Wyobraź sobie ten scenariusz. Jest rok 2030 lub mniej więcej. Po sześciu miesiącach podróży z Ziemi ty i kilku innych astronautów jesteście pierwszymi ludźmi na Marsie. Stoisz na obcym świecie, zakurzony czerwony brud pod stopami i rozglądasz się po kupie sprzętu wydobywczego złożonego przez poprzednie roboty-lądowniki.
Echa w uszach to ostatnie słowa z kontroli misji: „Waszą misją, jeśli zechcecie ją zaakceptować, jest powrót na Ziemię - jeśli to możliwe, przy użyciu paliwa i tlenu wydobywanych z piasków Marsa. Powodzenia!"
Wydaje się to proste, wydobywanie surowców ze skalistej, piaszczystej planety. Robimy to tutaj na Ziemi, dlaczego też nie na Marsie? Ale to nie jest tak proste, jak się wydaje. Nigdy nie ma nic w fizyce ziarnistej.
Fizyka ziarnista to nauka o ziarnach, od jąder kukurydzy po ziarna piasku i fusy. Są to powszechne substancje codziennego użytku, ale mogą być trudne do przewidzenia. W jednej chwili zachowują się jak ciała stałe, w następnej jak ciecze. Rozważ wywrotkę pełną żwiru. Kiedy ciężarówka zaczyna się przechylać, żwir pozostaje w solidnym stosie, aż pod pewnym kątem nagle staje się grzmotącą skałą.
Zrozumienie fizyki ziarnistej jest niezbędne przy projektowaniu maszyn przemysłowych do obsługi ogromnych ilości małych ciał stałych, takich jak drobny piasek marsjański.
Problem polega na tym, że nawet tutaj na Ziemi „zakłady przemysłowe nie działają zbyt dobrze, ponieważ nie rozumiemy równań dla materiałów ziarnistych, a także rozumiemy równania dla cieczy i gazów”, mówi James T. Jenkins, profesor teorii i zastosował mechanikę na Cornell University w Ithaca, NY „Właśnie dlatego elektrownie węglowe działają z niską wydajnością i mają wyższe wskaźniki awaryjności w porównaniu z elektrowniami na paliwo ciekłe lub gazowe”.
Więc „czy rozumiemy przetwarzanie granularne wystarczająco dobrze, aby zrobić to na Marsie?” On pyta.
Zacznijmy od wykopalisk: „Jeśli wykopiesz rów na Marsie, jak strome mogą być boki i pozostać stabilne bez wgłębienia?” zastanawia się Stein Sture, profesor inżynierii lądowej, ochrony środowiska i architektury oraz prodziekan Uniwersytetu Kolorado w Boulder. Nie ma jednoznacznej odpowiedzi, jeszcze nie. Warstwy zakurzonych gleb i skał na Marsie nie są wystarczająco znane.
Sture zaznacza, że pewne informacje na temat składu mechanicznego górnego metra ziem marsjańskich można uzyskać za pomocą radaru penetrującego ziemię lub innych urządzeń sondujących, ale znacznie głębiej i „prawdopodobnie trzeba pobrać próbki rdzenia”. Lądownik Phoenix Mars NASA (lądowanie 2008) będzie mógł kopać rowy o głębokości około pół metra; Mars Science Laboratory 2009 będzie w stanie wycinać rdzenie skalne. Obie misje dostarczą cennych nowych danych.
Aby wejść jeszcze głębiej, Sture (we współpracy z Centrum Budowy Kosmicznej Uniwersytetu w Kolorado) opracowuje innowacyjne koparki, których działalność kończy się w glebie. Mieszanie pomaga zerwać spójne wiązania, utrzymując zagęszczone gleby razem, a także może pomóc zmniejszyć ryzyko zawalenia się gleby. Takie maszyny mogą pewnego dnia jechać także na Marsa.
Innym problemem są „leje zasypowe” - lejki używane przez górników do prowadzenia piasku i żwiru na przenośniki taśmowe w celu przetworzenia. Znajomość gleb marsjańskich byłaby niezbędna w projektowaniu najbardziej wydajnych i bezobsługowych zbiorników. „Nie rozumiemy, dlaczego lejki się zacinają” - mówi Jenkins. W rzeczywistości zacięcia są tak częste, że „na Ziemi każdy zbiornik ma w pobliżu młot”. Walenie w lejek uwalnia zacięcie. Na Marsie, gdzie było tylko kilka osób, które zajmowałyby się sprzętem, chciałbyś, aby leje działały lepiej. Jenkins i współpracownicy badają, dlaczego przepływ granularny się zacina.
