L'année est 2038. Après 18 mois de vie et de travail à la surface de Mars, une équipe de six chercheurs monte à bord du vaisseau spatial et retourne sur Terre. Il n'y a plus une seule âme vivante sur la planète, mais le travail ici ne s'arrête pas une minute. Des robots autonomes continuent d'extraire des minéraux et de les livrer pour traitement à une usine de synthèse chimique qui a été construite plusieurs années avant que les humains ne mettent le pied sur Mars. L'usine produit de l'eau, de l'oxygène et du carburant pour fusées à partir de ressources locales, préparant régulièrement les fournitures pour la prochaine expédition, qui arrivera ici dans deux ans.
Cette usine robotique n'est pas de la science-fiction. Il s'agit d'un projet sur lequel plusieurs équipes scientifiques de l'agence aérospatiale de la NASA travaillent actuellement. L'un d'eux, Swamp Works, travaille au Kennedy Space Center en Floride. L'installation qu'ils développent officiellement s'appelle un système d'utilisation des ressources in situ (ISRU), mais les personnes qui y travaillent ont tendance à l'appeler une usine de poussière parce qu'elle transforme la poussière ordinaire en carburant de fusée. Ce système permettra un jour aux humains de vivre et de travailler sur Mars, ainsi que de revenir sur Terre si nécessaire.
Pourquoi synthétiser quoi que ce soit sur Mars? Pourquoi ne pas simplement y apporter tout ce dont vous avez besoin depuis la Terre? Le problème est le coût de ce plaisir. Selon certaines estimations, la livraison d'un kilogramme de charge utile (par exemple, du carburant) de la Terre à Mars - c'est-à-dire mettre ce kilogramme en orbite terrestre basse, l'envoyer sur Mars, ralentir le vaisseau spatial lorsqu'il entre sur l'orbite de la planète et enfin atterrir en toute sécurité à la surface - sera nécessaire. brûler 225 kilogrammes de carburant pour fusée. Le rapport 225: 1 est toujours efficace. Dans ce cas, les mêmes chiffres seront typiques lors de l'utilisation de n'importe quel vaisseau spatial. Autrement dit, pour livrer la même tonne d'eau, d'oxygène ou d'équipement technique à la planète rouge, 225 tonnes de carburant de fusée devront être brûlées. La seule façon de vous épargner une arithmétique aussi coûteuse est de produire votre propre eau,oxygène ou le même carburant en place.
Plusieurs groupes de recherche et d'ingénierie de la NASA travaillent à résoudre divers aspects de ce problème. Par exemple, l'équipe Swamp Works du Kennedy Space Center a récemment commencé à assembler tous les modules individuels d'un système minier. L'usine est un des premiers prototypes, mais elle combine tous les détails nécessaires pour faire fonctionner une usine de dépoussiérage.
Le plan à long terme de la NASA vise à coloniser Mars, mais maintenant l'agence concentre toute son énergie et son attention sur la Lune. Ainsi, la vérification de la plupart des équipements en cours de développement sera d'abord effectuée sur la surface lunaire, ce qui à son tour résoudra tous les problèmes possibles afin de les éviter à l'avenir lors de l'utilisation de l'installation sur Mars.
La poussière et la saleté sur un corps spatial extraterrestre sont généralement appelées régolithe. Dans un sens général, il s'agit d'une roche volcanique qui, sur plusieurs millions d'années, sous l'influence de diverses conditions météorologiques, s'est transformée en une poudre fine. Sur Mars, sous une couche de minéraux de fer corrosifs qui donnent à la planète sa célèbre teinte rougeâtre, se trouve une épaisse couche de structures de silicium et d'oxygène combinées avec du fer, de l'aluminium et du magnésium. L'extraction de ces matériaux est une tâche très difficile, car les réserves et la concentration de ces substances peuvent varier d'une région de la planète à l'autre. Malheureusement, cette tâche est encore compliquée par la faible gravité de Mars - creuser dans de telles conditions, en profitant de l'avantage de la masse, est beaucoup plus difficile. Sur Terre, nous utilisons généralement de grosses machines pour l'exploitation minière. Leur taille et leur poids vous permettent de faire suffisamment d'efforts pour «mordre» dans le sol. Porter un tel luxe sur Mars serait totalement inadmissible. Vous vous souvenez du problème de coût? Avec chaque gramme envoyé sur Mars, le prix de la totalité du lancement augmentera régulièrement. Par conséquent, la NASA travaille sur la façon d'extraire des minéraux sur la planète rouge à l'aide d'un équipement léger.
