Wie die NASA dabei, extrahieren Mineralien auf dem mars?

Jahr 2038-TEN. Nach 18 Monaten Leben und arbeiten auf der Oberfläche des mars ein Team von sechs Forschern setzt sich zurück in das Raumschiff und auf die Erde zurück. Auf dem Planeten gab es nicht eine lebendige Seele, aber die Arbeit hier nicht für eine Minute zu stoppen. Autonome Roboter weiterhin die Gewinnung von Bodenschätzen und liefern Sie in die Fabrik für die Verarbeitung von chemischen Synthese, die gebaut wurde für ein paar Jahre, bevor die auf dem mars die ersten Europäer den Fuß des Menschen. Die Fabrik produziert aus regionalen Ressourcen von Wasser, Sauerstoff sowie Raketentreibstoff, Routine bereitet Vorräte für die nächste Expedition, die hier in zwei Jahren.

Diese Roboter-Fabrik ist kein Science-Fiction. Das Projekt, an dem derzeit arbeiten mehrere wissenschaftliche Teams Raumfahrtbehörde NASA. Einer von Ihnen, Swamp Works, arbeitet im Kennedy Space Center in Florida. Offiziell entwickelt Sie die Installation als «System der Verwertung von Ressourcen in situ» (ISRU), aber die Menschen, die über Ihr arbeiten gewohnt sind, bezeichnen пылеулавливающей einer Fabrik, weil Sie recycelt normale Staub in Raketentreibstoff. Dieses System einmal lassen Menschen Leben und arbeiten auf dem mars, und bei Bedarf auch wieder zurück auf die Erde.

Warum überhaupt etwas auf dem mars zu synthetisieren? Warum einfach nicht bringen alles dorthin mit der Erde? Das Problem der Kosten für dieses Vergnügen. Nach einigen Schätzungen Lieferung von einem Kilogramm Nutzlast (Z. B. Kraftstoff) von der Erde zum mars — das heißt, wir schließen dieses Kilogramm in eine niedrige Erdumlaufbahn aus, senden Sie es an mars, der Verzögerung beim verlassen des Raumschiffes in die Umlaufbahn des Planeten und schließlich eine sichere Landung auf der Oberfläche – müssen brennen 225 Kilogramm Raketentreibstoff. Verhältnis von 225:1 – ta noch die Wirksamkeit. Dabei werden die gleichen zahlen gekennzeichnet werden, wenn Sie mit jedem Raumschiff. Das heißt, für die Lieferung der gleichen Tonnen von Wasser, Sauerstoff oder technischen Anlagen auf dem Roten Planeten verbrennen müssen 225 Tonnen Raketentreibstoff. Der einzige Weg, sich zu befreien, so teuer Arithmetik – eigene Herstellung von Wasser, Sauerstoff oder gleichen Brennstoff auf dem Gelände.

Mehrere Forschungs-und Engineering-Teams bei der NASA arbeiten an einer Lösung der verschiedenen Aspekte dieses Problems. Zum Beispiel, Swamp Team Works vom Kennedy Space Center kürzlich begann die Montage aller einzelnen Module des Systems Bergbau. Die Installation ist ein früher Prototyp, aber vereint alle Details, die erforderlich sind, um die Arbeit пылеулавливающей Fabrik.

Ein Langfristiger Plan der NASA zielt auf die Kolonisierung des mars, aber jetzt Agentur сконцентрировало alle Ihre Energie und Aufmerksamkeit auf dem Mond. So überprüfen größten Teil des entwickelten Hardware durchgeführt werden, wird zuerst auf der Mondoberfläche, was wiederum zu lösen alle mögliche Probleme zu vermeiden, dass Sie in der Zukunft bei der Verwendung der Installation auf dem mars.

Staub und Schmutz auf der Außerirdischen kosmischen Körper genannt реголитом. In einem Allgemeinen Sinn die Rede von vulkanischem gestein, das in ein paar Millionen Jahren unter dem Einfluss von verschiedenen Wetterverhältnissen entwickelte sich zu einem feinen Pulver. Auf dem mars unter einer Schicht korrosive Mineralien Eisen, geben die Planeten Ihre berühmten Rotstich, liegt eine Dicke Schicht von Silizium-und Sauerstoff-Strukturen, verbunden mit Eisen, Aluminium und Magnesium. Die Gewinnung dieser Materialien ist eine sehr schwierige Aufgabe, da die Vorräte und die Konzentration dieser Stoffe variiert von einem Bereich zu einem anderen Planeten. Leider ist diese Aufgabe noch komplizierter und der geringen Schwerkraft des mars – Graben unter solchen Bedingungen mit Vorteil der Masse viel schwieriger. Auf der Erde für die Gewinnung von Bodenschätzen verwenden wir in der Regel große Maschinen. Ihre Größe und Gewicht erlauben es machen genug Anstrengungen, um «Biss» in den Boden. Fahren auf dem mars solchen Luxus wird völlig unzulässig. Denken Sie daran, die Frage der Kosten? Mit jedem Gramm, die auf den mars geschickt werden, der Preis für den gesamten Start wird ständig zunehmen. Also bei der NASA arbeiten, wie um die Extraktion von Mineralien auf dem roten Planeten mit der Verwendung von leichtem Equipment.

