O ano é 2038. Após 18 meses morando e trabalhando na superfície de Marte, uma equipe de seis pesquisadores embarca na espaçonave e retorna à Terra. Não há uma única alma viva no planeta, mas o trabalho não para aqui por um minuto. Robôs autônomos continuam a minerar minerais e entregá-los para processamento em uma fábrica de síntese química que foi construída vários anos antes dos humanos colocarem os pés em Marte. A fábrica produz água, oxigênio e combustível para foguetes com recursos locais, preparando rotineiramente suprimentos para a próxima expedição, que chegará aqui em dois anos.
Esta fábrica robótica não é ficção científica. Este é um projeto no qual várias equipes científicas da agência aeroespacial da NASA estão trabalhando atualmente. Um deles, Swamp Works, trabalha no Kennedy Space Center, na Flórida. A instalação que eles estão desenvolvendo oficialmente é chamada de Sistema de Utilização de Recursos In Situ (ISRU), mas as pessoas que trabalham nela estão acostumadas a chamá-la de fábrica de poeira porque ela converte poeira comum em combustível de foguete. Este sistema permitirá um dia aos humanos viver e trabalhar em Marte, bem como retornar à Terra se necessário.
Por que sintetizar qualquer coisa em Marte? Por que não trazer tudo que você precisa da Terra? O problema é o custo desse prazer. De acordo com algumas estimativas, a entrega de um quilograma de carga útil (por exemplo, combustível) da Terra para Marte - isto é, colocar este quilograma em órbita baixa da Terra, enviá-lo para Marte, desacelerar a espaçonave ao entrar na órbita do planeta e finalmente pousar com segurança na superfície - será necessária queimar 225 kg de combustível de foguete. A proporção 225: 1 ainda é eficaz. Neste caso, os mesmos números serão típicos ao usar qualquer nave espacial. Ou seja, para entregar a mesma tonelada de água, oxigênio ou equipamento técnico ao Planeta Vermelho, será necessário queimar 225 toneladas de combustível de foguete. A única maneira de se salvar dessa aritmética cara é produzir sua própria água,oxigênio ou o mesmo combustível no local.
Vários grupos de pesquisa e engenharia da NASA estão trabalhando para resolver vários aspectos desse problema. Por exemplo, a equipe da Swamp Works no Kennedy Space Center recentemente começou a montar todos os módulos individuais para um sistema de mineração. A planta é um protótipo inicial, mas combina todos os detalhes que serão necessários para operar uma planta de coleta de pó.
O plano de longo prazo da NASA visa colonizar Marte, mas agora a agência está concentrando toda a sua energia e atenção na lua. Assim, a verificação da maioria dos equipamentos em desenvolvimento será realizada primeiro na superfície lunar, o que por sua vez resolverá todos os problemas possíveis, a fim de evitá-los no futuro quando usar a instalação em Marte.
Poeira e sujeira em um corpo espacial extraterrestre costumam ser chamados de regolito. De um modo geral, estamos falando de uma rocha vulcânica que, ao longo de vários milhões de anos, sob a influência de várias condições climáticas, se transformou em um pó fino. Em Marte, sob uma camada de minerais de ferro corrosivos que dão ao planeta sua famosa tonalidade avermelhada, existe uma espessa camada de estruturas de silício e oxigênio combinadas com ferro, alumínio e magnésio. A extração desses materiais é uma tarefa muito difícil, uma vez que as reservas e a concentração dessas substâncias podem variar de uma região do planeta para outra. Infelizmente, esta tarefa é ainda mais complicada pela baixa gravidade de Marte - cavar nessas condições, aproveitando a vantagem da massa, é muito mais difícil. Na Terra, geralmente usamos grandes máquinas para mineração. Seu tamanho e peso permitem que você faça esforço suficiente para "morder" o solo. Levar tal luxo para Marte seria completamente inadmissível. Lembra do problema do custo? Com cada grama enviada para Marte, o preço de todo o lançamento aumentará continuamente. Portanto, a NASA está trabalhando em como extrair minerais no Planeta Vermelho usando equipamentos leves.
Escavadeira espacial. A NASA está desenvolvendo uma escavadeira robótica com duas caçambas opostas girando em direções opostas uma da outra. Essa abordagem permitirá que a máquina opere em condições de baixa gravidade e elimine a necessidade de grandes forças.
