Imaginează-ți acest scenariu. Anul este 2030 sau mai târziu. După ce ai călătorit șase luni de pe Pământ, tu și câțiva alți astronauți sunteți primii oameni de pe Marte. Vă aflați pe o lume străină, cu murdărie roșie prăfuită de sub picioare, căutați în jur o grămadă de echipamente miniere depuse de proprietarii robotici precedenți.
Răsunând în urechile voastre sunt cuvintele finale ale controlului misiunii: „Misiunea dvs., dacă doriți să o acceptați, este să vă întoarceți pe Pământ - dacă este posibil, folosind combustibil și oxigen pe care îl minați din nisipurile Marte. Mult noroc!"
Sună destul de simplu, minând materiile prime de pe o planetă stâncoasă și nisipoasă. O facem aici pe Pământ, de ce nu și pe Marte? Dar nu este atât de simplu pe cât pare. Nimic despre fizica granulară nu este niciodată.
Fizica granulară este știința boabelor, totul, de la sâmburii de porumb până la boabe de nisip până la motive de cafea. Acestea sunt substanțe obișnuite de zi cu zi, dar pot fi dificil de prevăzut. Un moment se comportă ca solidele, următorul ca lichidele. Luați în considerare un basculant plin cu pietriș. Când camionul începe să se înclineze, pietrișul rămâne într-o grămadă solidă, până când la un anumit unghi devine brusc un râu tunet.
Înțelegerea fizicii granulare este esențială pentru proiectarea utilajelor industriale pentru a face față cantităților mari de solide mici, precum nisipul fin marțian.
Problema este că, chiar și aici, pe Pământ „plantele industriale nu funcționează foarte bine pentru că nu înțelegem ecuațiile pentru materialele granulare, precum și înțelegem ecuațiile pentru lichide și gaze”, spune James T. Jenkins, profesor de teoretică și mecanică aplicată la Universitatea Cornell din Ithaca, NY „De aceea centralele electrice pe cărbune funcționează cu eficiență scăzută și au rate de defecțiune mai mari în comparație cu centralele cu combustibil lichid sau cu gaz.”
Deci „înțelegem procesarea granulară suficient de bine pentru a o face pe Marte?” el intreaba.
Să începem cu săpăturile: „Dacă săpați un șanț pe Marte, cât de abrupte pot fi părțile laterale și să rămână stabile fără a face spele?” se întreabă Stein Sture, profesor de inginerie civilă, de mediu și arhitectură și decan asociat la Universitatea din Colorado din Boulder. Nu există încă niciun răspuns definit. Straturile de soluri prăfuite și stâncă de pe Marte nu sunt suficient de cunoscute.
Sature subliniază unele informații despre compoziția mecanică a contorului de vârf sau mai mult a solurilor marțiene, a arătat un radar care pătrunde la sol sau alte dispozitive de sunet. Aterizatorul Phoenix Mars de la NASA (aterizare 2008) va putea săpa tranșee la o adâncime de jumătate de metru; Laboratorul de Știință Marte din 2009 va putea tăia miezurile de rocă. Ambele misiuni vor furniza date noi valoroase.
Pentru a merge și mai în profunzime, Sture (în legătură cu Centrul pentru construcția spațială a Universității din Colorado) dezvoltă sapatoare inovatoare a căror afacere sfârșește să vibreze în soluri. Agitația ajută la ruperea legăturilor de coeziune care dețin soluri compactate împreună și poate contribui, de asemenea, la atenuarea riscului de prăbușire a solurilor. Mașini ca acestea ar putea merge într-o zi și la Marte.
O altă problemă este „buncărurile” - minerii de pâlnii le folosesc pentru a ghida nisipul și pietrișul pe benzile transportoare pentru prelucrare. Cunoașterea solurilor marțiene ar fi vitală în proiectarea celor mai eficiente și fără întreținere de buncăr. „Nu înțelegem de ce se blochează buncărurile”, spune Jenkins. Blocurile sunt atât de frecvente, încât „pe Pământ, fiecare buncăr are un ciocan aproape.” Banging pe buncăr eliberează blocajul. Pe Marte, unde ar exista doar câțiva oameni în jur pentru a tinde echipament, ați dori ca buncarii să funcționeze mai bine decât atât. Jenkins și colegii cercetează de ce se blochează fluxurile granulare.
