Как НАСА будет использовать роботов для создания ракетного топлива из марсианской почвы

Инженеры строят прототип роботизированной фабрики, которая создаст воду, кислород и топливо на поверхности Марса.

Представление художника о роботах-экскаваторах, которые однажды могут заработать на Марсе, задолго до того, как первые люди ступят на планету

2038 год. После 18 месяцев жизни и работы на поверхности Марса команда из шести исследователей погружается на космическую транспортную ракету и отправляется на Землю. Люди не остаются, но работа продолжается без них: автономные роботы продолжат горнодобывающие работы и химический синтез, начатый ими за много лет до того, как эта первая пилотируемая миссия опустилась на планету. Фабрика выдаёт воду, кислород и топливное горючее, используя местные ресурсы, и она будет методично создавать все необходимые материалы для следующей марсианской миссии, которая прибудет через два года.

Эта роботизированная фабрика – не научная фантастика. В её разработке участвует множество команд НАСА. Одна из них – лаборатория Свамп-воркс в Космическом центре Кеннеди во Флориде, руководителем которой являюсь я. Официально она известна, как система локальной утилизации ресурсов (in situ resource utilization, ISRU), но нам нравится называть её «пылетопливной фабрикой» [dust-to-thrust], поскольку она превращает простую пыль в ракетное топливо. Когда-нибудь эта технология позволит людям жить и работать на Марсе – и вернуться на Землю, чтобы рассказать об этом.

Но зачем синтезировать вещества на Марсе, не проще ли доставить их с Земли? НАСА объясняет это «проблемой передаточных чисел». По некоторым оценкам, для доставки одного килограмма топлива с Земли на Марсе сегодняшним ракетам потребуется сжечь 225 кг горючего на перелёт – на выход на низкую орбиту Земли, полёт в сторону Марса, замедление для выхода на марсианскую орбиту, и замедление для безопасной посадки на поверхность. Мы начнём с 226 кг топлива и получим 1 кг, то есть передаточное число составляет 226:1. И это число не меняется, вне зависимости от того, что мы перевозим. Нам нужно будет 225 тонн горючего для перевозки тонны воды, тонны кислорода, тонны оборудования. Единственный способ обойти эту жестокую арифметику – создавать воду, кислород и горючее на месте.

Различные исследовательские и инженерные группы в НАСА работают над разными частями этой проблемы. Недавно наша команда Свамп-Воркс начала интегрировать многие отдельные работающие модули, чтобы продемонстрировать всю систему закрытого цикла. Это всё ещё прототип, но он демонстрирует все части, необходимые для превращения нашей пылетопливной фабрики в реальность. И хотя долговременный план – это полёт на Марс, промежуточным шагом станет Луна. Большую часть оборудования опробуют и подрегулируют сначала на лунной поверхности, уменьшив таким образом риски, связанные с её отправкой сразу на Марс.

Грязь или пыль на любом небесном теле обычно называют реголитом. Чаще всего это просто вулканический камень, который был разрушен или подвергся эрозии, превратившись со временем в мелкую пыль. На Марсе под слоем ржавеющих железосодержащих минералов, придающих планете её знаменитый красный оттенок, лежит более толстый слой таких силикатов, как полевые шпаты, пироксены и оливины – все они состоят из кремниевых и кислородных структур, связанных с такими металлами, как железо, алюминий и магний.

Добыча этих материалов осложняется тем, что их плотность и компактность меняется в зависимости от места на планете. Усложняет задачу ещё и низкая марсианская гравитация, из-за чего тяжело вгонять лопату в землю, не используя свой вес для противодействия. На Земле, копая почву, мы часто используем крупные механизмы, поскольку их тяжесть соответственно реагируют на силы, действующие на гораздо более мелкий ковш. Однако помните о передаточных числах: каждый килограмм, запускаемый на Марс, драгоценен, и обходится нам очень дорого. Поэтому нам необходимо придумать, как копать поверхность Марса при помощи очень легкого оборудования.

