Möt robotpionjärerna som kommer att tillåta oss att kolonisera Mars

Från NASAs kommande Uppdraget Månen till Mars till Elon Musks ambitiösa planer på att använd ett SpaceX Starship för att så småningom kolonisera Mars är kapplöpningen om att befolka den röda planeten redan igång. Men innan människor kan besöka Mars och sätta upp någon form av långtidsbas där, måste vi skicka ut scouter för att se hur landet ligger och förbereda det för bemannade uppdrag.

De mekaniska pionjärerna som vi kommer att skicka till Mars under de kommande åren kommer att följa i spåren av upptäcktsresande som Curiosity rover och den Insiktslander, men nästa generation av Mars-robotik kommer att använda sofistikerad AI, nya framdrivningsmetoder och flexibla småsatsningar för att möta utmaningarna med att kolonisera en ny värld.

Designar för Mars-miljön

Det finns tydliga svårigheter att bygga maskiner som tål Marsmiljön. För det första är det kylan, med temperaturer på i genomsnitt runt minus 80 grader Fahrenheit och går ner till minus 190 grader Fahrenheit vid polerna. Sedan finns det den tunna atmosfären, som bara är en procent av densiteten av jordens atmosfär. Och så finns det det besvärliga damm som sparkas upp vid alla operationer på planetens yta, för att inte tala om den intensiva strålningen från solens strålar.

Dessa miljöförhållanden skapar problem för robotik, från temperaturvariationer som orsakar mekanismer till expandera och dra ihop sig och så slits med tiden, till att damm kommer in i växlar som förhindrar användning av exponerade smörjning.

"Det är en väldigt unik och extrem miljö, även för rymdrobotik", säger Al Tadros, VP of Space Infrastructure and Civil Space på Maxar Technologies, som är företaget som bygger robotarmarna för NASA: s Mars-rovers. Maxars robotarmar måste inte bara kunna överleva denna tuffa miljö, utan också utföra de uppgifter som grävning och borrning som möjliggör vetenskapliga undersökningar.

En annan faktor är viktbegränsningar. När en del ska levereras till Mars via raket måste varje gram beaktas och redovisas, och det kräver noggrant urval av material. "Mycket av det vi gör använder olika typer av aluminium," förklarade Tadros. "Vi använder också titan och i vissa fall använder vi kolfiber, beroende på applikation." Andra viktbesparande trick inkluderar att urholka några sektioner som inte behöver vara så strukturellt starka, till exempel längden på en robotarm som kan vara gjord av bikakematriskomposit rör.

Låta robotar utforska på egen hand

När en rover har levererats till Mars yta kan den börja utforska. Men på grund av avståndet från jorden är det inte möjligt för ingenjörer att styra rovers direkt. Istället har robotarna en viss grad av autonomi i sina utforskningar, med NASA som utövar övervakningskommando.

"De kan säga åt rovern att gå fem meter i den här riktningen", säger Tadros som ett exempel. Om det finns problem med att utföra det kommandot, stannar rover och väntar på fler instruktioner. "Det är ganska rudimentärt i den meningen. Men i framtiden är önskan att ha autonomi ombord så att roveraren känner igen "Åh, jag blev tillsagd att gå fem meter, men det finns ett stenblock här." Jag kommer att gå runt i den här riktningen eftersom jag vet att terrängen är öppen.”

Med en karta och lokalkännedom kommer rovers att kunna utföra självnavigering. De kommer till och med så småningom att kunna utföra vetenskap autonomt, så forskare skulle bara behöva specificera ett kommando som "hitta den här typen av sten" och rovern kunde lokalisera och analysera ett prov. Denna typ av autonomi planeras redan som en del av NASA: s kommande månuppdrag med VIPER rover, sa Tadros. "Det kommer att bli snabb prospektering, titta på och karakterisera regoliten och stenarna för att leta efter is och andra material."

Med robotik som VIPER och Marscopter lanseras som en del av Mars 2020-projektet, vi kan förvänta oss att maskiner ska spana och utforska Mars, att ta reda på om lokala resurser och faror som kommer att hjälpa eller hindra människors överlevnad på området planet.

Bygga ett Mars Positioning System

Att veta var människor säkert kan landa på Mars och var de kan lokalisera de resurser de behöver är det första steget mot kolonisering. Men den verkliga skillnaden mellan ett besök och en långtidsvistelse på en annan planet är en fråga om infrastruktur. Från vatten till kommunikationer till att bygga livsmiljöer, vi måste hitta ett sätt att tillhandahålla livets grundläggande förnödenheter på ett hållbart sätt.

