Kuvittele tämä skenaario. Vuosi on 2030 tai sen jälkeen. Kuuden kuukauden matkan jälkeen Maasta, sinä ja monet muut astronautit olette ensimmäisiä ihmisiä Marsilla. Seisoit vieraassa maailmassa, jaloosi alla on pölyistä punaista likaa, ja katsot ympärillesi joukko kaivoslaitteita, jotka ovat tallentaneet aikaisemmat robottilaskurit.
Kaiku korvissasi ovat operaation hallinnan viimeiset sanat: ”Sinun tehtäväsi on palata Maahan - jos mahdollista, käyttämällä polttoainetta ja happea, jos kaivoit Marsin hiekalta, jos hyväksyt sen. Onnea!"
Se kuulostaa tarpeeksi yksinkertaiselta, kaivokselta raaka-aineita kallioiselta, hiekkaiselta planeetalta. Teemme sen täällä maan päällä, miksi ei myöskään Marsilla? Mutta se ei ole niin yksinkertaista kuin miltä se kuulostaa. Mikään rakeisesta fysiikasta ei ole koskaan.
Rakeinen fysiikka on tiedejyvä, kaikkea maissin ytimistä hiekan jyviin ja kahvin jauheisiin. Nämä ovat tavallisia päivittäisiä aineita, mutta niitä voi olla kiusallisesti vaikea ennustaa. Yksi hetki he käyttäytyvät kuin kiinteät aineet, seuraavana kuin nesteet. Harkitse soraa täynnä kippiautoa. Kun kuorma-auto alkaa kallistaa, sora pysyy kiinteässä kasassa, kunnes tietystä kulmasta se yhtäkkiä muuttuu ukkostavaksi kalliojoeksi.
Rakeisen fysiikan ymmärtäminen on välttämätöntä, kun suunnitellaan teollisuuskoneita käsittelemään suuria määriä pieniä kiintoaineita - kuten hienoa marsilaista hiekkaa.
Ongelmana on, että jopa täällä maan päällä "teollisuuslaitokset eivät toimi kovin hyvin, koska emme ymmärrä rakeisten materiaalien yhtälöitä sekä ymmärrämme nesteiden ja kaasujen yhtälöitä", sanoo teoreettisen ja teoreettisen professorin James T. Jenkins soveltuva mekaniikka Cornellin yliopistossa Ithacan osavaltiossa, NY "Siksi hiilellä toimivat voimalaitokset toimivat alhaisella hyötysuhteella ja niiden häiriöaste on korkeampi kuin nestemäisten polttoaineiden tai kaasukäyttöisten voimalaitosten."
Joten "ymmärrämme rakeisen prosessoinnin tarpeeksi hyvin tehdäksemme sen Marsilla?" hän kysyy.
Aloitetaan kaivauksilla: "Jos kaivaa kaivoa Marsiin, kuinka jyrkät sivut voivat olla ja pysyä vakaina luopumatta?" ihmettelee Stein Sture, siviili-, ympäristö- ja arkkitehtuurin professori ja apulaisprofessori Coloradon yliopistossa Boulderissa. Ei ole olemassa tarkkaa vastausta, ei vielä. Pölyisen maaperän ja kallion kerrostaminen Marsiin ei ole riittävän tiedossa.
Sture huomauttaa, että jonkin verran tietoa Marsin maaperän korkeimman metrin mekaanisesta koostumuksesta saadaan maahan tunkeutuvalla tutkalla tai muulla äänentoistolaitteella, Sture huomauttaa, mutta paljon syvemmälle ja sinun “todennäköisesti on otettava ydinnäytteet”. NASA: n Phoenix Mars -laskulaite (lasku 2008) pystyy kaivaa noin puoli metriä syviä kaivoja; vuoden 2009 Mars Science Laboratory pystyy leikkaamaan kivisydämet. Molemmat tehtävät tarjoavat arvokasta uutta tietoa.
Mennäksesi vielä syvemmälle Sture (yhdessä Coloradon yliopiston avaruusrakentamiskeskuksen kanssa) kehittää innovatiivisia kaivureita, joiden liiketoiminnan päät värähtelevät maaperään. Sekoitus auttaa hajottamaan koheesioidut sidokset, jotka pitävät tiivistetyt maaperät yhdessä, ja voi myös auttaa lieventämään maaperän romahtamisen riskiä. Nämä koneet saattavat jonain päivänä mennä myös Marsille.
Toinen ongelma on ”suppilot” - suppilojen kaivostyöläiset ohjaavat hiekkaa ja soraa kuljetushihnoille jalostettavaksi. Marsin maaperän tunteminen olisi välttämätöntä suunnitellessaan tehokkaimmat ja huoltovapaan säiliöt. "Emme ymmärrä miksi säiliöt juuttuvat", Jenkins sanoo. Tukkeumia on itse asiassa niin usein, että "Maapallolla jokaisella täyttösuppilolla on vasara lähellä." Täyttämällä suppilo vapauttaa tukoksen. Marsilla, jossa ympäriinsä olisi vain muutama henkilö, jolla on taipumus varusteisiin, haluat, että säiliöt toimivat paremmin. Jenkins ja hänen kollegansa tutkivat miksi rakeinen virtaus juuttuu.