Космический землекоп: НАСА разрабатывает робот-экскаватор с противоположными барабанными ковшами, способными вгрызаться в почву, вращаясь в противоположном направлении. Такой подход нивелирует большую часть сил, необходимых для копания, что позволяет роботу работать при низкой гравитации.

И тут на сцену выходит RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot) [передовой реголитовый робот для поверхностных работ; произносится, как razor (англ. бритва) / прим. перев.]. Это автономное горнодобывающее устройство, предназначенное для выкапывания реголита в условиях низкой гравитации. При разработке RASSOR инженеры НАСА особое внимание уделили его системе передачи усилий. У роботов передача осуществляется посредством моторов, коробок передач и других механизмов, составляющих большой процент конечного веса системы. В нашей схеме мы используем бескорпусные двигатели, электромагнитные тормоза и распечатанные на 3D-принтере титановые корпуса, а также ещё много всего, для минимизации объёма и веса. Усилия оправдались: у нашей системы вес вполовину меньше, чем у коммерческих силовых систем со схожими характеристиками.

Для копания RASSOR использует два противоположных барабанных ковша, оснащённых несколькими небольшими зубастыми совками. Когда барабаны вращаются, а удерживающие их руки вгрызаются в почву, они подцепляют небольшое количество реголита в каждый совочек при его медленном движении вперёд. В результате получается неглубокая колея вместо глубокой дыры. Вращающиеся копательные барабаны внутри пустые, благодаря чему они могут собирать и хранить добытый реголит. Ещё одна ключевая особенность RASSOR состоит в том, что во время копания барабаны вращаются в противоположных направлениях. Такой подход нивелирует большую часть сил, необходимых для копания, что позволяет роботу работать при низкой гравитации.

Заполнив барабаны, RASSOR поднимает руки и едет к перерабатывающей фабрике. Для разгрузки реголита робот вращает барабаны в обратном направлении, и реголит сыпется из тех же совочков, которые его копали. Специальный подъёмник доставляет порцию реголита на платформу фабрики, перенося его в печку, которая герметично закрывается и начинает разогреваться. Соединённые с реголитом молекулы воды сдуваются вентилятором и собираются в конденсаторной трубе.

Вы, возможно, спросите, «А разве марсианский реголит не сухой?» Ответ – всё сложно. Всё зависит от того, где копать и как глубоко копать. В некоторых частях Марса, судя по всему, всего в нескольких метрах под поверхностью находятся сплошные пласты водяного льда. На нижних широтах есть дюны гипсового песка, в которых содержится до 8% воды.

Освобождённый от воды реголит сбрасывают на землю, чтобы RASSOR смог собрать его и увезти. Эти «отходы» можно использовать для строительства защитных структур, и даже дорог и посадочных площадок, используя методы 3D-печати, в данный момент находящиеся в разработке в НАСА.

Добыча: колёсный робот добывает реголит при помощи вращающихся барабанов, оснащённых зубастыми совками

Перевозка: вращая барабаны в обратном направлении, робот сбрасывает собранную породу в подъёмник

Переработка: печка разогревает реголит для извлечения воды, которую электролизом разделяют на H2 и O2. Используя реакцию Сабатье, H2 комбинируют с CO2, собранным в атмосфере, получая метановое горючее.

Перемещение: роботизированная рука с камерой, оснащённой герметичными дверьми, препятствующими проникновению пыли, перемещает жидкости в мобильную цистерну

Доставка: цистерна доставляет воду, кислород и метан в места обитания людей и баки длительного хранения.
Использование и хранение: космонавты потребляют воду и кислород, также используя их для выращивания растений. Топливо хранится в виде криогенных жидкостей для будущего использования.

Добытая из реголита вода очищается. В очистительном сооружении используется система многоступенчатой фильтрации вместе с деионизаторами.

