Представьте себе этот сценарий. Год 2030 или около того. После шести месяцев полета с Земли вы и несколько других астронавтов стали первыми людьми на Марсе. Вы стоите в инопланетном мире, пыльная красная грязь у вас под ногами, оглядываетесь на кучу горного оборудования, заложенного предыдущими робототехниками.
В ваших ушах звучат последние слова из управления полетами: «Ваша миссия, если вы захотите ее принять, - это вернуться на Землю - если возможно, используя топливо и кислород, которые вы добываете из песков Марса. Удачи!"
Звучит достаточно просто, добыча сырья со скалистой песчаной планеты. Мы делаем это здесь, на Земле, почему не на Марсе тоже? Но это не так просто, как кажется. Ничего о гранулярной физике никогда не бывает.
Зернистая физика - это наука о зернах, от зерен кукурузы до песчинок и кофейных зерен. Это обычные повседневные вещества, но их очень сложно предсказать. Один момент они ведут себя как твердые вещества, а следующий как жидкости. Рассмотрим самосвал, полный гравия. Когда грузовик начинает наклоняться, гравий остается в твердой куче, пока под определенным углом не превратится в громоздкую каменную реку.
Понимание гранулированной физики имеет важное значение для проектирования промышленного оборудования для обработки больших количеств мелких твердых частиц, таких как мелкий марсианский песок.
Проблема в том, что даже здесь, на Земле, «промышленные предприятия работают не очень хорошо, потому что мы не понимаем уравнения для сыпучих материалов, а также понимаем уравнения для жидкостей и газов», - говорит Джеймс Т. Дженкинс, профессор теоретических и прикладная механика в Университете Корнелла в Итаке, штат Нью-Йорк. «Вот почему электростанции, работающие на угле, работают с низкой эффективностью и имеют более высокую частоту отказов по сравнению с электростанциями, работающими на жидком или газообразном топливе».
Итак, «понимаем ли мы гранулированную обработку достаточно хорошо, чтобы делать это на Марсе?» он спросил.
Начнем с раскопок: «Если вы выкопаете траншею на Марсе, насколько крутые стороны могут быть и оставаться устойчивыми, не прогибаясь?» Чудеса Штейн Стуре, профессор гражданского, экологического и архитектурного проектирования и заместитель декана в Университете Колорадо в Боулдере. Точного ответа пока нет. Наслаивание пыльных почв и камней на Марсе недостаточно известно.
Sture указывает, что некоторую информацию о механическом составе верхнего метра или около того марсианских почв можно получить с помощью проникающего в землю радара или других зондирующих устройств, но гораздо глубже, и вам «вероятно, необходимо взять образцы керна». Спускаемый аппарат НАСА «Феникс Марс» (приземление 2008) сможет рыть траншеи глубиной около полуметра; Научная лаборатория Марса 2009 года сможет вырезать горные породы. Обе миссии будут предоставлять ценные новые данные.
Чтобы пойти еще глубже, Sture (в связи с Центром космического строительства Университета Колорадо) разрабатывает инновационные экскаваторы, бизнес-концы которых превращаются в почву. Перемешивание помогает разрушить сплоченные связи, удерживающие уплотненные почвы, а также может помочь снизить риск разрушения почвы. Машины, подобные этим, могут когда-нибудь тоже отправиться на Марс.
Другая проблема - это «бункеры» - воронки, которые используют шахтеры для направления песка и гравия на конвейерные ленты для обработки. Знание марсианских почв будет иметь жизненно важное значение при проектировании наиболее эффективных и необслуживаемых бункеров. «Мы не понимаем, почему бункеры заедают, - говорит Дженкинс. Фактически, джемы настолько часты, что «на земле каждый бункер имеет молоток рядом». Удар по бункеру освобождает варенье. На Марсе, где будет всего несколько человек, которые будут ухаживать за оборудованием, вы бы хотели, чтобы бункеры работали лучше, чем это. Дженкинс и его коллеги исследуют, почему гранулированные потоки заедают.
И затем есть транспорт: Марсоходы Spirit и Opportunity без особых проблем проезжают мили вокруг своих посадочных площадок с 2004 года. Но эти марсоходы имеют размер только среднего офисного стола и примерно такие же большие, как взрослые. По сравнению с массивными транспортными средствами, необходимыми для перевозки тонн марсианского песка и камня, они являются каретами. Большим транспортным средствам будет сложнее передвигаться.
Стуре объясняет: еще в 1960-х годах, когда ученые впервые изучали возможные роверы на солнечных батареях для ведения переговоров о рыхлом песке на Луне и других планетах, они рассчитали, «что максимальное жизнеспособное непрерывное давление для контактного давления качения над марсианскими почвами составляет всего 0,2 фунта на квадратный дюйм (psi) », особенно при движении вверх или вниз по склонам. Эта низкая цифра была подтверждена поведением Духа и Возможностей.
Контактное давление качения всего 0,2 фунта на кв. Дюйм «означает, что транспортное средство должно быть легким или иметь способ эффективного распределения нагрузки на многие колеса или гусеницы. Снижение контактного давления имеет решающее значение, поэтому колеса не зарываются в мягкую почву и не прорываются сквозь дюрикраты [тонкие листы цементированных почв, например, тонкую корку на взорванном ветром снегу на Земле] и застревают ».
Это требование подразумевает, что транспортное средство для перемещения более тяжелых грузов - людей, мест обитания, оборудования - может быть «огромной фельинистой вещью с колесами диаметром от 4 до 6 метров (12-18 футов)», - говорит Стуре, ссылаясь на знаменитого итальянца. режиссер сюрреалистических фильмов. Или у него могут быть огромные металлические протекторы с открытой сеткой, такие как нечто среднее между экскаваторами для строительства шоссе на Земле и лунным ровером, используемым во время программы Аполлона на Луне. Таким образом, гусеничные или ременные транспортные средства кажутся перспективными для перевозки больших грузов.
Последняя задача, стоящая перед физиками гранулирования, состоит в том, чтобы выяснить, как обеспечить работу оборудования во время сезонных пыльных бурь на Марсе. Марсианские бури выбрасывают мелкую пыль в воздух со скоростью 50 м / с (100+ миль в час), прочесывая каждую открытую поверхность, просеивая каждую щель, закапывая открытые структуры, как естественные, так и искусственные, и уменьшая видимость до метров или менее. Дженкинс и другие исследователи изучают физику эолового [ветра] переноса песка и пыли на Землю, чтобы понять образование и перемещение дюн на Марсе, а также выяснить, какие места для возможных мест обитания могут быть лучше защищены от преобладающих ветров ( например, на подветренной стороне больших камней).
Возвращаясь к большому вопросу Дженкинса: «Достаточно ли хорошо мы понимаем гранулярную обработку, чтобы делать это на Марсе?» Тревожный ответ: мы еще не знаем.
Работать с несовершенным знанием хорошо на Земле, потому что обычно никто не страдает от этого невежества. Но на Марсе невежество может означать снижение эффективности или еще хуже, мешающее астронавтам добывать достаточное количество кислорода и водорода, чтобы дышать или использовать его для возвращения топлива на Землю.
Физики-физики, анализирующие данные с марсоходов, строящие новые землеройные машины, работающие с уравнениями, делают все возможное, чтобы найти ответы. Все это является частью стратегии НАСА, чтобы узнать, как добраться до Марса ... и обратно.
Первоначальный источник: [электронная почта защищена]