Și apoi există transportul: The Mars rovers Spirit și Opportunity au avut probleme mici să conducă kilometri în jurul locurilor de aterizare din 2004. Dar acești rovers au doar dimensiunea unui birou mediu și doar la fel de masiv ca un adult. Sunt cărucioare în comparație cu vehiculele masive posibile pentru transportul de tone de nisip și rocă marțiană. Vehiculele mai mari vor avea un timp mai dificil.
Sture explică: încă din anii ’60, când oamenii de știință studiau pentru prima dată posibilele roveruri cu energie solară pentru negocierea nisipurilor libere pe Lună și alte planete, ei au calculat „că presiunea continuă viabilă maximă pentru presiunea de contact de rulare pe solurile marțiene este de doar 0,2 lire pe centimetru pătrat (psi) ”, în special atunci când călătoriți în sus sau în jos. Această cifră scăzută a fost confirmată de comportamentul Spiritului și al Oportunității.
O presiune de contact de rulare de numai 0,2 psi „înseamnă că un vehicul trebuie să fie ușor sau trebuie să aibă un mod de a distribui în mod eficient sarcina pe multe roți sau șine. Reducerea presiunii de contact este crucială, astfel încât roțile să nu se săpa în solul moale sau să se spargă prin durcrusturi [foi subțiri de soluri cimentate, cum ar fi crusta subțire de pe zăpada de pe Pământ] și să se blocheze. "
Această cerință implică faptul că un vehicul pentru mișcarea încărcăturilor mai grele - oameni, habitate, echipamente - ar putea fi „un lucru uriaș de tip Fellini, cu roți de 4 până la 6 metri (12 până la 18 metri)”, spune Sture, referindu-se la celebrul italian regizor de filme suprarealiste. Sau s-ar putea să aibă niște trepte enorme de metal cu plasă deschisă, precum o încrucișare între șoselele de construcție a autostrăzilor pe Pământ și roverul lunar folosit în timpul programului Apollo pe Lună. Astfel, vehiculele cu șenile sau cu centură par promițătoare pentru a transporta sarcini utile mari.
O ultimă provocare cu care se confruntă fizicienii granulari este de a descoperi cum să păstreze echipamentele care funcționează prin furtunile de praf de pe Marte. Furtunile marțiene biciuiesc praful fin prin aer la viteze de 50 m / s (100+ mph), scurgând fiecare suprafață expusă, cernând în fiecare crevată, îngropând structuri expuse atât naturale cât și artificiale și reducând vizibilitatea la metri sau mai puțin. Jenkins și alți investigatori studiază fizica transportului eolian [vânt] de nisip și praf pe Pământ, atât pentru a înțelege formarea și deplasarea dunelor pe Marte, cât și pentru a stabili ce site-uri pentru habitate eventual pot fi protejate cel mai bine de vânturile predominante ( de exemplu, în stânca rocilor mari).
Revenind la marea întrebare a lui Jenkins, „înțelegem procesarea granulară suficient de bine pentru a o face pe Marte?” Răspunsul neliniștitor este: nu știm încă.
Lucrul cu cunoștințe imperfecte este în regulă pe Pământ, deoarece, de obicei, nimeni nu suferă prea mult de această ignoranță. Dar pe Marte, ignoranța ar putea însemna eficiență redusă sau mai rău împiedicând astronauții să extragă suficient oxigen și hidrogen pentru a respira sau utiliza pentru combustibil pentru a reveni pe Pământ.
Fizicienii granulari care analizează datele din rovers Marte, construiesc noi mașini de săpat, tinkering cu ecuații, fac cel mai bun nivel pentru a găsi răspunsurile. Aceasta face parte din strategia NASA de a învăța cum să ajungeți pe Marte ... și înapoi.
Sursa originală: [email protected]