Вода потребуется не только для питья: это также ключевой ингредиент ракетного топлива. Разделяя молекулы H2O при помощи электролиза на молекулы водорода H2 и кислорода O2, а потом сжимая и сжижая эти газы отдельно, можно синтезировать горючее и окислитель, чаще всего использующиеся в ракетных двигателях на жидком топливе.

Проблема в том, что жидкий водород необходимо хранить при чрезвычайно низких температурах. Поэтому НАСА планирует превращать водород в горючее, которое гораздо легче хранить: метан (CH4). Его можно получить, комбинируя водород с углеродом. Но где на Марсе взять углерод?

К счастью, на Марсе полно углерода. Марсианская атмосфера на 96% состоит из двуокиси углерода. За сбор углерода отвечает замораживатель двуокиси углерода; он, по сути, изготавливает сухой лёд из воздуха.

Собрав водород из электролизера и двуокись углерода из атмосферы, мы можем скомбинировать их в метан благодаря такому химическому процессу, как реакция Сабатье. Особый реактор, разрабатываемый в НАСА, создаёт необходимые для поддержки реакции давление и температуру, в результате чего водород и двуокись углерода превращаются в метан, выделяя в качестве отходов воду.

Следующая машина на фабрике – это роботизированная рука с герметичной камерой, перемещающая жидкости во внешнюю цистерну. Необычно в ней то, что камера специально разработана для того, чтобы не давать проникнуть внутрь пыли. Реголитовая пыль весьма мелкая, и проникает повсюду. Поскольку реголит состоит из раздробленного вулканического камня, он очень абразивен и вреден для оборудования. Лунные миссии НАСА показали, что реголит был повинен в массе проблем, включая неверные показания приборов, загрязнение механизмов, отказ изоляции и выход из строя температурного контроля. Поэтому критически важно не давать ему проникать в роботизированные руки, электрические контакты, проводящие жидкости трубы и чувствительную электронику.

Курт Лойт программирует роборуку для соединения заправочного шланга с мобильной цистерной. Шланг разработан так, чтобы заполнять цистерну жидким топливом, водой и кислородом.

С каждой стороны роборуки есть набор дверей, работающих на манер воздушного шлюза, и не пропускающих внутрь пыль. Для соединения требуется три этапа: на первом этапе закрытые двери закрытые двери прижимаются друг к другу, и уплотнитель по периметру создаёт барьер, непроницаемый для пыли. На втором этапе двери, защищённые уплотнителем, открываются, обнажая коннекторы, закреплённые на подвижной платформе. На последнем этапе платформы сдвигаются, соединяя все электрические и жидкостные коннекторы.

Роборука топливной фабрики возьмёт камеру и опустит её к мобильной цистерне, подключится к ней и разгрузит конечные продукты. В этом смысле обрабатывающая система похожа на заправочные станции, но вместо бензина она может наливать воду. Или жидкий кислород. Или жидкий метан. Или всё это вместе!

Недавно мы продемонстрировали эту фабрику в лаборатории Свамп-Воркс. На данный момент нам пришлось симулировать печку и электролиз, чтобы уменьшить стоимость и сложность проекта. Мы также симулировали конечные продукты, используя во всех случаях воду. Но для всех остальных частей использовались работающие прототипы оборудования и ПО.

Собрав все подсистемы вместе, мы изучали проблемы и отказы, и выучили несколько важных уроков, которые ускользнули бы от нас, собери мы нашу систему целиком только к концу разработки и испытаний. Это один из главных принципов Свамп-Воркс: быстрое прототипирование и ранняя интеграция, позволяющая быстро доказывать работоспособность схем и отлавливать отказы на раннем этапе.

Идея марсианской топливной лаборатории состоит в том, что её упакуют в аккуратную коробочку, отправят на Марс, развернут и запустят на поверхности планеты задолго до прибытия людей. Пилотируемые миссии на Марс будут зависеть от запуска автономного производства и хранения горючего на обратную дорогу ещё до того, как космонавтов запустят с Земли. В НАСА также есть команды, думающие над тем, как выращивать разные продукты во время перелёта и нахождения на Марсе. Включая картофель.