Pelle spatiale. La NASA développe une pelle robotique avec deux godets à tambour opposés tournant dans des directions opposées l'un de l'autre. Cette approche permettra à la machine de fonctionner dans des conditions de faible gravité et éliminera le besoin de forces importantes.
Rencontrez RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), un mineur autonome conçu dans le seul but de creuser des régolithes dans des environnements à faible gravité. Lors du développement du RASSOR (lu comme "razor" - de l'anglais "blade"), les ingénieurs de la NASA ont accordé une attention particulière à son système d'entraînement. Ces derniers sont constitués de moteurs, réducteurs et autres mécanismes qui constituent l'essentiel de l'ensemble de l'installation. Il utilise des moteurs sans cadre, des freins électromagnétiques et, entre autres, des boîtiers en titane imprimés en 3D pour minimiser le poids et le volume globaux de la structure. En conséquence, le système a environ la moitié du poids par rapport à d'autres disques avec des spécifications similaires.
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Pour creuser, RASSOR utilise deux godets à tambour opposés, chacun équipé de plusieurs dents pour saisir le matériau. Lorsque la machine est en mouvement, les godets à tambour tournent. Les actionneurs qui les maintiennent sont abaissés et les tambours, creux à l'intérieur, coupent littéralement la couche supérieure du régolithe de surface. En d'autres termes, la moissonneuse ne ramasse que la couche supérieure du matériau, plutôt que de creuser plus profondément. Une autre caractéristique clé de RASSOR est la conception du boxer - les tambours tournent dans des directions différentes. Cela élimine le besoin de beaucoup d'efforts pour tirer le sol dans des conditions de faible gravité.
Dès que les fûts RASSOR sont pleins, le robot arrête la collecte et se dirige vers l'usine de recyclage. Pour décharger le régolithe, la machine fait simplement tourner les tambours dans la direction opposée - le matériau tombe à travers les mêmes trous dans les tambours à travers lesquels il a été collecté. L'usine dispose de son propre bras de levage robotisé qui récupère le régolithe livré et l'envoie au tapis de chargement de l'usine, qui à son tour livre le matériau au four sous vide. Là, le régolithe sera chauffé à des températures élevées. Les molécules d'eau contenues dans le matériau seront soufflées par un ventilateur à gaz sec puis collectées à l'aide d'un thermostat de refroidissement.
Vous vous demandez peut-être: "Le régolithe martien n'est-il pas sec à l'origine?" Sec, mais pas partout. Tout dépend de l'endroit et de la profondeur à laquelle vous creusez. Dans certaines régions de la planète, il y a des couches entières de glace d'eau à quelques centimètres sous la surface. Encore plus bas, il peut y avoir de la chaux sulfatée et des grès, qui peuvent contenir jusqu'à environ 8 pour cent d'eau de la masse totale du massif.
Après condensation, le régolithe épuisé est renvoyé à la surface, où RASSOR peut le ramasser et l'amener à un endroit plus éloigné de l'usine. Ces «déchets» sont en fait un matériau très précieux car ils seront utilisés pour créer des structures défensives pour les colonies, ainsi que des routes et des sites d'atterrissage utilisant des technologies d'impression 3D, qui sont également en cours de développement à la NASA.
Le schéma de l'exploitation minière sur Mars en images:
Développement: Un robot à roues ramasse un régolithe avec des godets rotatifs avec des trous d'échantillonnage.