A potem transport: łaziki Mars Spirit i Opportunity od 2004 r. Nie mieli problemu z przejechaniem mil wokół swoich miejsc lądowania. Ale te łaziki mają rozmiary przeciętnego biurka i są tak masywne jak dorośli. Są gokartami w porównaniu z masywnymi pojazdami potrzebnymi do transportu ton marsjańskiego piasku i skał. Większe pojazdy będą miały trudniejszy czas na poruszanie się.
Sture wyjaśnia: już w latach 60. XX wieku, kiedy naukowcy po raz pierwszy badali możliwe łaziki zasilane energią słoneczną do pokonywania luźnych piasków na Księżycu i innych planetach, obliczyli, że „maksymalne możliwe ciągłe ciśnienie toczenia nacisku na gleby marsjańskie wynosi zaledwie 0,2 funta na cal kwadratowy (psi) ”, zwłaszcza podczas podróży w górę lub w dół zbocza. Ta niska liczba została potwierdzona przez zachowanie Ducha i Szansy.
Nacisk toczenia wynoszący zaledwie 0,2 psi ”oznacza, że pojazd musi być lekki lub musi mieć sposób skutecznego rozłożenia obciążenia na wiele kół lub gąsienic. Zmniejszenie nacisku kontaktowego ma kluczowe znaczenie, ponieważ koła nie wbijają się w miękką glebę ani nie przedzierają się przez twarde skorupy [cienkie warstwy cementowanych gleb, takie jak cienka skorupa na wietrznym śniegu na Ziemi] i utkną ”.
Wymóg ten oznacza, że pojazd do przenoszenia cięższych ładunków - ludzi, siedlisk, sprzętu - może być „wielką rzeczą typu Felliniego z kołami o średnicy od 4 do 6 metrów (12 do 18 stóp)”, mówi Sture, nawiązując do słynnego włoskiego reżyser filmów surrealistycznych. Lub może mieć ogromne metalowe bieżniki o otwartych oczkach, takie jak skrzyżowanie kopniaków do budowy autostrad na Ziemi z łazikiem księżycowym używanym podczas programu Apollo na Księżycu. Tak więc pojazdy gąsienicowe lub opasane wydają się być obiecujące do przewozu dużych ładunków.
Ostatnim wyzwaniem, przed którym stoją fizycy granulowani, jest ustalenie, w jaki sposób utrzymać sprzęt w trakcie sezonowych burz pyłowych Marsa. Marsjańskie burze wyrzucają drobny pył w powietrze z prędkością 50 m / s (100+ mph), szorując każdą odsłoniętą powierzchnię, przesiewając każdą szczelinę, zakopując odsłonięte konstrukcje zarówno naturalne, jak i wytworzone przez człowieka oraz zmniejszając widoczność do metrów lub mniej. Jenkins i inni badacze badają fizykę eolicznego [wiatru] transportu piasku i pyłu na Ziemię, zarówno w celu zrozumienia powstawania i przemieszczania się wydm na Marsie, jak również w celu ustalenia, które miejsca ostatecznych siedlisk mogą być najlepiej chronione przed dominującymi wiatrami ( na przykład w dużych skałach).
Wracając do wielkiego pytania Jenkinsa: „czy rozumiemy przetwarzanie granularne wystarczająco dobrze, aby to zrobić na Marsie?” Niepokojąca odpowiedź brzmi: jeszcze nie wiemy.
Praca z niedoskonałą wiedzą jest na Ziemi w porządku, ponieważ zwykle nikt nie cierpi z powodu tej ignorancji. Ale na Marsie ignorancja może oznaczać zmniejszoną wydajność lub, co gorsza, uniemożliwić astronautom wydobycie wystarczającej ilości tlenu i wodoru do oddychania lub wykorzystania paliwa do powrotu na Ziemię.
Ziarniści fizycy analizujący dane z łazików marsjańskich, budujący nowe maszyny do kopania, majstrujący przy równaniach, robią wszystko, co w ich mocy, aby znaleźć odpowiedzi. Wszystko to jest częścią strategii NASA, aby dowiedzieć się, jak dostać się na Marsa… iz powrotem.
Oryginalne źródło: [chronione przez e-mail]
