Знайомтеся з роботами-піонерами, які дозволять нам колонізувати Марс

Від НАСА Місія з Місяця на Марс до амбітних планів Ілона Маска використовувати SpaceX Starship щоб зрештою колонізувати Марс, гонка за заселення Червоної планети вже триває. Але перш ніж люди зможуть відвідати Марс і створити там будь-яку довгострокову базу, нам потрібно вислати розвідників, щоб побачити рельєф землі та підготувати її для пілотованих місій.

Піонери механічної техніки, яких ми відправимо на Марс у найближчі роки, підуть по слідах дослідників, таких як Марсохід Curiosity і Інсайт посадковий модуль, але наступне покоління марсіанської робототехніки використовуватиме складний штучний інтелект, новітні методи руху та гнучкі малі супутники, щоб долати виклики колонізації нового світу.

Проектування для середовища Марса

Існують певні труднощі у створенні машин, які можуть протистояти марсіанському середовищу. По-перше, це холод: температура в середньому становить близько мінус 80 градусів за Фаренгейтом і опускається до мінус 190 градусів за Фаренгейтом на полюсах. Крім того, є тонка атмосфера, яка становить лише один відсоток щільності атмосфери Землі. Крім того, є неприємний пил, який піднімається під час будь-яких операцій на поверхні планети, не кажучи вже про інтенсивне випромінювання сонячних променів.

Ці умови навколишнього середовища створюють проблеми для робототехніки, починаючи від коливань температури, які викликають механізми розширюються та звужуються, а тому з часом зношуються, пил потрапляє в шестерні, що перешкоджає використанню відкритих мастило.

«Це дуже унікальне та екстремальне середовище, навіть для космічної робототехніки», — сказав Аль Тадрос, віце-президент з космосу. Інфраструктура та цивільний простір у Maxar Technologies, компанії, яка створює роботизовані руки для Марсоходи NASA. Роботизовані руки Maxar мають бути здатні не тільки виживати в цьому суворому середовищі, але й виконувати такі завдання, як копання та буріння, що дозволяє проводити наукові дослідження.

Ще один фактор – обмеження ваги. Коли деталь потрібно доставити на Марс за допомогою ракети, кожен окремий грам потрібно враховувати та враховувати, а це вимагає ретельного вибору матеріалів. «Багато в тому, що ми робимо, використовуються різні типи алюмінію», — пояснив Тадрос. «Ми також використовуємо титан, а в деяких випадках — вуглецеве волокно, залежно від застосування». Інші прийоми для зниження ваги включають видалення секції, які не повинні бути настільки структурно міцними, як-от довжина роботизованої руки, яку можна зробити зі стільникового матричного композиту трубки.

Дозвольте роботам самостійно досліджувати

Коли марсохід буде доставлено на поверхню Марса, він зможе почати дослідження. Однак через відстань від Землі інженери не можуть безпосередньо керувати марсоходами. Натомість роботи мають певну автономію у своїх дослідженнях, а NASA здійснює наглядове командування.

«Вони можуть сказати марсоходу пройти п’ять метрів у цьому напрямку», — наводить приклад Тадрос. Якщо виникне проблема з виконанням цієї команди, марсохід зупиниться та чекатиме додаткових інструкцій. «У цьому сенсі це досить елементарно. Але в майбутньому ми хочемо мати автономію на борту, щоб марсохід розпізнав: «О, мені сказали пройти п’ять метрів, але тут є камінь». Я обійду в цьому напрямку, бо знаю, що місцевість відкрита».

Маючи карту та знання місцевості, марсоходи зможуть здійснювати самонавігацію. Зрештою вони навіть зможуть виконувати наукові дослідження автономно, тому вченим потрібно буде лише вказати команду на кшталт «знайти цей вид каменю», і марсохід зможе знайти та проаналізувати зразок. Така автономія вже планується в рамках майбутньої місячної місії НАСА разом з Марсохід VIPER, - сказав Тадрос. «Це буде проводити швидку розвідку, розглядати та характеризувати реголіт і скелі, щоб шукати лід та інші матеріали».

З робототехнікою, як-от VIPER і ін Марскоптер запуск як частина проекту Марс 2020, ми можемо очікувати, що машини будуть розвідувати та досліджувати Марс, дізнатися про місцеві ресурси та небезпеки, які допоможуть або перешкодять виживанню людей на планета.