Что же ещё должно произойти до этого момента? Очень многое.

У НАСА есть многолетний опыт использования отдельных спускаемых аппаратов и независимых вездеходов, работающих на поверхности Марса. У недавних вездеходов – Кьюриосити, опустившегося на поверхность в 2012 году, и вездехода «Марс 2020», который будет запущен в 2020 – есть определённая доля автономности. Но сложность этой марсианской топливной фабрики, длительное время работы и уровень автономности, требующийся от такой системы, поднимает задачу на совершенно новый уровень.

Тонны пыли: для проверки роботов-экскаваторов НАСА использует закрытое помещение с более чем 100 тоннами измельчённой вулканической породы. Материал служит аналогом чрезвычайно мелкой и абразивной пыли, находящейся на поверхности Марса.

До начала подобной миссии нам необходимо преодолеть множество технических препятствий. Один из наиболее критических вопросов состоит в том, можно ли масштабировать каждую подсистему нашей перерабатывающей фабрики так, чтобы удовлетворить требованиям пилотируемой миссии. Недавние исследования показывают, что такой системе нужно будет произвести порядка 7 тонн жидкого метана и 22 тонн жидкого кислорода за 16 месяцев. Затем необходимо выяснить, где нужно посадить модуль и начать переработку, чтобы максимизировать выдачу, сколько экскаваторов типа RASSOR нам потребуется, и сколько часов в день им придётся работать. Также нам необходимо выяснить нужные размеры замораживателя двуокиси углерода и реактора Сабатье и объём потребляемой всем оборудованием энергии.

Кроме того, необходимо предвидеть возможные проблемы, уточнив, какие именно отказы могут прервать перерабатывающую миссию, откладывая прибытие пилотируемой миссии. Нам придётся оценить вероятность каждого из отказов, чтобы добавить нужной избыточности и дублирования в систему.

Чтобы убедиться, что робототехника сможет работать годами без обслуживания и ремонта, нам нужно изготовить её по очень точным спецификациям. Все движущиеся части должны либо не подвергаться воздействию разрушительных частиц реголитовой пыли, либо выдерживать её. Нужно либо улучшить уплотнители, либо усилить движущиеся части, а это добавит сложности и веса в оборудование, если только мы не придумаем какого-то гениального способа обхода этой проблемы.

Нам также нужно выяснить, насколько плотной является смесь реголита и льда под поверхностью Марса, и соответственно разработать добывающее оборудование. Имеющиеся экскаваторы лучше всего работают на плотном реголите, смешанном с кусочками льда. Но такая схема не подойдёт для разбития крупных пластов крепкого льда. Нам потребуется убедительное свидетельство состава льда и реголита под поверхностью Марса, чтобы разработать наиболее соответствующее ситуации и эффективное добывающее оборудование. Либо нам придётся разрабатывать более сложные и надёжные инструменты, способные справиться с различной плотностью почвы и льда.

Ещё нам нужно решить проблемы долговременного хранения очень холодных жидкостей. Ёмкости для хранения под давлением и изоляция постоянно совершенствуются, но смогут ли текущие технологии подолгу работать на поверхности Марса?

В последующие несколько лет НАСА изучит все эти проблемы. Мы будем продолжать увеличивать возможности и уровень готовности всех прототипов. Мы сделаем робота RASSOR сильнее и легче, и испытаем его в условиях, похожих на марсианские. Мы продолжим испытывать и интегрировать печку и электролизер, и попытаемся масштабировать замораживатель двуокиси углерода и реактор Сабатье, чтобы подтвердить, что они смогут удовлетворить нужды пилотируемой миссии на Марс. Вся эта работа будет продолжаться, чтобы наш прототип пылетопливной фабрики однажды смог стать полностью работоспособной системой на Марсе.

Источник