Forestil dig dette scenarie. Året er 2030 eller deromkring. Efter at have rejst seks måneder fra Jorden, er du og flere andre astronauter de første mennesker på Mars. Du står på en fremmed verden, støvet rød snavs under dine fødder og kigger rundt på en flok mineudstyr, der er deponeret af tidligere robotlandere.
Ekko i dine ører er de sidste ord fra missionskontrol: ”Din mission, hvis du var interesseret i at acceptere den, er at vende tilbage til Jorden - hvis det er muligt ved hjælp af brændstof og ilt, du miner fra Mars. Held og lykke!"
Det lyder enkelt nok, minearbejder råvarer fra en stenet, sandet planet. Vi gør det her på Jorden, hvorfor ikke på Mars også? Men det er ikke så enkelt, som det lyder. Intet om granulær fysik er nogensinde.
Granulær fysik er videnskaben om korn, alt fra korn af majs til sandkorn til grund af kaffe. Dette er almindelige dagligdagsstoffer, men de kan være vanskelige at forudsige. Det ene øjeblik opfører de sig som faste stoffer, det andet som væsker. Overvej en dumpvogn fuld af grus. Når lastbilen begynder at vippe, forbliver gruset i en solid bunke, indtil den i en bestemt vinkel pludselig bliver en dundrende flod af klipper.
At forstå kornformet fysik er vigtigt for at designe industrielle maskiner til at håndtere store mængder små faste stoffer - lignende fin Martian sand.
Problemet er, selv her på jorden “industrianlæg fungerer ikke særlig godt, fordi vi ikke forstår ligninger for granulære materialer, såvel som vi forstår ligningerne for væsker og gasser,” siger James T. Jenkins, professor i teoretisk og anvendt mekanik ved Cornell University i Ithaca, NY "Derfor er kulfyrede kraftværker med lav effektivitet og har højere svigtfrekvens sammenlignet med flydende brændstof- eller gasfyrede kraftværker."
Så "forstår vi granulær behandling godt nok til at gøre det på Mars?" han spørger.
Lad os starte med udgravning: "Hvis du graver en grøft på Mars, hvor stejle kan siderne være og forblive stabile uden at kaste sig ind?" undrer Stein Sture, professor i civil-, miljø- og arkitektoniteknik og lektor ved University of Colorado i Boulder. Der er ikke et klart svar endnu ikke. Lagdelingen af støvede jordarter og sten på Mars er ikke kendt nok.
Nogle oplysninger om den mekaniske sammensætning af den øverste meter eller sådan af Marsjord kan opnås ved jordindtrængende radar eller andre lydanordninger, påpeger Sture, men meget dybere, og du "sandsynligvis nødt til at tage kerneprøver." NASAs Phoenix Mars lander (landing 2008) vil være i stand til at grave skyttegrave omkring en halv meter dyb; Mars Science Laboratory i 2009 vil være i stand til at skære klippekerner ud. Begge missioner leverer værdifulde nye data.
For at gå endnu dybere udvikler Sture (i forbindelse med University of Colorado Center for Space Construction) innovative gravere, hvis forretning ender vibrerer til jord. Agitation hjælper med at bryde sammenhængende bindinger, der holder sammenkomprimeret jord sammen, og kan også hjælpe med at mindske risikoen for, at jordbunden kollapser. Maskiner som disse kan en dag også gå til Mars.
Et andet problem er "hoppers" - de tragte, som minearbejdere bruger til at lede sand og grus på transportbånd til behandling. Kendskab til Marsjord ville være vigtig for at designe de mest effektive og vedligeholdelsesfrie tragt. ”Vi forstår ikke, hvorfor hoppers marmelade,” siger Jenkins. Papirstop er faktisk så hyppigt, at "på Jorden har enhver tragt en hammer i nærheden." At slå på tragten frigør syltetøjet. På Mars, hvor der kun var et par mennesker rundt omkring for at tendere udstyr, ville du have, at hoppers skal fungere bedre end det. Jenkins og kolleger undersøger, hvorfor granulat flyder marmelade.
Og så er der transport: Mars-roverne Spirit og Opportunity har haft få problemer med at køre miles rundt på deres landingssteder siden 2004. Men disse rovere er kun på størrelse med et gennemsnitligt kontorpult og kun omkring lige så massivt som en voksen. De er go-carts sammenlignet med de massive køretøjer, der muligvis er nødvendige for at transportere tonsvis af Martian sand og klippe. Større køretøjer får det sværere at komme rundt.
Sture forklarer: Allerede i 1960'erne, da forskerne først studerede mulige sol-drevne rover til at forhandle løs sand på Månen og andre planeter, beregnet de “at det maksimale levedygtige kontinuerlige tryk for rullende kontakttryk over Marsjord er kun 0,2 pund pr. kvadrat tomme (psi), ”især når man rejser op eller ned ad skråninger. Dette lave tal er blevet bekræftet af Spirit og Opportunity's opførsel.
Et rullende kontakttryk på kun 0,2 psi “betyder, at et køretøj skal være let eller skal have en måde at effektivt fordele belastningen til mange hjul eller spor. Det er vigtigt at reducere kontakttrykket, så hjulene ikke graver ned i blød jord eller bryder igennem hårskaller [tynde lag med cementeret jord, som den tynde skorpe på vindblæst sne på Jorden] og sidder fast. ”
Dette krav indebærer, at et køretøj til at bevæge tungere belastninger - mennesker, levesteder, udstyr - måske er "en enorm Fellini-type med hjul 4 til 6 meter (12 til 18 fod) i diameter," siger Sture og henviser til den berømte italienske instruktør af surrealistiske film. Eller det kan have enorme åbne mesh metalbånd som en krydsning mellem motorvejsbygningsgravere på Jorden og månens rover, der blev brugt under Apollo-programmet på Månen. Således bælte eller bælte køretøjer virker lovende for at bære store nyttelast.
En sidste udfordring, som granulære fysikere står overfor, er at finde ud af, hvordan man kan holde udstyr, der fungerer gennem Mars 'sæsonbestemte støvstorm. Mars storme pisker fint støv gennem luften ved hastigheder på 50 m / s (100+ mph), skør hver udsat overflade, sigtes i hver spalte, begraver udsatte strukturer både naturlige og menneskeskabte og reducerer synligheden til meter eller mindre. Jenkins og andre efterforskere studerer fysikken i æolisk [vind] -transport af sand og støv på Jorden, både for at forstå dannelsen og bevægelsen af klitter på Mars, og også for at finde ud af, hvilke steder til eventuelle levesteder der bedst kan beskyttes mod herskende vind ( for eksempel i leen af store klipper).
Når vi vender tilbage til Jenkins store spørgsmål, "forstår vi granuleret behandling godt nok til at gøre det på Mars?" Det foruroligende svar er: vi ved endnu ikke.
At arbejde med ufuldkommen viden er okay på Jorden, fordi der som regel ingen lider meget af denne uvidenhed. Men på Mars kan uvidenhed betyde reduceret effektivitet eller værre forhindre astronauterne i at udvinde nok ilt og brint til at trække vejret eller bruge til brændstof til at vende tilbage til Jorden.
Granulære fysikere, der analyserer data fra Mars-roverne, bygger nye graveringsmaskiner, klinker med ligninger, gør deres niveau bedst for at finde svarene. Det er alt sammen en del af NASAs strategi at lære at komme til Mars… og tilbage igen.
Oprindelig kilde: [beskyttet via e-mail]