Створення системи позиціонування Марса

Першим кроком до колонізації є знання того, де люди можуть безпечно приземлитися на Марсі та де вони можуть знайти необхідні їм ресурси. Але справжня різниця між візитом і тривалим перебуванням на іншій планеті полягає в інфраструктурі. Нам потрібно буде знайти спосіб забезпечувати базові життєві потреби в екологічно чистий спосіб, від води до комунікацій і створення середовищ існування.

Одним із методів створення ранньої інфраструктури є використання малих супутників або малих супутників. «Якщо ви думаєте про колонізацію Марса, малі супутники створюють інфраструктуру для колонії», — сказав Бред Кінг, генеральний директор Orbion, компанії, що створює більш ефективні силові установки для невеликі супутники. «Нам потрібні комунікаційні мережі на Марсі, як між двома точками на Марсі, так і з Марса назад на Землю. На Землі ми вирішили багато з цих проблем за допомогою орбітальних супутників навколо нашої планети».

Малі супутники могли б виконувати подібні функції на Марсі, встановивши марсіанський еквівалент GPS – ми могли б назвати це системою позиціонування Марса. Вони також можуть розвідувати поверхню планети, готуючи територію для прибуття людей.

Як дістатися від А до Б

Проблема полягає в тому, щоб доставити супутники із Землі на Марс доступним способом. Традиційно кораблі переміщувалися в космосі за допомогою хімічного двигуна, тобто спалювання палива для створення тяги. Це чудовий спосіб створити велику тягу, таку як тяга, необхідна для того, щоб ракета покинула атмосферу Землі та вилетіла в космос. Але для цього потрібна величезна кількість палива, до такої міри, що найбільша частина сучасних ракет — це просто паливний бак.

Дешевшою альтернативою для пересування в космосі є електричний двигун, який використовує сонячну енергію для викиду інертної речовини, як ксенон, із задньої частини корабля. Цей метод дуже економічний, що дозволяє долати великі відстані з дуже невеликою кількістю палива. Недоліком є ​​те, що цей метод руху має низьку тягу, тому прибуття до пункту призначення займає більше часу. Відправлення корабля із Землі на Марс за допомогою електричного двигуна може зайняти кілька років, у порівнянні з хімічним двигуном, з яким подорож триватиме від шести до дев’яти місяців.

Однак цей принцип стосується не лише малих безпілотних кораблів. Очевидна перевага електричної тяги полягає в тому, що вона дуже ефективно розширюється: «Технологія електричної тяги працює краще, чим більше вона стає», – сказав Кінг. «В принципі, немає нічого, що обмежує розширення електричної тяги для дуже великих місій з екіпажем. Ви просто починаєте стикатися з економічними перешкодами, тому що будуєте корабель розміром з Battlestar Galactica, щоб дістатися туди».

Електричний двигун використовувався в таких проектах, як корабель Японського космічного агентства «Хаябуса», який нещодавно відвідав віддалений астероїд. Рюгу. І в майбутніх проектах є більше планів щодо кораблів з електричним рухом, таких як силовий і рушійний елемент (PPE) модуль станції NASA Lunar Gateway, який використовує сонячну електричну тягу та буде втричі потужнішим за поточні можливості.

Їхати в автобусі

Запуск і посадка на планети все ще вимагатимуть хімічного двигуна, але подорож між ними можна зробити набагато ефективнішою. Кінг припускає, що непропульсивний транспортний засіб екіпажу або вантажний транспортний засіб можна вивести на велосипедну орбіту, яка проходить повз Землю та Марс. «Тоді ви можете по суті відправити речі і «поїхати на автобусі» на Марс, не вимагаючи жодного двигуна», – пояснив він. Подібна система вже використовувалася для Космічний телескоп Кеплер, який використав дуже мало палива після запуску на геліоцентричну орбіту, що слідує за Землею.

Звичайно, потрапити із Землі на Марс – це лише частина подорожі. Коли корабель прибуває на Марс, йому потрібно сповільнити швидкість і вийти на орбіту. Щоб уповільнити судно, зазвичай існує два методи: використання реверсивних двигунів, які потребують палива, та аерогальмування. Останній – це місце, де корабель занурюється в зовнішню атмосферу Марса, використовуючи аеродинамічний опір, щоб зменшити енергію апарату настільки, щоб, вийшовши з атмосфери, він міг вийти на орбіту.

Концепція електричного двигуна була дещо маргінальною протягом останніх кількох десятиліть, але з цими новими проектами вона перейшла в мейнстрім. «Зараз це застосовується у великих масштабах — це як перехід повітряного транспорту з гвинтових літаків на реактивні», — сказав Кінг.

