Испытания марсианского экскаватора RASSOR 2.0 в Космическом центре им. Кеннеди. Фото: NASA/Dimitri Gerondidakis
В рамках подготовки к программе заселения Марса продолжаются испытания роботов, которые наверняка понадобятся первым колонистам. В частности, инженеры и учёные сейчас проверяют работоспособность аппаратов для добычи и переработки местных ресурсов. В этой области есть три основных направления:
- переработка отходов;
- добыча ресурсов из марсианского реголита и атмосферы;
- выращивание растений на марсианской почве.
Люди на Марсе не смогут получать с Земли все необходимые ресурсы для выживания и развития колонии. Даже если Илон Маск реализует свой фантастический план — запустит многоразовые транспортные корабли и снизит стоимость доставки грузов до $140 000 за тонну — всё равно некоторые ресурсы придётся добывать на Марсе, другого выхода нет. Производство 1 килограмма топлива на Марсе экономит 250 килограммов на грузовом корабле с Земли, по расчётам НАСА. Доставка грузов на Марс занимает от шести до девяти месяцев. Даже план Маска предусматривает добычу топлива на Марсе для заправки транспортного корабля перед возвращением на Землю.
Варианты марсианского топлива для многоразового транспортного корабля. Слайд из презентации Илона Маска
Процесс производства топлива на Марсе. Слайд из презентации Илона Маска
Кроме топлива, колонистам понадобятся и другие ресурсы. Например, нужны материалы для строительства домов и служебных помещений.
Основной источник полезных ресурсов на Марсе — реголит, остаточный грунт, являющийся продуктом выветривания породы, которым повсеместно покрыта поверхность планеты.
Состав марсианского реголита
Состав грунта отличается в разных местах. Основная составляющая — кремнезём (20-25%), содержащий примесь гидратов оксидов железа (до 15%), придающих почве красноватый цвет. Имеются значительные примеси соединений серы, кальция, алюминия, магния, натрия (единицы процентов для каждого). Концентрация водяного льда в грунте — до 2% по весу.
Марсоход «Кьюриосити» у марсианской дюны Namib берёт образцы реголита для анализа 19 января 2016 года. Фото: NASA/Jet Propulsion Laboratory-Caltech
Таким образом, в марсианском реголите есть много материалов, полезных для колонии. Вопрос в том, как их добывать. Специалисты НАСА принимают в учёт, что роботам придётся работать в неблагоприятных условиях окружающей среды. Температура около полюсов опускается до -125°C, а возле марсианского экватора летним днём может подняться до вполне комфортных для человека +21°C. Атмосфера Марса примерно на 95% состоит из углекислого газа.
Очень важно посадить корабль в подходящем месте, где точно присутствует водяной лёд в грунте. Чтобы получить такую уверенность, требуется провести предварительную разведку местности. НАСА планирует осуществить удалённое сканирование почвы с орбиты. Орбитальная станция для разведки по набору инструментов будет похожа на Mars Reconnaissance Orbiter — многофункциональную межпланетную станцию НАСА, которая начала работу на орбите Марса в ноябре 2006 года и занимается, в том числе, поисками воды на поверхности.
После получения разведданных от орбитального аппарата в район предполагаемого строительства базы отправят марсоходы-разведчики для взятия проб грунта и окончательного подтверждения, что реголит подходит для добычи полезных ресурсов.
Подготовка к добыче ресурсов на Марсе будет осуществляться в рамках лунной миссии Resource Prospector — первой в истории человечества миссии по добыче полезных ископаемых на иных небесных телах, кроме Земли. Предполагается, что эту миссию осуществят в начале 2020-х годов. Робот будет укомплектован инструментами для изучения состава почвы и забора образцов.
Прототип робота Resource Prospector, которого планируют запустить на Луну. Фото: NASA
Робот Resource Prospector берёт образец грунта. Фото: NASA
Добычей и переработкой реголита на Марсе займётся другой аппарат. Сейчас проходит испытания машина под названием RASSOR (Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot). Эта машина оснащена множеством маленьких ковшиков с зазубренными краями. Они вращаются, вгрызаясь в марсианский грунт, понемножку захватывая реголит и ссыпая его в ёмкость для сбора. Такая конструкция называется роторный экскаватор — экскаватор непрерывного действия на гусеничном ходовом оборудовании, разрабатывающий грунт с помощью ковшей, укреплённых на роторном колесе.
После сбора реголит проходит термическую обработку в печи с выделением воды, водорода и кислорода. Сырьё можно использовать также для 3D-печати укрытий для поселенцев и других зданий.
Испытания роторного экскаватора в Космическом центре им. Кеннеди показаны на видео.
Выращивание растений
Соотношение pH и некоторые другие параметры марсианских почв близки к земным, и на них теоретически можно выращивать растения. Исследователи считают, что марсианская почва содержит необходимые элементы для поддержания жизни. Уровень кислотности щелочного грунта pH 7,7 довольно часто встречается на Земле и не мешает заниматься растениеводством.