Space Bagger. Die NASA entwickelt Roboter-Bagger mit zwei gegenüberliegenden Trommel-Eimer, Dreh in die entgegengesetzte Richtung voneinander. Dieser Ansatz ermöglicht es der Maschine zu arbeiten in einer Low-Gravity und beseitigt die Notwendigkeit in der Anwendung große Anstrengung

Lernen Sie, RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) – offline-Hauer entwickelte mit dem einzigen Ziel – Graben Regolith bei geringer Schwerkraft. Bei der Entwicklung RASSOR (sprich «рейзор» — aus dem englischen «Blade») NASA-Ingenieure besonderes Augenmerk auf seinem System Antriebe. Die letzten bestehen aus Motoren, getrieben und anderen Mechanismen, aus denen die Masse der gesamten Anlage. Hier werden rahmenlose Motoren, elektromagnetische Bremsen sowie, neben anderen Dingen, 3D-gedruckte Titan-Gehäuse – alles dafür, um das Gesamtgewicht zu minimieren und das Volumen der Konstruktion. Als Ergebnis das System hat etwa die Hälfte weniger Gewicht im Vergleich zu anderen Antrieben, die ähnliche technische Daten.

Zum Graben RASSOR verwendet zwei Oppositionellen Drum-bucket, jeweils mit mehreren Zähnen für die Aufnahme des Materials. Bei der Bewegung des Apparates Drum Schaufeln drehen sich. Antriebe, die Ihrehalten, fallen und Schlagzeug, im inneren hohl, im wahrsten Sinne schneiden Sie die Obere Schicht der oberflächlichen реголита. Mit anderen Worten, Harvester produziert Zaun nur der oberen Schicht des Materials, sondern gräbt tiefer. Ein weiteres wesentliches Merkmal RASSOR ist der Gegensatz-Entwurf – die Walzen drehen in verschiedenen Richtungen. Dies ermöglicht nicht gelten große Anstrengungen für den Zaun des Bodens bei geringer Schwerkraft.

Sobald die Trommeln RASSOR gefüllt, der Roboter beendet sammeln und bewegt sich in Richtung der verarbeitenden Fabrik. Zum entladen реголита Maschine dreht einfach die Walzen in die entgegengesetzte Richtung – fällt das Material durch die gleichen Löcher in den Walzen, durch die wurde seine Sammlung. Die Fabrik hat seine eigene Roboterhand-Sessellift sammelt die gelieferte Regolith und schickt ihn auf eine bootfähige Band-Fabrik, die wiederum liefert das Material in den Vakuumofen. Dort Regolith wird bis zu den hohen Temperaturen aufzuheizen. Im Material enthaltenen Wassermoleküle werden выдуваться trocken газодувкой, gesammelt und dann mit Hilfe des Thermostat.

Sie Fragen sich vielleicht: «ist es denn martian Regolith zunächst nicht trocken?». Trocken, aber nicht überall. Alles hängt davon ab, wo und wie tief man Graben. In einigen Gebieten der Welt, nur wenige Zentimeter unter der Oberfläche gibt es ganze Schichten Wasser-Eis. Noch niedriger sein können sernokislaya die Kalk-und Sandsteine, in denen sich möglicherweise bis zu etwa 8 Prozent des Wassers der gesamten Masse des Arrays.

Nach der kondensation im abluftstrom Regolith ausgestoßenen wieder an die Oberfläche, wo RASSOR kann ihn abholen und bringen in mehr entfernte Ort von der Fabrik. Diese «Abfälle» eigentlich sind ein sehr wertvolles Material, da aus ihm mit Hilfe der Technologie 3D-drucken, die im Moment auch in der NASA entwickelt, wird es möglich sein, das erstellen von Schutzbauten für Siedlungen sowie Straßen-und Landeplätze.