Датчики та ШІ

Тож ми можемо відправити роботів для розвідки поверхні та супутників для створення інфраструктури. Ми навіть могли б переміщати величезні споруди, такі як місця проживання, у космосі, використовуючи мінімальну кількість палива за допомогою електричної тяги. Але проблеми, пов’язані з колонізацією Марса, виникають не лише тоді, коли люди фактично живуть на планеті. Однією з головних проблем є те, як можна підтримувати середовища проживання та структури протягом тривалого періоду часу, протягом якого вони будуть незайнятими. Заплановані проекти, наприклад, станція NASA Lunar Gateway, ймовірно, будуть зайняті лише від 20 до 30 відсотків часу, і ми можемо очікувати подібні або навіть нижчі показники заповнення потенційного Марса середовища існування.

Позапланетні середовища існування повинні мати можливість контролювати себе та виправляти себе, особливо коли найближча людина знаходиться за мільйони миль. А для цього потрібен ШІ.

Система, нещодавно запущена на Міжнародну космічну станцію, може стати основою для моніторингу середовища проживання штучним інтелектом. Bosch Система SoundSee складається з корисного навантаження, що містить 20 мікрофонів, камеру та датчик навколишнього середовища для реєстрації температури, вологості та тиску. Ці датчики збирають дані про навколишнє середовище, особливо акустичну інформацію, яку можна використовувати для позначення проблем.

«Якщо ви уявите, що на станції стався витік, виникнуть не тільки ультразвукові сигнали, але й втрата тиску», — пояснив дослідник Bosch Джонатан Макоскі. «Якщо ми бачимо і втрату тиску, і ультразвуковий тон, і інші фактори, це конкретний спосіб виявлення проблеми».

Звичайно, витік на МКС був би гучним, очевидним і драматичним. Але багато несправностей машин, особливо в безпілотних середовищах, пов’язані з поступовою деградацією з часом. За словами головного дослідника SoundSee Самарджита Даса, штучний інтелект можна використовувати, щоб відчути ці речі, не додаючи більше або кращих датчиків, а скоріше за рахунок ефективнішого використання даних датчиків для пошуку тонких візерунки.

«Машини не просто відразу ламаються від хороших до поганих», — сказав Дас. «З часом відбувається поступове зношення. Подумайте про систему, яку ви можете контролювати на МКС, як бігову доріжку. Шестерні всередині повільно руйнуються з часом у міру використання. Ми, як люди, не можемо почути, що щось йде не так, але коли ви з часом переводите це в дані, ШІ може помітити ці тонкі зміни у відхиленнях від норми».

Не уявляйте, що майбутні кораблі та середовища проживання повністю контролюються штучним інтелектом, або, що ще гірше, червоним штучним інтелектом, таким як HAL 2001 року. «Сенсори та штучний інтелект не замінять повністю людей і не автоматизують все», — сказав Дас. «ШІ — це лінія захисту». Макоскі погодився: «Ми розглядаємо штучний інтелект як інструмент, який дозволяє створювати нові речі так само, як мікроскоп дозволив людям дивитися на мікроскопічні організми».

Колонізація Марса можлива

З усіма цими труднощами з навколишнім середовищем і матеріально-технічним забезпеченням може здатися, що відправка людей на Марс взагалі є далекою справою, не кажучи вже про створення там будь-якої постійної чи напівпостійної бази. Незважаючи на те, що це серйозні виклики, рішення існують у формі штучного інтелекту, робототехніки та методів руху, які зараз тестуються для використання в майбутніх космічних проектах.

«Я вважаю, що колонізація Марса — це не технологічна проблема, це економічна проблема», — сказав Кінг. «Якби ми мали ресурси, щоб витратити, ми знаємо, що потрібно будувати, і ми знаємо, як це будувати. Але сума доларів чи євро, яка потрібна для цього, лякає».

Маючи достатнє фінансування, у нас є знання, щоб розпочати створення систем зв’язку, забезпечення транспорту та створення середовища проживання на Марсі. Кінг упевнений, що це може статися навіть протягом нашого життя: «Враховуючи необмежені ресурси, ми могли б створити цю інфраструктуру за десятиліття».

Рекомендації редакції

• Цей дивовижний робот, що змінює форму, одного разу може відправитися на Марс
• Зустрічайте кардинального робота, який може ідеально імітувати будь-який кидок людини
• Водна карта Марса може допомогти вибрати місця для майбутніх місій
• NASA хоче вашої допомоги, щоб розгадати незмінну таємницю Марса
• Останній штрих: як вчені надають роботам людські тактильні відчуття