Marsa
• Končni dotik: Kako znanstveniki dajejo robotom človeška otipna čutila