上得去回得來！NASA 機器人將利用火星土壤製造火箭燃料
36氪
2018-11-16

一、“燃料工廠”的主要設備
“燃料工廠”的主要設備包括可自由活動的“風化層先進表面系統操作機器人”（RASSOR）和固定的集成式“加工廠”。

RASSOR 由驅動系統和滾筒組成，是一種可在低重力條件下挖掘風化層的自動採礦車輛。RASSOR 驅動系統由電動機、變速箱等組成，在系統的最終質量中佔很大比例。由於火星表面重力加速度比地球小，難以使用普通的重型挖掘設備挖掘土壤，NASA 使用無框電機、電磁制動器和3D 打印鈦外殼等，縮小機器人體積，並將重量減少到現有挖掘機的一半。下圖為“RASSOR” 機器人樣機示意圖

 

RASSOR 有兩個相對的滾筒，每個滾筒的邊緣都裝有幾個挖掘鏟斗。當滾筒開始旋轉時，支撐它的機械臂向下傾斜，鏟斗緩慢前進，刮起少量的表層土，在地表形成淺淺的溝槽。滾筒是中空的，可收集和保存挖掘的土壤。此外，在挖掘時，兩個滾筒向相反的方向旋轉，抵消了大部分的反作用力，使RASSOR 能夠在低重力下挖掘。滾筒裝滿後，RASSOR 就會抬起手臂，向加工廠駛去。卸貨時，RASSOR 只需反向旋轉滾筒，通過鏟斗倒出土壤。

集成式的“加工廠”負責處理接下來的任務。它使用機械升降機臂將RASSOR 倒出的土壤抬升到工廠的甲板上，並將其轉移到烤爐中。烤爐會自動密封並開始加熱。附著在土壤中的水分子由乾燥的氣體吹風機排出，然後用冷凝管收集，用於下一步反應。排淨水分後，乾燥的土壤就會被傾倒在地上，由RASSOR 把它鏟起並拖走。利用NASA 正在開發的3D 打印方法，這些材料可用於建造保護結構、道路和著陸平台。

二“燃料工廠”的具體工作流程

1.開採：輪式機器人通過旋轉外部裝有鏟斗的滾筒挖掘風化層。

2.運輸：反向旋轉滾筒，機器人將收集到的風化層傾倒入升降機臂中

3.加工：烤爐加熱風化層以提取水，水被電解成氫氣和氧氣。Sabatier反應器將氫氣與從大氣中收集的二氧化碳結合，產生甲烷燃料。

4.轉移：機器臍帶臂將流體輸送到移動貯箱中。臍帶臂兩端均配備氣密門，以防止灰塵進入。

5.運達：貯箱機器人將水、氧氣和甲烷輸送到人類居住區和長期儲罐中。

6.使用和儲存：宇航員消耗水和氧氣（也用於種植植物），而燃料則在低溫液態下保存以備將來使用。

三、面臨的挑戰

在任務正式實施之前，NASA 還需要克服許多技術挑戰。
•一是火星原位資源利用系統的子系統是否可以擴展以滿足載人火星任務的需求。NASA最近的研究表明，這樣的系統需要在大約16個月內生產約7噸重的液態甲烷和約22噸重的液氧。為此，NASA必須確定在哪裡著陸和挖掘以使產量最大化，需要多少台RASSOR挖掘機，每天需要運行多少小時，二氧化碳冷凍機和Sabatier反應器的大小及功率。更重要的是，NASA需要識別哪些潛在的單點故障可能中斷表面挖掘任務並延遲隨後的載人任務，以便為系統添加適當的重複和冗餘模塊。
•二是風化層表面下的土壤-冰混合物的堅硬程度有待研究。RASSOR的鏟子在挖掘土壤與大冰塊的混合物時效果最佳，但它不適合分解巨大、堅固的冰塊。為了設計出最合適、最有效的挖掘設備，NASA需要明確火星表面下的冰和風化層的構成，設計更複雜、更強大的工具，以完成各種密度的土壤-冰混合物挖掘工作。
•三是NASA還需要解決長期儲存超冷液體的挑戰。壓力容器、絕緣技術和材料不斷改進，但目前的技術是否能支持火星表面的長期工作，還不得而知。

四、未來計劃

在未來幾年裡，NASA將研究解決上述所有挑戰。儘管長期計劃是前往火星，但NASA希望將月球作為中期目標：
1.將首先在月球表面試驗大多數設備並進行微調，以降低直接前往火星的風險；
2.繼續提高所有原型組件的功能和成熟度，使RASSOR 機器人更強、更輕，並在類似於火星的環境中進行測試；
3.繼續測試與集成烤爐和電解槽，嘗試擴大二氧化碳冷凍機和Sabatier 反應堆的規模，
4.最終使火星“燃料工廠”成為完全可以在火星上運行的系統。