Уявіть собі цей сценарій. Рік - 2030 або після цього. Провівши півроку від Землі, ви та кілька інших космонавтів - перші люди на Марсі. Ви стоїте на чужому світі, під ногами запилений червоний бруд, озираючись на купу гірничого обладнання, депонованого попередніми роботодавцями.
У вухах лунають заключні слова контролю місії: «Ваша місія, якщо ви хочете прийняти її, - це повернутися на Землю - по можливості, використовуючи паливо та кисень, які ви добуваєте з пісків Марса. Удачі!"
Звучить досить просто, видобуваючи сировину зі скелястої, піщаної планети. Ми робимо це тут, на Землі, а чому б і на Марсі? Але це не так просто, як це звучить. Нічого про зернисту фізику ніколи не існує.
Гранульована фізика - це наука про зерна, все - від ядер кукурудзи до зерна піску до кави. Це звичайні повсякденні речовини, але їх важко передбачити важко. Один момент вони поводяться як тверді речовини, наступний - як рідини. Розгляньте самоскид, сповнений гравію. Коли вантажівка починає нахилятися, гравій залишається в суцільній купі, поки під певним кутом він раптом не перетвориться на громову річку скелі.
Розуміння зернистої фізики є важливим для проектування промислових машин для обробки величезної кількості дрібних твердих речовин - як дрібний марсіанський пісок.
Проблема навіть у тому, що тут, на Землі, «промислові заводи працюють не дуже добре, тому що ми не розуміємо рівнянь для зернистих матеріалів, а також ми розуміємо рівняння для рідин і газів», - каже Джеймс Т. Дженкінс, професор теоретичних та прикладної механіки з університету Корнелла в штаті Ітака, штат Нью-Йорк. "Тому електростанції, що працюють на вугіллі, працюють з низькою ефективністю і мають більш високі показники відмов у порівнянні з електростанціями, що працюють на рідкому паливі або на газових системах".
Отже, "чи ми розуміємо гранульовану обробку досить добре, щоб зробити це на Марсі?" він питає.
Почнемо з розкопок: "Якщо ви копаєте траншею на Марсі, наскільки круті можуть бути сторони і залишатися стійкими, не заглиблюючись?" дивується Штейн Стуре, професор цивільної, екологічної та архітектурної інженерії та доцент деканату в Університеті Колорадо в Боулдері. Однозначної відповіді ще немає. Розшарування пильних ґрунтів та скель на Марсі недостатньо відома.
Деяка інформація про механічний склад верхнього метра або марсіанських ґрунтів може бути отримана за допомогою проникаючого в землю радіолокатора або інших звукових пристроїв, зазначає Sture, але набагато глибше, і вам, мабуть, потрібно взяти основні зразки. Наземний десант НАСА «Фенікс Марс» (посадка 2008 року) зможе копати траншеї глибиною близько півметра; наукова лабораторія Марса 2009 року зможе вирізати гірські ядра. Обидві місії нададуть нові цінні дані.
Щоб піти ще глибше, Sture (у зв’язку з Центром космічного будівництва Університету Колорадо) розробляє інноваційні копачі, кінці яких бізнес перетворюються на ґрунти. Агітація допомагає розірвати згуртовані зв’язки, утримуючи ущільнені ґрунти разом, а також може полегшити ризик руйнування ґрунтів. Машини, подібні цій, можуть одного разу поїхати на Марс.
Ще одна проблема - «бункери» - шахтні шахти використовують для наведення піску та гравію на конвеєрні стрічки для обробки. Знання марсіанських ґрунтів було б вкрай важливим при розробці найбільш ефективних і не потребуючих технічного обслуговування бункерів. "Ми не розуміємо, чому варення варення", - каже Дженкінс. Насправді джеми настільки часті, що "на Землі кожен бункер має молоток поруч". Стукання в бункер звільняє варення. На Марсі, де навколо буде лише кілька людей, котрі мають тенденцію до обладнання, хочете, щоб хопери працювали краще за це. Дженкінс та його колеги досліджують, чому зернисте тече варення.
І ось транспортування: Mars Rovers Spirit і Opportunity мали невеликі труднощі проїхати милі навколо своїх посадкових майданчиків з 2004 року. Але ці ровери мають приблизно розмір середнього офісного столу і настільки ж масивний, як дорослий. Вони є візками порівняно з масовими транспортними засобами, можливо, необхідними для перевезення тонн марсіанських піску та скелі. Більш великі транспортні засоби матимуть більш жорсткий час, щоб подорожувати.
Sture пояснює: Ще в 1960-х роках, коли вчені вперше вивчали можливі сонячні двигуни для переговорів над пухкими пісками на Місяці та інших планетах, вони підрахували, "що максимальний життєздатний постійний тиск для тиску кочення контакту над марсіанськими ґрунтами становить лише 0,2 фунта на один квадратний дюйм (фунт на дюйм) ", особливо під час подорожі вгору або вниз по схилах. Цей низький показник був підтверджений поведінкою Духу та Можливості.
Контактний тиск кочення лише 0,2 фунт / кв.дюйм означає, що транспортний засіб повинен мати легку вагу або повинен ефективно розподіляти навантаження на багато коліс або колії. Зниження контактного тиску має вирішальне значення, тому колеса не занурюються в м'який ґрунт і не пробиваються дюрікорти (тонкі листи цементованих ґрунтів, як тонка кірка на вітряному снігу на Землі] і не застрягають. "
Ця вимога передбачає, що транспортний засіб для переміщення більш важких вантажів - людей, місць існування, обладнання - може бути "величезною річчю типу Фелліні з колесами діаметром від 4 до 6 метрів (12-18 футів)", - говорить Sture, посилаючись на знаменитого італійця режисер сюрреалістичних фільмів. Або він може мати величезні металеві протектори з відкритою сіткою, як хрест між будівельними трасами на Землі та місячним мотоблоком, що використовувався під час програми "Аполлон" на Місяці. Таким чином, гусеничні або підтягнуті транспортні засоби здаються перспективними для великої корисної навантаження.
Останнім завданням, з яким стикаються зернисті фізики, є з'ясування того, як зберегти обладнання, яке працює в сезонних пилових бурях Марса. Марсіанські бурі скидають дрібний пил по повітрю зі швидкістю 50 м / с (100+ миль / год), очищаючи кожну відкриту поверхню, просіваючи в кожну щілину, закопуючи відкриті споруди як природні, так і рукотворні, і зменшуючи видимість на метри або менше. Дженкінс та інші дослідники вивчають фізику аеолового [вітру] транспортування піску та пилу на Землі, щоб зрозуміти утворення і переміщення дюн на Марсі, а також для того, щоб з’ясувати, які місця для можливих місць існування можуть бути найкраще захищені від переважаючих вітрів ( наприклад, у затонах великих скель).
Повертаючись до великого питання Дженкінса, "чи ми розуміємо гранульовану обробку досить добре, щоб це зробити на Марсі?" Тривожна відповідь: ми ще не знаємо.
Робота з недосконалими знаннями на Землі нормальна, тому що, зазвичай, ніхто не страждає від цього незнання. Але на Марсі незнання може означати зниження ефективності або гірше заважати космонавтам видобувати достатню кількість кисню та водню для дихання або використання палива для повернення на Землю.
Гранічні фізики, що аналізують дані з марсометів, будують нові копальні машини, майструють рівняннями, роблять свій рівень найкращим чином, щоб знайти відповіді. Це все є частиною стратегії НАСА, щоб навчитися діставатися до Марса… і знову.
Оригінальне джерело: [захищено електронною поштою]