На Земле несколько научных групп сейчас изучают, какие растения лучше всего подходят для выращивания на Марсе. Например, в марте 2016 года биологи из научно-исследовательского центра Вагенингенcкого университета (Нидерланды) завершили второй эксперимент по выращиванию овощей и других растений на почве, моделирующей грунт Марса и Луны. Оказалось, что при добавлении навоза и увлажнении почвы там отлично растут как минимум 10 культур. Учёные собрали урожай помидоров, гороха, ржи, рукколы, редиса, лука-порея, шпината, чеснока, зелёного лука и кресс-салата.
НАСА также проводит эксперименты по выращиванию растений на МКС. Год назад астронавты на МКС попробовали выращенный на станции салат латук, а в январе 2016 года на МКС впервые распустился цветок.
Учёные считают, что на Марсе можно выращивать большое количество культур, в том числе помидоры.
Переработка отходов
Специальная группа НАСА разрабатывает технологию переработки отходов, которые будет оставлять человеческая колония на Марсе. В полезные продукты превратят все виды отходов, в том числе биологические отходы, упаковку и мусор. Например, из них предполагается получать метан.
На фотографии инженер-химик НАСА Энни Караччо демонстрирует детали биологического реактора для переработки мусора в биотопливо на Марсе.
Эксперименты показали, что из килограмма мусора можно получать до 700 граммов метана.
Судя по экспериментам НАСА, человечество близко к тому, чтобы обеспечить марсианской колонии полную независимость от Земли.
Поделиться с друзьями
Комментарии (34)
sleeply4cat
04.10.2016 00:51Будет ли эта конструкция нормально цеплять грунт при марсианской гравитации?
Anthrax_Beta
04.10.2016 11:07Хуже чем на Земле, но будет. Выкопать ямку займет просто дольше времени.
SpiridonovAA
04.10.2016 15:54устройство можно утяжелить, снабдив его бункером, который будет засыпаться грунтом уже на месте.
frog
04.10.2016 03:11+4> при добавлении навоза и увлажнении почвы там отлично растут как минимум 10 культур
Осталось доставить на Марс достаточное количество навоза :)
General_Failure
04.10.2016 05:49Ну значит по давней традиции первыми полетят животные
densss2
04.10.2016 10:34+1Вы полагаете, что животные, во время спуска с марсианской орбиты, смогут обеспечить будущую марсианскую базу необходимым количеством
кирпичейнавоза? :)
andrey_aksamentov
04.10.2016 04:33Интересно будет ли у Маска компьютер с интеллектом на корабле, как в чужом?
PavelGatilov
04.10.2016 13:19+1Судя по экспериментам НАСА, человечество близко к тому, чтобы обеспечить марсианской колонии полную независимость от Земли.
Вывод очень наивный получился. Эксперименты показали лишь возможность репликации или переработки малой части того, что существует на земле.
Судить, что человечество технологически близко к независимости колонии на Марсе можно будет начинать, только начинать после создания независимого полигона в центре пустыни, при условии выживаемости и минимального комфорта людей внутри полигона.Rumlin
05.10.2016 11:03В пустыне тепло. Средняя температура на Марсе — около ?40°С. Эту экспериментальную базу надо делать хотя бы на Шпицбергене.
Maddreg
04.10.2016 17:21«Учёные собрали урожай помидоров, гороха, ржи, рукколы, редиса, лука-порея, шпината, чеснока, зелёного лука и кресс-салата»
А где-же картошка? Марк Уотни негодует! :)
PwrUsr
05.10.2016 10:12Ну наконец то "ученный" на фотке соответсвует тем, что нам показывают в кино :)
(ну и пусть всего лишь инженер)
andrrrrr
Вот когда сделают мини заводик по изготовлению микросхем и солнечных панелей, вот тогда и можно поговорить о полной независимости от земли.
И даже тогда не будет полной независимости.
vasimv
Микросхемы можно просто привезти, они легкие. В килограмме — многие сотни мощных ПЛИС-ов, то есть одной тонны (думаю это меньше чем человек с жизнеобеспечением и едой на время полета) хватит на десятилетия. Там главной проблемой будет — его сохранить на эти самые десятилетия только.
С солнечными панелями — вопрос очень сложный, разумеется. Индий там производить никто не будет, да и просто с химически чистым кремнием (и прочими материалами) могут иметься напряги… Подозреваю, что с солнечной энергетикой придется повременить и ориентироваться на ядерную/термоядерную энергию, энергию ветра (мотор/генератор сделать гораздо проще). Химическая энергетика может также иметь большой успех, только надо большие площади для кислородогенерирующих водорослей/расстений и хранилища для кислорода — потом сжигаем сухую биомассу или метан какой-нибудь, вырабатывая энергию.
arheops
Энергия ветра на марсе фактически не будет работать. А атомную станцию первезти пока проблематично. Будут везти батареи.
hdfan2
С солнечной, насколько я знаю, тоже плохо — далеко от Солнца и пыльно. Наверно, более перспективны РИТЭГи.