Das Schema der Gewinnung der Bodenschätze auf dem mars in Bildern:

Entwicklung: Rad-Roboter produziert Zaun реголита rotierenden Eimer mit забороными Löchern

Transport: drehen in umgekehrter Eimer-Trommeln Ausladen Regolith in den Roboterarm der Fabrik

Verarbeitung: Zum extrahieren von Wasser aus реголита erhitzt in einem Ofen, wo die Elektrolyse von Wasserstoff und Sauerstoff

Sendung: Nach Erhalt einer bestimmten Menge eines Stoffes, die andere Roboterhand, ausgestattete speziellen Schutz geschlossenes System, lädt es auf Mobile Roboter-Tanker

Lieferung: Tanker liefert Wasser, Sauerstoff und Methan in die Heimat der Menschen und entlädt Ihre Langzeitlagerung in Tanks

die Verwendung und Lagerung: die Astronauten werden mit Wasser und Sauerstoff für die Atmung, sowie Anbau von Pflanzen; Kraftstoff gespeichert wird, die in Form von kryogenen Flüssigkeiten für die zukünftige Nutzung

All das Wasser, das zutage gefördert wird der реголита, wird eine Gründliche Reinigung. Modul Reinigung besteht aus einem mehrstufigen Filtersystem, sowie mehrere деионизирующих Substrate.

Die Flüssigkeit wird nicht nur zum trinken. Es wird ein wesentlicher Bestandteil für die Produktion von Raketentreibstoff. Bei der Spaltung von Molekülen H2O durch Elektrolyse auf ein Molekül Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), dann Kompression und Umwandlung in der Flüssigkeit, werden Brennstoff und Oxidationsmittel zu synthetisieren, die am häufigsten verwendet in den flüssigen Raketentriebwerke.

Die Schwierigkeit besteht darin, dass flüssiger Wasserstoff gelagert werden muss bei extrem niedrigen Temperaturen. Die NASA will dazu verwandeln Wasserstoff in dem Brennstoff, der am einfachsten zu speichern: Methan (CH4). Diese Substanz erhält man durch die Verbindung von Wasserstoff und Kohlenstoff. Wo produzieren Kohlenstoff auf dem mars?

Zum Glück auf dem roten Planeten ist es sehr viel. Mars ist die Atmosphäre zu 96 Prozent besteht aus Molekülen Kohlendioxid. Die Erfassung dieser Kohlenstoff – Aufgabe einer speziellen Tiefkühltruhe Installation. Wenn einfache Worte sprechen, wird es schaffen aus der Luft Trockeneis.

Nachdem mit Hilfe der Elektrolyse Wasserstoff und Erwerb des Kohlenstoff-Gas aus der Atmosphäre, mit Hilfe des chemischen Prozesses, — Reaktionen Sabatier — Sie verbinden in Methan. Dazu die NASA entwickelt einen speziellen Reaktor. In ihm werden der notwendige Druck und Temperatur für die Aufrechterhaltung der Reaktion der Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxid in Methan und Wasser als Nebenprodukt.

Folgende interessante Einzelheit verarbeitenden Fabrik ist омбилическая Roboterhand für die übertragung von Flüssigkeiten zum Tank mobilen Tanker. Ungewöhnlich in diesem System ist, dass Sie in besonderer Weise von der Umgebung geschützt und insbesondere Staub. Реголитная Staub sehr klein und in der Lage ist das eindringen fast überall. Da der Regolith besteht aus раскрошившейся Vulkangestein, er ist sehr abrasiv (klammert sich buchstäblich an alles), das kann ein ernstes Problem für die Hardware. Mond-Missionen der NASA in der Vergangenheit zeigten, wie gefährlich diese Substanz ist. Es Verletzte / Elektronik, führte zur Blockierung der Mechanismen, und wurde die Ursache der Ausfälle in термоконтроллерах. Schutz von elektrischen und flüssigen übertragungen der Roboterhand, wie jeder sehr empfindliche Elektronik, ist für die Wissenschaftler eine der vorrangigen Aufgaben.

Programmierung омбилической Roboter-Hände zur Verbindungsherstellungder Tanker. Der Manipulator wird verwendet für die Betankung von Tankwagen mit flüssigem Brennstoff, Wasser und Sauerstoff

Auf jeder Seite омбилической Kamera, die auf Robotic Manipulator, sind die klappen, die wie die Luft-Gateways, schützt alle inneren Kanäle von Staub. Für die Verbindung der Kamera mit dem Mechanismus der Tanker erforderlich sind drei Schritte: Erstens, nach der Befüllung der Kammern erforderlich ist, sicher zu schließen der Tür von beiden Seiten, um eine schützende антипылевой Sperre. Zweitens, in jeder der Türen омбилической Kamera öffnen müssen kleine O-öffnungen, durch die zur Verfügung gestellt wird Zugang zu den Kanälen die übertragung von Ressourcen, der auf speziellen beweglichen Platte. Drittens, die Sie ausrichten möchten die Position übertragungskanälen омбилической Kamera-Kanäle und Aufnahme von Material-Mechanismus Tanker, genau die Kombination untereinander elektrische und flüssige connectors.