Conheça RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot), um minerador autônomo projetado com o único propósito de cavar regolito em ambientes de baixa gravidade. Ao desenvolver o RASSOR (leia-se "navalha" - do inglês "lâmina"), os engenheiros da NASA prestaram atenção especial ao seu sistema de acionamento de força. Este último consiste em motores, caixas de engrenagens e outros mecanismos que constituem a maior parte de toda a instalação. Ele usa motores sem moldura, freios eletromagnéticos e, entre outras coisas, caixas de titânio impressas em 3D para minimizar o peso geral e o volume da estrutura. Como resultado, o sistema tem cerca de metade do peso em comparação com outras unidades com especificações semelhantes.
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Para cavar, o RASSOR usa dois baldes de tambor de oposição, cada um equipado com vários dentes para agarrar o material. Quando a máquina está se movendo, os baldes do tambor giram. Os atuadores que os seguram são abaixados e os tambores, ocos por dentro, literalmente cortam a camada superior do regolito da superfície. Em outras palavras, o harvester apenas coleta a camada superior do material, em vez de cavar mais fundo. Outra característica importante do RASSOR é o design do boxer - os tambores giram em direções diferentes. Isso elimina a necessidade de muito esforço para puxar o solo em condições de baixa gravidade.
Assim que os tambores RASSOR estão cheios, o robô para de coletar e segue em direção à planta de reciclagem. Para descarregar o regolito, a máquina simplesmente gira os tambores na direção oposta - o material cai pelos mesmos orifícios dos tambores por onde foi coletado. A fábrica possui seu próprio braço de levantamento robótico que coleta o regolito entregue e o envia para a correia de carregamento da fábrica, que por sua vez entrega o material ao forno a vácuo. Lá, o regolito será aquecido a altas temperaturas. As moléculas de água contidas no material serão sopradas por um soprador de gás seco e coletadas em um termostato de refrigeração.
Você pode estar se perguntando: "O regolito marciano não é originalmente seco?" Seco, mas não em todo lugar. Tudo depende de onde e com que profundidade você cava. Em algumas áreas do planeta, existem camadas inteiras de gelo de água apenas alguns centímetros abaixo da superfície. Ainda mais baixo, pode haver cal sulfatada e arenitos, que podem conter até cerca de 8% da massa total do maciço.
Após a condensação, o regolito gasto é jogado de volta à superfície, onde a RASSOR pode pegá-lo e levá-lo para um local mais afastado da fábrica. Esse "resíduo" é na verdade um material muito valioso, pois será usado para criar estruturas defensivas para assentamentos, bem como estradas e locais de pouso usando tecnologias de impressão 3D, que também estão sendo desenvolvidas na NASA.
O esquema de mineração em Marte em imagens:
Desenvolvimento: Um robô com rodas recolhe o regolito com baldes giratórios com orifícios de amostragem.
Transporte: Os baldes de tambor de rotação reversa descarregam o regolito no braço robótico da fábrica.
Processamento: para extrair a água do regolito, ela é aquecida em um forno, onde ocorre a eletrólise do hidrogênio e do oxigênio.
Transferência: Depois de receber um determinado volume da substância, outro braço robótico, equipado com um sistema fechado de proteção especial, carrega-o no caminhão-tanque robótico móvel.
Entrega: O caminhão-tanque entrega água, oxigênio e metano às casas das pessoas e os descarrega em tanques de armazenamento de longo prazo.
Uso e armazenamento: os astronautas usarão água e oxigênio para respirar e cultivar plantas; o combustível será armazenado como líquido criogênico para uso futuro.
Toda a água que será extraída do regolito será completamente purificada. O módulo de purificação consistirá em um sistema de filtração multifásico, bem como vários substratos de desionização.
O líquido não será usado apenas para beber. Ele se tornará um componente essencial para a produção de combustível de foguete. Quando as moléculas de H2O são divididas por eletrólise em moléculas de hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) e, em seguida, comprimidas e convertidas em um líquido, será possível sintetizar combustível e oxidante, que são mais frequentemente usados em motores de foguete de propelente líquido.
O desafio está no fato de que o hidrogênio líquido deve ser armazenado em temperaturas extremamente baixas. Para fazer isso, a NASA quer converter o hidrogênio no combustível mais fácil de armazenar: o metano (CH4). Essa substância pode ser obtida pela combinação de hidrogênio e carbono. Onde obter carbono em Marte?
Felizmente, existe muito disso no Planeta Vermelho. A atmosfera marciana é composta por 96 por cento de moléculas de dióxido de carbono. Capturar esse carbono é tarefa de um freezer dedicado. Em termos simples, ele criará gelo seco no ar.