Mad__Max
Не очень далеко, всего на 1/3 примерно дальше. Поток энергии на м2 на орбите Марса примерно в 2 раза ниже чем на орбите Земли. Но это только на орбите. Зато там почти нет атмосферы (которая на Земле около 30-40% энергии солнца поглощает до того как она достигнет поверхности даже в полностью ясную погоду) и никогда не бывает облачного покрова и пасмурных дней, которые на земле выработку еще на 10%-50% снижают.
В результате средняя выработка на поверхности марса получается почти на уровне земной поверхности.
От пыли чистить придется, это да. Какого-нибудь робота сделать или форсунки сдувающие пыль сжатым воздухом — благо пыль очень сухая и прилипать и комковаться не должна.
РИТЭГи слишком дороги, да и просто невозможно их в нужных количествах производить. Так что или солнечные батареи или мобильные атомные реакторы. Скорее и то и другое — минимум 1 небольшой реактор на колонию(базу), а остальное СБ.
vasimv
Будут тащить реакторные блоки, их уже сейчас могут делать. В пределах нескольких десятков тонн, время работы — до десятков лет. Систему генерации электричества и охлаждения — будут делать на месте (ну, разве что сами генераторы привезут тоже).
Медную/алюминиевую проволоку, алюминиевые и железные сплавы для генераторов, моторов и труб — можно и на месте получать, очистка электролизом даст вполне пригодный выход. Эффективность таких генераторов будет ниже, чем изготовленных на земле, но с этим можно смириться.
black_semargl
Для мотора тоже нужны высокочистые и редкие вещества, та же медь.
А батареи можно и кремниевые делать, КПД у них конечно не особо, но и свободных площадей на Марсе дохрена.
hokum13
Говоря про солнечную энергетику Вы говорите про фотоэлектрические СЭС. А как же СЭС башенного типа? Как же параболоцилиндрические?..
Зеркало и турбину/стирлинг сделать на порядок проще, чем фотоэлемент надлежащего качества.
Mad__Max
Зато фотоэлементы очень легкие — их можно и с Земли заводить. В большой солнечной панели массой 25 кг на сами элементы всего около 1 кг приходится. А остальное такие простые вещи как сталь, алюминий, стекло, медные провода — все это можно на месте добывать и производить и проще чем паровые турбины и турбогенераторы.
hokum13
А эти элементы без 25/1 кило амортизации с орбиты спустить получится?
И да, для начала производства любого металла нужно сначала с орбиты скинуть установку на пару мегаватт. Посмотрите современные промышленные методы производства скажем алюминия.
black_semargl
Фотоэлемент — это кремниевая пластинка толщиной четверть мм, ессно хрупкая.
Но если эти пластинки сложить в пачку толщиной несколько см — то хрен сломаешь, даже если ударить.
Mad__Max
Получится, тем более не обязательно кремниевые монокристаллы брать. Есть батареи из пленок перовскита, есть органические пленочные и гибкие — КПД у них не очень, но зато они очень легкие и по соотношению количества произведенной энергии к массе скорее всего даже лучше кремниевых окажутся. По крайней мере на спутниках и на МКС тонкие и гибкие пленочные солнечные батареи уже используют как из-за легкости их размещения (разворачиваются без ручного монтажа) так и хорошего соотношения мощность/масса.
Совсем голую пленку на Марсе нельзя использовать, но защиты минимальной будет достаточно. На земле все эта куча металла и стекла в основном нужна для защиты от погодных условий — от сильного ветра, дождя и града (стандартная батарея должна выдерживать без повреждений ветер до 150 км/ч и попадания ледяного града кусками до 2см в диаметре на скорости до 100 км/ч) из-за этого 1 кг элементов собственно производящих энергию и обрастает больше чем 20 кг структурных материалов.
В начале естественно самая 1я база будет на полном снабжении с Земли прежде чем начнет добывать и производить что-то сложнее чем воздух (кислород), воду и часть продуктов питания.
GreenGoblin
Какие солнечные панели? Бак с водой и зеркала! Из местного материала!
Alcor
Там прохладно, солнца мало, пыль ИК неплохо поглощает.
SpiridonovAA
Лучшим решением будет не установка солнечных панелей, а установка ядерного реактора. ОПыт изготовления малогабаритных ядерных электростанций насчитывает десятилетия. Например, на марсоходе кьюриосити такой стоит
QWhisper
там ритег, а не ядерный реактор, мощности слишком малы для обеспечения поселения. Но компактные АЭС есть японцы например заявляли о продаже «АЭС Hyperion» 25-27 мегаватт, в 3 метровой капсуле.
SpiridonovAA
Я не писал про ядерный реактор. Я написал про ядерную электростанцию. по-сути, ритег таковой и является. В любом случае лучше всего использовать не солнечную энергию, а ядерную