Robotic Manipulator топливоперерабатывающей Fabrik legt омбилическую die Kamera auf Mobile Roboter-Tanker, und dann entladen die produzierten Materialien. Füllsystem in diesem Fall wird sehr wie die Tankstellen auf der Erde, aber zusammen Benzin, es wird Wasser zu Pumpen. Oder Flüssigsauerstoff. Oder flüssiges Methan. Oder alle zusammen auf einmal.

Vor Kurzem Ingenieure, die sich mit der Entwicklung dieses Projektes, haben die Test-Installation Demonstration in Florida. In dieser Phase Wissenschaftler musste die Modellierung der Prozesse der Elektrolyse und der Ofen zur Reduzierung der Kosten und Komplexität der Anlage. Darüber hinaus wurde eine Simulation mit dem Erhalt des Wassers drei Nebenprodukte. Aber in diesem Fall wurden bereits Prototypen von Hardware-und Software-Tools für alle Teile der Installation.

Durch die Kombination alle Teile zusammen, Ingenieure Swamp Works konnten herauszufinden, ob Sie diesen oder jenen Problemen in der Gestaltung zu identifizieren sowie einige wichtige Details, die unmöglich wäre, festzustellen, ob solche Tests wurden bereits in den letzten Phasen der Entwicklung und Integration. Laut den Entwicklern, die schnelle Erstellung von Prototypen und frühe Integration sind unverwechselbare Herangehensweise an die Arbeit Ihres Teams. Dadurch können Sie schnell herausfinden, die Arbeitsfähigkeit dieser oder jener Ideen, sondern auch bestimmen alle Mängel noch in einem frühen Stadium.

Das Wesen des mars-Rakete-Kraftstoff-Fabrik besteht darin, dass alle diese Ausrüstung wird verpackt in einem praktischen kleinen Karton, auf dem Roten Planeten geliefert und dann selbst распакуется und beginnt mit der Ausführung seiner Aufgaben, lange bevor auf dem mars kommen die ersten Leute. Die Entwicklung der bemannten Expeditionen zum mars hängt von der Wirksamkeit dieser autonomen Fabrik. Denn ohne Sie die Menschen nicht in der Lage, wieder zurück auf die Erde nach Abschluss seiner Uhren. Darüber hinaus, auch bei der NASA arbeiten Teams, die sich mit den Anbau von verschiedenen Lebensmitteln (einschließlich Kartoffeln). Neue Ernte geplant wachsen wieder autonome Art und Weise während Abfertigung Menschen den mars und Ihr Flug zurück auf die Erde, um die Menschen immer wartete die frische Ernte.

Im Allgemeinen, das Projekt wirklich gigantisch und erfordert eine sorgfältige Vorbereitung.

Bei der NASA einen großen Vorrat von Erfahrung Autonomer Rover und Module Landung auf dem mars. Zum Beispiel die neuesten Rover – «Curiosity», landete auf dem Roten Planeten im Jahr 2012 und «mars 2020», die gehen dort im Jahr 2020 haben werden und haben ein hohes Maß an Autonomie. Allerdings ist die Einrichtung, die Lieferung und die Verwendung von mars-Rakete-Kraftstoff-Fabrik langfristig und mit dem höchsten Maß an Autonomie erfordert den Einsatz von Technologien bringen die kosmische Technik auf eine ganz neue Ebene.

Für Test Roboter-Bagger NASA verwendet eine geschlossene Plattform, buried mehr als hundert Tonnen fragmentiert Vulkangestein. Mineralien dienen als Analogon für kleinste und abrasive mars-Staub

Für den Beginn der kosmischen Kolonisation Wissenschaftler und Ingenieure zu lösen eine Vielzahl von technischen Aufgaben. Zum Beispiel ist es sehr wichtig, zu bestimmen, ob jede entwickelte Subsystem der Installation bei der Herstellung von natürlichen mars-Ressourcen für die Skalierung. Ob Sie erfüllen alle Bedürfnisse und gehen auf die Ebene der Bandbreite, die notwendig im Rahmen der bemannte Missionen auf den Roten Planeten.