Tendo recebido hidrogênio por eletrólise e extraído gás carbônico da atmosfera, usando um processo químico - a reação de Sabatier - eles podem ser combinados em metano. Para isso, a NASA está desenvolvendo um reator especial. Ele criará a pressão e a temperatura necessárias para suportar a conversão de hidrogênio e dióxido de carbono em metano e água como subproduto.
Outro detalhe interessante da planta de processamento é o braço robótico umbilical para transferência de líquidos para o navio-tanque de um navio-tanque móvel. O incomum deste sistema é que ele é especialmente protegido do ambiente externo e, em particular, da poeira. A poeira regolítica é muito fina e pode penetrar em quase todos os lugares. Como o regolito em si consiste de rocha vulcânica desintegrada, é muito abrasivo (se apega a literalmente tudo), o que pode criar sérios problemas para o funcionamento do equipamento. As missões lunares da NASA no passado mostraram como esta substância é perigosa. Ele violou as leituras da eletrônica, levou ao travamento de mecanismos e também se tornou a causa de mau funcionamento nos controladores de temperatura. Proteção dos canais de transmissão elétricos e de líquidos do braço robótico, bem como quaisquer componentes eletrônicos altamente sensíveis,é uma das maiores prioridades para os cientistas.
Programando um braço robótico umbilical para se conectar a um tanque móvel. O manipulador será usado para reabastecer tanques com combustível líquido, água e oxigênio.
Em cada lado da câmara umbilical, montada em um braço robótico, há portas que funcionam como travas de ar para manter a poeira fora de todos os canais internos. Três etapas são necessárias para conectar a câmara ao mecanismo do tanque: Primeiro, depois de encher a câmara, as portas devem ser fechadas com segurança em ambos os lados para criar uma barreira protetora anti-poeira. Em segundo lugar, em cada uma das portas da câmara umbilical, é necessário abrir pequenos orifícios de vedação através dos quais será fornecido o acesso aos canais de transferência de recursos instalados em uma placa especial móvel. Em terceiro lugar, é necessário alinhar a posição dos canais de transmissão da câmara umbilical e os canais de recebimento de material pelo mecanismo do tanque, conectando com precisão os conectores elétricos e de líquido.
O braço robótico da planta de processamento de combustível colocará a câmara umbilical no caminhão-tanque robótico móvel e, em seguida, descarregará os materiais produzidos. O sistema de abastecimento, neste caso, será muito semelhante aos postos de abastecimento da Terra, mas junto com a gasolina bombeará água. Ou oxigênio líquido. Ou metano líquido. Ou tudo de uma vez.
Recentemente, os engenheiros envolvidos no desenvolvimento deste projeto realizaram uma demonstração de teste da instalação na Flórida. Nesta fase, os cientistas tiveram que recorrer à modelação dos processos de eletrólise e do próprio forno para reduzir os custos e a complexidade da instalação. Além disso, foi realizada uma simulação da obtenção de três produtos processados utilizando água. Mas, neste caso, os protótipos de hardware e software já foram usados para todas as partes da instalação.
Ao juntar todas as peças, os engenheiros da Swamp Works conseguiram descobrir a presença de determinados problemas no projeto, bem como identificar alguns detalhes importantes que não seriam possíveis determinar se tais testes foram realizados já nas últimas fases de desenvolvimento e integração. De acordo com os desenvolvedores, a prototipagem rápida e a integração antecipada são uma abordagem distinta para o trabalho de sua equipe. Graças a isso, você pode descobrir rapidamente o desempenho de uma ideia, bem como identificar todas as deficiências existentes em um estágio inicial.
A essência da fábrica de combustível de foguete de Marte é que todo esse equipamento será embalado em uma pequena caixa conveniente, entregue ao Planeta Vermelho e então desempacotado por conta própria e começará a completar sua tarefa muito antes que as primeiras pessoas cheguem a Marte. O desenvolvimento de missões tripuladas a Marte dependerá da eficiência desta fábrica autônoma. Afinal, sem ele, as pessoas não poderão retornar à Terra no final de sua vigília. Além disso, a NASA também possui equipes que trabalham no cultivo de todos os tipos de alimentos (incluindo batatas). A nova safra deverá ser cultivada, novamente de forma autônoma, durante o envio de pessoas a Marte e seus voos de volta à Terra, para que as pessoas tenham sempre uma nova colheita.
Em geral, o projeto é realmente gigantesco e requer uma preparação cuidadosa.
A NASA tem vasta experiência com rovers autônomos e lander em Marte. Por exemplo, os mais recentes Mars rovers - Curiosity, que pousou no Planeta Vermelho em 2012 e Mars 2020, que irá para lá em 2020 - têm e terão um alto nível de autonomia. No entanto, a criação, entrega e uso do foguete marciano e da fábrica de combustível a longo prazo e com o nível máximo de autonomia exigirá o uso de tecnologias que levarão a engenharia espacial a um nível completamente novo.