Transport: Les godets à tambour à rotation inverse déchargent le régolithe dans le bras robotique de l'usine.
Traitement: Pour extraire l'eau du régolithe, elle est chauffée dans un four, où l'électrolyse de l'hydrogène et de l'oxygène a lieu.
Transfert: Après avoir reçu un certain volume de substance, un autre bras robotique, équipé d'un système fermé de protection spécial, le charge sur le robot-citerne mobile.
Livraison: Le camion-citerne fournit de l'eau, de l'oxygène et du méthane aux habitations et les décharge dans des réservoirs de stockage à long terme.
Utilisation et stockage: les astronautes utiliseront de l'eau et de l'oxygène pour respirer et faire pousser des plantes; le carburant sera stocké sous forme de liquides cryogéniques pour une utilisation future.
Toute l'eau qui sera extraite du régolithe sera soigneusement purifiée. Le module de purification comprendra un système de filtration multiphase ainsi que plusieurs substrats de désionisation.
Le liquide ne sera pas seulement utilisé pour boire. Il deviendra un élément essentiel pour la production de carburant pour fusées. Lorsque les molécules H2O sont divisées par électrolyse en molécules d'hydrogène (H2) et d'oxygène (O2), puis comprimées et converties en liquide, il sera possible de synthétiser du carburant et un oxydant, qui sont le plus souvent utilisés dans les moteurs-fusées à propergol liquide.
Le défi réside dans le fait que l'hydrogène liquide doit être stocké à des températures extrêmement basses. Pour ce faire, la NASA souhaite convertir l'hydrogène en carburant le plus facile à stocker: le méthane (CH4). Cette substance peut être obtenue en combinant l'hydrogène et le carbone. Où trouver du carbone sur Mars?
Heureusement, il y en a beaucoup sur la planète rouge. L'atmosphère martienne est composée de 96% de molécules de dioxyde de carbone. Capturer ce carbone est la tâche d'un congélateur dédié. En termes simples, cela créera de la glace sèche à partir de l'air.
Ayant reçu de l'hydrogène par électrolyse et extrait du gaz carbonique de l'atmosphère, à l'aide d'un processus chimique - la réaction de Sabatier - ils peuvent être combinés en méthane. Pour cela, la NASA développe un réacteur spécial. Cela créera la pression et la température nécessaires pour soutenir la conversion de l'hydrogène et du dioxyde de carbone en méthane et en eau comme sous-produit.
Un autre détail intéressant de l'usine de traitement est le bras robotique ombilical pour le transfert de liquides vers le camion-citerne d'un camion-citerne mobile. La particularité de ce système est qu'il est spécialement protégé de l'environnement extérieur et, en particulier, de la poussière. La poussière régolithique est très fine et peut pénétrer presque partout. Étant donné que le régolithe lui-même est constitué de roche volcanique émiettée, il est très abrasif (il s'accroche littéralement à tout), ce qui peut créer de graves problèmes pour le fonctionnement de l'équipement. Les missions lunaires de la NASA dans le passé ont montré à quel point cette substance est dangereuse. Il a violé les lectures de l'électronique, conduit au blocage des mécanismes et est également devenu la cause de dysfonctionnements dans les régulateurs de température. Protection des canaux de transmission électriques et liquides du bras robotique, ainsi que de toute électronique très sensible,est l’une des plus hautes priorités des scientifiques.
Programmation d'un bras robotique ombilical pour se connecter à un pétrolier mobile. Le manipulateur sera utilisé pour ravitailler les camions-citernes en carburant liquide, en eau et en oxygène.
De chaque côté de la chambre ombilicale, montée sur un bras robotisé, il y a des portes qui agissent comme des sas d'air pour empêcher la poussière de pénétrer dans tous les canaux internes. Trois étapes sont nécessaires pour connecter la chambre au mécanisme du camion-citerne: Premièrement, après avoir rempli la chambre, les portes doivent être bien fermées des deux côtés pour créer une barrière anti-poussière protectrice. Deuxièmement, dans chacune des portes de la chambre ombilicale, il est nécessaire d'ouvrir de petits trous d'étanchéité à travers lesquels un accès aux canaux de transfert de ressources installés sur une plaque mobile spéciale sera fourni. Troisièmement, il est nécessaire d'aligner la position des canaux de transmission de la chambre ombilicale et des canaux pour recevoir le matériau par le mécanisme du camion-citerne, en connectant avec précision les connecteurs électriques et liquides.