Ja sitten tapahtuu kuljetus: Marsin kuljettajilla Spirit ja Opportunitylla on ollut pieniä vaikeuksia ajettaessa maileja maihin laskeutumiskohtiensa ympärillä vuodesta 2004. Mutta nämä roversit ovat vain keskimääräisen toimistopöydän kokoisia ja vain suunnilleen yhtä massiivisia kuin aikuiset. Ne ovat kuljetuskärryjä verrattuna massiivisiin ajoneuvoihin, joita mahdollisesti tarvitaan tonttien marsilaisen hiekan ja kallion kuljettamiseen. Isommilla ajoneuvoilla on kovempaa liikkua.
Sture selittää: Jo 1960-luvulla, kun tutkijat tutkivat ensin mahdollisia aurinkoenergialla käytettäviä roversteja löysän hiekan neuvottelemiseksi Kuussa ja muilla planeetoilla, he laskivat ”, että maksilaisten elinkelpoisten jatkuvien paineiden valssauskosketuspaine Marsin maaperässä on vain 0,2 puntaa per neliötuumainen (psi) ”, etenkin ylös- tai alaspäin rinteessä. Tämän alhaisen luvun on vahvistanut Hengen ja Mahdollisuuksien käyttäytyminen.
Vain 0,2 psi: n vierintäkosketuspaine tarkoittaa, että ajoneuvon on oltava kevyt tai sen on oltava tapa jakaa kuorma tehokkaasti moniin pyöriin tai raiteisiin. Kosketuspaineen pienentäminen on ratkaisevan tärkeää, jotta pyörät eivät kaivaa pehmeää maaperää tai murtaudu duricrusts-levyjen läpi (ohuet sementoidun maaperän levyt, kuten ohut kuori maapallon tuulipuhallin lumella) ja juuttuvat. "
Tämä vaatimus merkitsee, että raskaampien kuormien - ihmisten, elinympäristöjen, laitteiden - siirtämiseen tarkoitettu ajoneuvo voi olla ”valtava Fellini-tyyppinen esine, jonka pyörät ovat halkaisijaltaan 4–6 metriä (12–18 jalkaa)”, Sture sanoo viitaten kuuluisalle italialaiselle surrealististen elokuvien ohjaaja. Tai siinä voi olla valtavia avoimen verkon metallisia kulutuspintoja, kuten maanteillä rakennettavien kaivojen ja Kuun Apollo-ohjelman aikana käytetyn kuunroottorin välinen ristikko. Näin ollen telaketju- tai hihna-ajoneuvot näyttävät lupaavilta suurten hyötykuormien kuljettamiseksi.
Viimeinen haaste rakeisille fyysikoille on selvittää, kuinka laitteistot toimivat Marsin kausittaisten pölymyrskyjen läpi. Marsin myrskyt piiskaavat hienoa pölyä ilman läpi nopeudella 50 m / s (100+ mph), hankaavat jokaisen paljaan pinnan, seuloavat jokaiseen rakoon, hautaavat paljaat rakenteet sekä luonnollisia että ihmisen tekemiä ja vähentävät näkyvyyttä metriin tai vähemmän. Jenkins ja muut tutkijat tutkivat hiekan ja pölyn kuljettamista eolilaisilla tuulilla maan päällä sekä ymmärtääksesi dyynien muodostumista ja liikkumista Marsilla että myös selvittääkseen, mitkä mahdollisten elinympäristöjen paikat saattavat olla parhaiten suojattu vallitsevalta tuulelta ( esimerkiksi suurten kivien suihkussa).
Palataan takaisin Jenkinsin suureen kysymykseen, "ymmärrämmekö rakeisen prosessoinnin tarpeeksi hyvin tehdäksemme sen Marsilla?" Hämmentävä vastaus on: emme vielä tiedä.
Epätäydellisen tiedon kanssa työskenteleminen on kunnossa maan päällä, koska yleensä kukaan ei kärsi paljon siitä tietämättömyydestä. Mutta Marsilla tietämättömyys voi tarkoittaa heikentynyttä tehokkuutta tai pahempaa estää astronauteja louhimasta tarpeeksi happea ja vetyä hengittämään tai käyttämään polttoaineena palatakseen Maahan.
Rakeiset fyysikot, jotka analysoivat Marsin reiteillä saatuja tietoja, rakentavat uusia kaivukoneita, peittävät yhtälöitä, tekevät parhaansa tasonsa löytääkseen vastaukset. Se on kaikki osa NASA: n strategiaa oppia pääsemään Marsille… ja takaisin.
Alkuperäinen lähde: [sähköposti suojattu]