En metod för att sätta upp tidig infrastruktur är genom att använda små satelliter, eller smallsats. "Om du funderar på att kolonisera Mars, där småsatsningarna kommer in är att sätta upp infrastrukturen för kolonin”, säger Brad King, VD för Orbion, ett företag som skapar effektivare framdrivningssystem för smallsats. "Vi behöver kommunikationsnätverk på Mars, både mellan två punkter på Mars och från Mars tillbaka till jorden. På jorden har vi löst många av dessa problem med att kretsa satelliter runt vår planet."

Smallsats kunde fylla liknande funktioner på Mars, genom att sätta upp en Mars-motsvarighet till GPS – vi skulle kunna kalla det Mars Positioning System. De kan också spana ut planetens yta och förbereda området för människor som kommer.

Att ta sig från A till B

Problemet är att få satelliter från jorden till Mars på ett överkomligt sätt. Traditionellt har farkoster förflyttats genom rymden via kemisk framdrivning – det vill säga förbränning av bränsle för att skapa dragkraft. Detta är ett utmärkt sätt att skapa stora mängder dragkraft, till exempel den dragkraft som krävs för att en raket ska lämna jordens atmosfär och ta sig ut i rymden. Men det tar en enorm mängd bränsle, till en sådan grad att den största delen av moderna raketer helt enkelt är bränsletanken.

Ett billigare alternativ för att förflytta sig genom rymden är elektrisk framdrivning, som använder solenergi för att skjuta ut ett inert ämne som xenon från baksidan av farkosten. Denna metod är mycket bränslesnål, vilket gör det möjligt att resa långa sträckor med mycket lite bränsle. Nackdelen är att denna framdrivningsmetod är låg dragkraft, så det tar längre tid att komma fram till en destination. Att skicka en farkost från jorden till Mars med elektrisk framdrivning kan ta en handfull år, jämfört med kemisk framdrivning med vilken resan skulle ta i området sex till nio månader.

Principen gäller dock inte bara små obemannade farkoster. En tydlig fördel med elektrisk framdrivning är att den skalar upp mycket effektivt: "Elektrisk framdrivningsteknik fungerar bättre ju större den blir", sa King. "I princip finns det inget som begränsar uppskalningen av elektrisk framdrivning till mycket stora besättningsuppdrag. Du börjar bara stöta på ekonomiska hinder eftersom du bygger båtar i storleken Battlestar Galactica för att komma dit."

Elektrisk framdrivning har använts i projekt som den japanska rymdorganisationens Hayabusa-farkost, som nyligen besökte den avlägsna asteroiden Ryugu. Och det finns fler planer på eldrivna farkoster i framtida projekt, som t.ex kraft och framdrivningselement (PPE) modul för NASA: s Lunar Gateway-station som använder solenergi och kommer att vara tre gånger kraftfullare än nuvarande kapacitet.

Åker buss

Att sjösätta och landa på planeter kommer fortfarande att kräva kemisk framdrivning, men resan däremellan kan göras mycket mer effektiv. King föreslår att ett icke-framdrivande besättningsfordon eller lastfordon kan placeras i en cykelbana som går förbi jorden och Mars. "Då kan du i princip skicka upp saker och "åka buss" till Mars, utan att kräva någon framdrivning," förklarade han. Ett liknande system har redan använts för Kepler rymdteleskop, som använde mycket lite bränsle efter sin lansering in i en jordsläpande heliocentrisk bana.

Att ta sig från jorden till Mars är förstås bara en del av resan. När en farkost väl anländer till Mars måste den sakta ner och gå in i omloppsbana. För att bromsa en farkost finns det vanligtvis två metoder: att använda backpropeller som kräver bränsle och aerobromsning. Det sistnämnda är där ett farkost dyker ner i Mars yttre atmosfär och använder det aerodynamiska motståndet för att reducera fordonets energi tillräckligt för att när det kommer ut ur atmosfären kan det gå in i omloppsbana.

Konceptet med elektrisk framdrivning har varit något randigt under de senaste decennierna, men med dessa nya projekt har det flyttat till mainstream. "Nu tillämpas det i stor skala - det är som övergången av flygresor från propellerdrivna flygplan till jetflygplan," sa King.