Para testar a escavadeira robô, a NASA usa uma área fechada preenchida com mais de cem toneladas de rocha vulcânica esmagada. Os minerais servem como contrapartida ao pó mais fino e abrasivo de Marte.
Para iniciar a colonização do espaço, cientistas e engenheiros precisam resolver muitos problemas técnicos. Por exemplo, é muito importante determinar se cada subsistema que está sendo desenvolvido em uma instalação de extração de recursos naturais marciana é adequado para aumento de escala. Ela será capaz de atender a todas as necessidades e atingir o nível de capacidade que será exigido no âmbito das missões tripuladas ao Planeta Vermelho?
De acordo com estimativas recentes de especialistas da NASA, tal sistema deve produzir em cerca de 16 meses cerca de 7 toneladas de metano líquido e cerca de 22 toneladas de hidrogênio líquido. Com base nisso, para o máximo retorno, é necessário determinar com muita precisão os locais mais adequados para implantação de uma fábrica de captação e processamento de recursos. Além disso, é necessário calcular quantas escavadeiras RASSOR precisarão ser entregues à Marte, bem como quantas horas por dia precisarão trabalhar para atingir um determinado plano de produção. No final, você precisa entender o quão grande um freezer de carbono, o reator Sabatier deve ser, e quanta energia todo esse material vai consumir.
Os cientistas também precisam se antecipar a possíveis problemas de força maior que podem interferir na extração e no processamento dos recursos, podendo atrasar o envio da próxima expedição ao Planeta Vermelho. É necessário avaliar todos os possíveis riscos associados a esses problemas e desenvolver com antecedência as formas corretas e rápidas de resolvê-los, possivelmente equipando o sistema com elementos redundantes para substituir temporariamente os equipamentos avariados.
É necessário garantir que as tecnologias robóticas possam manter as atividades operacionais sem interrupção e a necessidade de manutenção por vários anos, para que seu desenvolvimento seja realizado em estrita conformidade com os padrões estabelecidos. Por exemplo, será necessário minimizar a quantidade de peças móveis usadas. Assim, será possível minimizar o efeito do pó de regolito na eficiência de todo o sistema. Se você abordar o problema pelo outro lado e começar a desenvolver peças móveis com maior resistência à poeira, isso não só complicará todo o sistema como um todo, mas também adicionará peso extra a ele, que, como já foi mencionado, é equivalente ao ouro.
Os cientistas também precisam descobrir como e em que proporções o regolito fino e sólido é misturado ao gelo abaixo da superfície de Marte. Esses dados o ajudarão a preparar escavadeiras com mais eficiência para a extração de recursos. Por exemplo, a versão atual do balde RASSOR é mais adequada para coletar regolito misturado com gelo granulado. No entanto, esse projeto será menos eficaz quando for necessário "morder" camadas maiores de gelo sólido. Para desenvolver um equipamento mais adequado, é necessário obter um conhecimento preciso da distribuição do gelo no Mar. Outra opção é desenvolver equipamentos mais resistentes, complexos, pesados e versáteis, capazes de lidar com qualquer tipo de solo e densidade de gelo. Mas, novamente, este é um desperdício extra.
Ainda assim, é necessário resolver questões relacionadas ao longo armazenamento de líquidos super-resfriados. As tecnologias para armazenar substâncias e materiais sob alta pressão estão em constante aperfeiçoamento, mas será que as tecnologias modernas podem funcionar na superfície de Marte por muito tempo?
Em geral, nos próximos anos, os cientistas da NASA lidarão com todas essas questões problemáticas. Os engenheiros da Swamp Works, por sua vez, continuarão a melhorar a eficiência e a disponibilidade de todos os componentes desenvolvidos de seu sistema. As escavadeiras são planejadas para serem ainda mais resistentes e leves. Depois disso, está planejado começar a testá-los em condições criadas artificialmente e o mais próximo possível das condições marcianas. Os cientistas também querem melhorar a qualidade e eficiência do forno, sistema de eletrólise e desenvolver um modelo escalável do reator Sabatier e planta de refrigeração para produção de carbono. Os desenvolvedores estão confiantes de que a solução desses e de muitos outros problemas levará ao fato de que o protótipo coletor de poeira deixará de ser um protótipo e, no final, se envolverá em trabalho real na superfície de Marte.fornecendo aos futuros colonos todos os recursos necessários para a vida.
Nikolay Khizhnyak
