Se for deg dette scenariet. Året er 2030 eller derimot. Etter å ha reist seks måneder fra Jorden, er du og flere andre astronauter de første menneskene på Mars. Du står på en fremmed verden, støvet rød skitt under føttene og ser deg rundt på en haug gruveutstyr som er deponert av tidligere robotlandere.
Ekko i ørene dine er de siste ordene fra misjonskontrollen: ”Oppdraget ditt, hvis du vil ta vare på det, er å returnere til Jorden - om mulig å bruke drivstoff og oksygen du gruver fra Mars-sandene. Lykke til!"
Det høres enkelt ut, gruvedrift av råvarer fra en steinete, sandete planet. Vi gjør det her på jorden, hvorfor ikke på Mars også? Men det er ikke så enkelt som det høres ut. Ingenting om kornformet fysikk er det noensinne.
Granulær fysikk er vitenskapen om korn, alt fra korn av mais til korn av sand til grunn av kaffe. Dette er vanlige hverdagsstoffer, men de kan være vanskelig å forutsi. Det ene øyeblikket oppfører de seg som faste stoffer, i det andre som væsker. Tenk en dump full av grus. Når lastebilen begynner å vippe, forblir grusen i en solid haug, til det i en viss vinkel plutselig blir en dundrende elv av stein.
Å forstå kornformet fysikk er avgjørende for å designe industrimaskiner for å håndtere store mengder små faste stoffer som fin martinsand.
Problemet er, selv her på jorden “industrianlegg fungerer ikke veldig bra fordi vi ikke forstår ligninger for kornete materialer, så vel som vi forstår ligningene for væsker og gasser,” sier James T. Jenkins, professor i teoretisk og anvendt mekanikk ved Cornell University i Ithaca, NY "Det er grunnen til at kullkraftverk driver med lav effektivitet og har høyere feilprosent sammenlignet med flytende drivstoff eller gasskraftverk."
Så "forstår vi kornformet behandling godt nok til å gjøre det på Mars?" han spør.
La oss starte med utgraving: "Hvis du graver en grøft på Mars, hvor bratte kan sidene være og forbli stabile uten å kaste seg inn?" undrer Stein Sture, professor i sivil-, miljø- og arkitektteknikk og førsteamanuensis dekan ved University of Colorado i Boulder. Det er ikke noe klart svar ennå. Lagdelingen av støvete jordsmonn og stein på Mars er ikke godt nok kjent.
Noe informasjon om den mekaniske sammensetningen av den øverste meteren eller så til marsjord kan oppnås ved markinntrengende radar eller andre lydanordninger, påpeker Sture, men mye dypere, og du "sannsynligvis trenger å ta kjerneprøver." NASAs Phoenix Mars lander (landing 2008) vil være i stand til å grave skyttergraver på omtrent en halv meter dyp; Mars Science Laboratory fra 2009 vil kunne kutte ut bergkjerner. Begge oppdragene vil gi verdifulle nye data.
For å gå enda dypere utvikler Sture (i forbindelse med University of Colorado Center for Space Construction) innovative graver hvis virksomhet ender vibrerer til jord. Agitasjon hjelper til med å bryte sammenhengende bindinger som holder sammen komprimert jordsmonn og kan også bidra til å redusere risikoen for at jordsmonnet faller sammen. Maskiner som disse kan en dag dra til Mars også.
Et annet problem er "hoppers" - traktene gruvearbeidere bruker for å lede sand og grus på transportbånd for prosessering. Kunnskap om marsjord vil være avgjørende for å utforme de mest effektive og vedlikeholdsfrie hoppere. "Vi forstår ikke hvorfor hopper syltetøy," sier Jenkins. Papirstopp er faktisk så hyppig at "på jorden har hver hopper en hammer i nærheten." Å slå på hopperen frigjør syltetøyet. På Mars, hvor det bare var noen få mennesker rundt for å anskaffe utstyr, ville du ønske at hoppere skal fungere bedre enn det. Jenkins og kolleger forsker på hvorfor granulat flyter syltetøy.
Og så er det transport: Mars-roverne Spirit og Opportunity har hatt lite problemer med å kjøre mil rundt på landingsplassene sine siden 2004. Men disse roverne er bare på størrelse med et gjennomsnittlig kontorpult og bare omtrent like store som en voksen. De er godsvogner sammenlignet med de enorme kjøretøyene som muligens trengs for å transportere tonnevis av martinsand og stein. Større kjøretøy vil ha det tøffere å komme seg rundt.
Sture forklarer: Så tidlig på 1960-tallet, da forskerne første gang studerte mulige sol-drevne elver for å forhandle løs sand på Månen og andre planeter, beregnet de “at det maksimale levedyktige kontinuerlige trykket for rullende kontakttrykk over Marsjord er bare 0,2 pund pr. kvadratmeter (psi), ”spesielt når du reiser opp eller ned bakkene. Dette lave tallet er bekreftet av oppførselen til Spirit and Opportunity.
Et rullende kontakttrykk på bare 0,2 psi “betyr at et kjøretøy må være lett eller må ha en måte å effektivt fordele belastningen på mange hjul eller spor. Å redusere kontaktpresset er avgjørende, slik at hjulene ikke graver seg ned i myk jord eller bryter gjennom durusrus [tynne ark med sementert jord, som den tynne skorpen på vindblåst snø på jorden] og setter seg fast. "
Dette kravet innebærer at et kjøretøy for å bevege tyngre belastninger - mennesker, naturtyper, utstyr - kan være "en stor ting av Fellini-typen med hjul på 4 til 6 meter (12 til 18 fot) i diameter," sier Sture, med henvisning til den berømte italieneren regissør av surrealistiske filmer. Eller det kan ha enorme, åpne masker av metall, som en krysning mellom motorveggstrukturer på jorden og måneskytteren som ble brukt under Apollo-programmet på Månen. Dermed virker beltet eller beltet kjøretøy lovende for å ha store nyttelast.
En siste utfordring som kornformede fysikere står overfor, er å finne ut hvordan man kan holde utstyr som fungerer gjennom Mars 'sesongstøvstorm. Martian stormer pisker fint støv gjennom luften med hastigheter på 50 m / s (100+ mph), skurer hver eksponert overflate, siler i hver sprekk, begraver utsatte strukturer både naturlige og menneskeskapte, og reduserer synligheten til meter eller mindre. Jenkins og andre etterforskere studerer fysikken i eolisk vind som transporterer sand og støv på jorden, både for å forstå dannelsen og flyttingen av sanddyner på Mars, og også for å finne ut hvilke steder for eventuelle naturtyper som best kan beskyttes mot rådende vind ( for eksempel i lee av store bergarter).
Når vi kommer tilbake til Jenkins store spørsmål, "forstår vi kornformet behandling godt nok til å gjøre det på Mars?" Det foruroligende svaret er: vi vet ennå ikke.
Å jobbe med ufullkommen kunnskap er greit på jorden fordi ingen vanligvis lider mye av den uvitenheten. Men på Mars kan uvitenhet bety redusert effektivitet eller verre hindre astronautene i å utvinne nok oksygen og hydrogen til å puste eller bruke drivstoff til å returnere til Jorden.
Granulære fysikere som analyserer data fra Mars-roverne, bygger nye gravemaskiner, purrer med ligninger, gjør sitt beste for å finne svarene. Det hele er en del av NASAs strategi for å lære hvordan du kommer til Mars ... og tilbake igjen.
Original kilde: [e-postbeskyttet]