Sensorer och AI

Så vi kan skicka robotar för att spana på ytan och satelliter för att sätta upp infrastruktur. Vi skulle till och med kunna flytta enorma konstruktioner som livsmiljöer genom rymden med minimalt med bränsle genom elektrisk framdrivning. Men utmaningarna med Mars-kolonisering uppstår inte bara när människor faktiskt ockuperar en livsmiljö på planeten. En stor fråga är hur livsmiljöer och strukturer kan bibehållas under de långa perioder som de kommer att vara obebodda. Planerade projekt som NASA: s Lunar Gateway-station, till exempel, kommer sannolikt bara att vara ockuperade mellan 20 och 30 procent av tiden, och vi kan förvänta oss liknande eller till och med lägre beläggningsgrad för potentiella Mars livsmiljöer.

Off-planet livsmiljöer måste kunna övervaka sig själva och fixa sig själva, särskilt när den närmaste människan är miljontals mil bort. Och för det krävs AI.

Ett system som nyligen lanserats till den internationella rymdstationen kan utgöra grunden för övervakning av AI-habitat. Boschs SoundSee-system består av en nyttolast som innehåller 20 mikrofoner, en kamera och en miljösensor för att registrera temperatur, luftfuktighet och tryck. Dessa sensorer samlar in data om miljön, särskilt akustisk information, som kan användas för att flagga problem.

"Om du föreställer dig att det finns en läcka i stationen, skulle det inte bara finnas ultraljudstoner utan också en tryckförlust", förklarade Bosch-forskaren Jonathan Macoskey. "Om vi ​​ser både en tryckförlust och en ultraljudston och andra faktorer, är det ett konkret sätt att identifiera ett problem."

Naturligtvis skulle en läcka i ISS vara högljudd, uppenbar och dramatisk. Men många maskinfel, särskilt i obemannade miljöer, beror på en gradvis försämring över tid. AI kan användas för att känna av dessa saker, sa SoundSee huvudforskare Samarjit Das, inte genom att lägga till fler eller bättre sensorer, utan snarare genom att använda sensordata mer effektivt för att söka efter subtila mönster.

"Maskiner går inte bara sönder direkt från bra till dåligt," sa Das. ”Det sker en gradvis förslitning över tid. Tänk på ett system som du kanske vill övervaka i ISS som ett löpband. Kugghjulen inuti försämras långsamt med tiden när de används. Vi som människor kan inte höra att något går fel där, men när du översätter det till data över tid kan AI upptäcka dessa subtila förändringar i avvikelse från normen."

Föreställ dig dock inte framtida fartyg och livsmiljöer som helt kontrolleras av AI, eller ännu värre en rouge AI som 2001:s HAL. "Sensorer och AI kommer inte att ersätta människor helt och hållet och automatisera allt", sa Das. "AI är en försvarslinje." Macoskey höll med: "Vi ser AI som ett verktyg som möjliggör nya saker på samma sätt som mikroskopet gjorde det möjligt för människor att titta på mikroskopiska organismer."

Att kolonisera Mars är möjligt

Med alla dessa miljö- och logistiska svårigheter kan det tyckas som om att skicka människor till Mars överhuvudtaget är ett långt skott, än mindre att etablera någon form av permanent eller semipermanent bas där. Även om detta är allvarliga utmaningar, finns det lösningar i form av AI, robotik och framdrivningsmetoder som testas nu för användning i framtida rymdprojekt.

"Jag tror att kolonisering av Mars inte är en teknisk fråga, det är en ekonomisk fråga," sa King. "Om vi ​​hade resurserna att spendera vet vi vad som behöver byggas och vi vet hur vi ska bygga det. Men antalet dollar eller euro som krävs för att göra det är skrämmande.”

Med tillräcklig finansiering har vi kunskapen för att börja sätta upp kommunikationssystem, möjliggöra transporter och bygga livsmiljöer på Mars. King är övertygad om att det till och med kan hända inom vår livstid: "Med obegränsade resurser kan vi sätta upp den här infrastrukturen inom ett decennium."

Redaktörens rekommendationer

• Denna anmärkningsvärda formskiftande robot kan en dag bege sig till Mars
• Möt den spelföränderliga pitching-roboten som perfekt kan efterlikna alla mänskliga kast
• Vattenkarta över Mars kan hjälpa till att välja platser för framtida uppdrag
• NASA vill ha din hjälp att lösa ett bestående Mars-mysterium
• Finishing touch: Hur forskare ger robotar mänskliga taktila sinnen