Le bras robotique de l'usine de traitement de carburant placera la chambre ombilicale sur le robot-citerne mobile, puis déchargera les matériaux produits. Le système de remplissage dans ce cas sera très similaire aux stations-service sur Terre, mais avec l'essence, il pompera de l'eau. Ou de l'oxygène liquide. Ou du méthane liquide. Ou tout à la fois.
Récemment, les ingénieurs impliqués dans le développement de ce projet ont réalisé un test de démonstration de l'installation en Floride. A ce stade, les scientifiques ont dû recourir à la modélisation des procédés d'électrolyse et du four lui-même pour réduire les coûts et la complexité de l'installation. De plus, une simulation a été réalisée pour obtenir trois produits transformés à l'eau. Mais dans ce cas, des prototypes matériels et logiciels ont déjà été utilisés pour toutes les parties de l'installation.
En rassemblant toutes les pièces, les ingénieurs de Swamp Works ont été en mesure de déterminer la présence de certains problèmes dans la conception, ainsi que d'identifier certains détails importants qui ne seraient pas possibles pour déterminer si de tels tests ont déjà été effectués dans les dernières étapes de développement et d'intégration. Selon les développeurs, le prototypage rapide et l'intégration précoce sont une approche distinctive du travail de leur équipe. Grâce à cela, vous pouvez connaître rapidement la performance d'une idée, ainsi que toutes les lacunes existantes à un stade précoce.
L'essence de l'usine martienne de carburant pour fusée est que tout cet équipement sera emballé dans une petite boîte pratique, livré à la planète rouge, puis déballé seul et commencera à accomplir sa tâche bien avant l'arrivée des premières personnes sur Mars. Le développement des missions habitées vers Mars dépendra de l'efficacité de cette usine autonome. Après tout, sans cela, les gens ne pourront pas revenir sur Terre à la fin de leur montre. En outre, la NASA dispose également d'équipes qui travaillent à la culture de toutes sortes d'aliments (y compris les pommes de terre). La nouvelle récolte devrait être cultivée, toujours de manière autonome, lors de l'envoi de personnes sur Mars et de leurs vols de retour sur Terre, afin que les gens aient toujours une récolte fraîche.
En général, le projet est vraiment gigantesque et nécessite une préparation minutieuse.
La NASA possède une vaste expérience des rovers et des atterrisseurs autonomes sur Mars. Par exemple, les rovers martiens les plus récents - Curiosity, qui a atterri sur la planète rouge en 2012 et Mars 2020, qui s'y rendra en 2020 - ont et auront un haut niveau d'autonomie. Cependant, la création, la livraison et l'utilisation de l'usine de fusée et de carburant martienne à long terme et avec le niveau maximum d'autonomie nécessiteront l'utilisation de technologies qui porteront l'ingénierie spatiale à un tout autre niveau.
Pour tester le robot excavateur, la NASA utilise une zone fermée remplie de plus d'une centaine de tonnes de roche volcanique concassée. Les minéraux servent de contrepartie à la poussière martienne la plus fine et la plus abrasive.
Pour commencer la colonisation spatiale, les scientifiques et les ingénieurs doivent résoudre de nombreux problèmes techniques. Par exemple, il est très important de déterminer si chaque sous-système en cours de développement dans une installation d'extraction de ressources naturelles martienne est adapté à une mise à l'échelle. Sera-t-elle en mesure de répondre à tous les besoins et d'atteindre le niveau de capacité qui lui sera demandé dans le cadre de missions habitées sur la planète rouge.