Nach jüngsten Schätzungen von Experten der NASA, ein solches System in etwa 16 Monaten soll die Produktion um 7 Tonnen flüssigem Methan und etwa 22 Tonnen flüssigem Wasserstoff. Davon ausgehend, für eine maximale Wirkung zu erzielen, müssen Sie sehr genau bestimmen, die am besten geeigneten Orte für die Bereitstellung der Fabrik für die Sammlung und das Recycling von Ressourcen. Darüber hinaus müssen Sie berechnen, wie viel Baggern RASSOR müssen auf dem mars liefern, sondern auch wie viele Stunden am Tag müssen Sie arbeiten, um auf einen bestimmten Plan der Beute. Schließlich müssen verstehen, wie groß muss für Kohlenstoff Gefrieranlage, Sabatier-Reaktor, sondern auch wie viel das alles gut wird Energie verbrauchen.

Auch Wissenschaftler vorzusehen, die mögliche höhere Gewalt die Probleme, die verhindern können, Gewinnung und Verarbeitung von Ressourcen, potenziell aufgehalten Versand der nächsten Expedition auf dem Roten Planeten. Sie müssen alle möglichen Risiken zu bewerten, die sich mit diesen Problemen zu entwickeln und im Voraus korrekte und schnelle Lösungswege, vielleicht rüstet man das System der doppelten Elementenfür den vorübergehenden Ersatz der ausgefallenen Ausrüstung.

Sie Müssen sicherstellen, dass die Roboter-Technologien unterstützen die betriebliche Tätigkeit ohne Unterbrechung und der Notwendigkeit einer Wartung für ein paar Jahre, daher ist Ihre Entwicklung wird in strikter übereinstimmung mit festgelegten Standards. Beispielsweise müssen soweit wie möglich verringert das Volumen der verwendeten beweglichen Teile. So wird es möglich, die Auswirkungen реголитной Staub auf die Effizienz des gesamten Systems. Wenn dem Thema zu nähern und andererseits entwickeln beginnen bewegende Teile mit höherer Beständigkeit gegen Staub, dann ist es nicht nur komplizieren das gesamte System, sondern fügt Ihr übergewicht, die, wie bereits erwähnt, gleichbedeutend mit Gold.

Wissenschaftler auch herausfinden, auf welche Weise und in welchen Proportionen kleiner und fester Regolith vermischt mit Eis unter der Oberfläche des mars. Diese Daten helfen, effektiver vorzubereiten Bagger für die Gewinnung von Ressourcen. Zum Beispiel die aktuelle Version des Löffels RASSOR am besten geeignet für die Sammlung von реголита, gemischt mit einem Stück Eis. Jedoch ist dieses Design wird weniger wirksam bei Bedarf «Biss» in größere Schichten des festen Eises. Für die Entwicklung geeigneter Ausrüstung notwendig, einen genauen überblick über die Verteilung von Eis auf Mare. Andere Variante – zu entwickeln, ist viel robuster, komplexer, schwerer und vielseitige Geräte, die in der Lage, arbeiten mit jeder Art von Böden und Dichte des Eis-Schichten. Aber noch einmal, das sind unnötige Ausgaben.

Noch Fragen im Zusammenhang mit einer langen Lagerung сверхохлажденных Flüssigkeiten. Technologie Lagerung von Stoffen und Materialien unter hohem Druck ständig zu verbessern, aber ob die modernen Technologien arbeiten auf der Oberfläche des mars lange Zeit?

Im Allgemeinen, in den kommenden Jahren werden die NASA-Wissenschaftler, die alle diese Problemfragen. Ingenieure Swamp Works wiederum weiterhin die Effizienz zu steigern und die Bereitschaft aller entwickelten Komponenten Ihres Systems. Bagger planen, machen Sie noch stärker und leichter. Danach ist geplant, beginnen Ihre Studien in künstlich geschaffene und mars so nah wie möglich an den Bedingungen. Die Wissenschaftler wollen auch eine Verbesserung der Qualität und Effizienz der öfen, Elektrolyse-System und entwickeln skalierbare Modell des Reaktors Sabatier und Kälte-Anlagen zur Herstellung von Kohlenstoff. Die Entwickler sind zuversichtlich, dass die Lösung dieser und vieler anderer Aufgaben, wird dazu führen, dass пылесборочный Prototyp nicht mehr dem Stand der Technik und am Ende wird die echte Arbeit auf der Oberfläche des mars, wodurch die zukünftigen Kolonisten mit allen notwendigen Ressourcen für das Leben.

Diskutieren Sie die Entwicklung der mars-Bagger und ресурсоперерабатывающей Fabrik können .