Selon des estimations récentes des spécialistes de la NASA, un tel système devrait produire dans environ 16 mois environ 7 tonnes de méthane liquide et environ 22 tonnes d'hydrogène liquide. Sur cette base, pour un rendement maximal, il est nécessaire de déterminer très précisément les endroits les plus appropriés pour déployer une usine pour la collecte et le traitement des ressources. En outre, il est nécessaire de calculer le nombre de pelles RASSOR qui devront être livrées sur Mars, ainsi que le nombre d'heures de travail par jour nécessaires pour atteindre un plan de production donné. En fin de compte, vous devez comprendre la taille d'un congélateur pour le carbone, le réacteur Sabatier, et la quantité d'énergie consommée par tout cela.
Les scientifiques doivent également anticiper les éventuels problèmes de force majeure qui peuvent interférer avec l'extraction et le traitement des ressources, retardant potentiellement l'envoi de la prochaine expédition sur la planète rouge. Il est nécessaire d'évaluer tous les risques possibles associés à ces problèmes et de développer à l'avance les moyens corrects et rapides de les résoudre, en équipant éventuellement le système d'éléments redondants pour remplacer temporairement l'équipement défaillant.
Il est nécessaire de s'assurer que les technologies robotiques peuvent maintenir les activités opérationnelles sans interruption et le besoin de maintenance pendant plusieurs années, de sorte que leur développement sera effectué dans le strict respect des normes établies. Par exemple, il sera nécessaire de minimiser la quantité de pièces mobiles utilisées. Ainsi, il sera possible de minimiser l'effet de la poussière de régolithe sur l'efficacité de l'ensemble du système. Si nous abordons le problème de l'autre côté et commençons à développer des pièces mobiles avec une résistance plus élevée à la poussière, cela compliquera non seulement l'ensemble du système dans son ensemble, mais ajoutera également un poids supplémentaire, ce qui, comme déjà mentionné, équivaut à l'or.
Les scientifiques doivent également déterminer comment et dans quelles proportions le régolithe fin et solide est mélangé à de la glace sous la surface de Mars. Ces données vous aideront à préparer plus efficacement les excavatrices pour l'extraction des ressources. Par exemple, la version actuelle du godet RASSOR est la mieux adaptée pour collecter un régolithe mélangé à de la glace en morceaux. Cependant, cette conception sera moins efficace lorsqu'il est nécessaire de «mordre» dans de plus grandes couches de glace solide. Afin de développer un équipement plus adapté, il est nécessaire d'obtenir une compréhension précise de la répartition de la glace sur la Jument. Une autre option consiste à développer un équipement plus solide, plus complexe, plus lourd et plus polyvalent qui peut gérer tout type de densité de sol et de glace. Mais, encore une fois, c'est un gaspillage supplémentaire.
Il est néanmoins nécessaire de résoudre les problèmes liés au stockage prolongé des liquides surfondus. Les technologies de stockage de substances et de matériaux sous haute pression s'améliorent constamment, mais les technologies modernes peuvent-elles fonctionner longtemps à la surface de Mars?
En général, dans les années à venir, les scientifiques de la NASA traiteront toutes ces questions problématiques. Les ingénieurs de Swamp Works, quant à eux, continueront d'améliorer l'efficacité et la disponibilité de tous les composants développés de leur système. Les excavatrices devraient être encore plus résistantes et plus légères. Après cela, il est prévu de commencer à les tester dans des conditions créées artificiellement et aussi proches que possible des conditions martiennes. Les scientifiques souhaitent également améliorer la qualité et l'efficacité du four, du système d'électrolyse et développer un modèle évolutif du réacteur Sabatier et de l'usine de réfrigération pour la production de carbone. Les développeurs sont convaincus que la solution de ces problèmes et de nombreux autres conduira au fait que le prototype de dépoussiérage cessera d'être un prototype et, à la fin, s'engagera dans un véritable travail sur la surface de Mars.fournir aux futurs colons toutes les ressources nécessaires à la vie.
Nikolay Khizhnyak
