Stellen Sie sich dieses Szenario vor. Das Jahr ist ungefähr 2030. Nachdem Sie sechs Monate von der Erde aus gereist sind, sind Sie und mehrere andere Astronauten die ersten Menschen auf dem Mars. Sie stehen auf einer fremden Welt, staubroter Schmutz unter Ihren Füßen, und sehen sich nach einer Reihe von Bergbaumaschinen um, die von früheren Roboterlandern deponiert wurden.
In Ihren Ohren widerhallen die letzten Worte der Missionskontrolle: „Wenn Sie es akzeptieren möchten, besteht Ihre Mission darin, zur Erde zurückzukehren - wenn möglich mit Treibstoff und Sauerstoff, die Sie aus dem Sand des Mars gewinnen. Viel Glück!"
Es klingt einfach genug, Rohstoffe von einem felsigen, sandigen Planeten abzubauen. Wir machen das hier auf der Erde, warum nicht auch auf dem Mars? Aber es ist nicht so einfach, wie es sich anhört. Nichts über granulare Physik ist jemals.
Die körnige Physik ist die Wissenschaft der Körner, von Maiskörnern über Sandkörner bis hin zu Kaffeesatz. Dies sind alltägliche Substanzen, die jedoch sehr schwer vorherzusagen sind. In einem Moment verhalten sie sich wie Feststoffe, im nächsten wie Flüssigkeiten. Stellen Sie sich einen Muldenkipper voller Kies vor. Wenn der LKW zu kippen beginnt, bleibt der Kies auf einem festen Haufen, bis er in einem bestimmten Winkel plötzlich zu einem donnernden Felsfluss wird.
Das Verständnis der Granularphysik ist für die Entwicklung von Industriemaschinen für große Mengen kleiner Feststoffe wie feinen Mars-Sand von entscheidender Bedeutung.
Das Problem ist, dass selbst hier auf der Erde „Industrieanlagen nicht sehr gut funktionieren, weil wir die Gleichungen für körnige Materialien nicht so gut verstehen wie die Gleichungen für Flüssigkeiten und Gase“, sagt James T. Jenkins, Professor für Theorie und Angewandte Mechanik an der Cornell University in Ithaca, NY „Deshalb arbeiten Kohlekraftwerke mit geringem Wirkungsgrad und höheren Ausfallraten im Vergleich zu Flüssigbrennstoff- oder Gaskraftwerken.“
"Verstehen wir die granulare Verarbeitung gut genug, um dies auf dem Mars zu tun?" er fragt.
Beginnen wir mit der Ausgrabung: "Wenn Sie einen Graben auf dem Mars graben, wie steil können die Seiten sein und stabil bleiben, ohne nachzulassen?" wundert sich Stein Sture, Professor für Bau-, Umwelt- und Architekturingenieurwesen und Associate Dean an der University of Colorado in Boulder. Es gibt noch keine endgültige Antwort. Die Schichtung von staubigen Böden und Felsen auf dem Mars ist nicht gut genug bekannt.
Einige Informationen über die mechanische Zusammensetzung des obersten Messgeräts von Marsböden könnten durch Bodenradar oder andere Schallgeräte gewonnen werden, betont Sture, aber viel tiefer, und Sie müssen „wahrscheinlich Kernproben entnehmen“. Der Phoenix Mars Lander der NASA (Landung 2008) wird in der Lage sein, etwa einen halben Meter tiefe Gräben zu graben. Das Mars Science Laboratory 2009 wird in der Lage sein, Gesteinskerne auszuschneiden. Beide Missionen werden wertvolle neue Daten liefern.
Um noch tiefer zu gehen, entwickelt Sture (in Verbindung mit dem Center for Space Construction der Universität von Colorado) innovative Bagger, deren Geschäftsende in Böden vibriert. Das Rühren hilft, zusammenhängende Bindungen aufzubrechen, die verdichtete Böden zusammenhalten, und kann auch dazu beitragen, das Risiko eines Zusammenbruchs der Böden zu verringern. Maschinen wie diese könnten eines Tages auch zum Mars gehen.
Ein weiteres Problem sind „Trichter“ - die Trichter, mit denen Bergleute Sand und Kies zur Verarbeitung auf Förderbänder leiten. Die Kenntnis der Marsböden wäre für die Entwicklung der effizientesten und wartungsfreiesten Trichter von entscheidender Bedeutung. "Wir verstehen nicht, warum Hopper Marmelade", sagt Jenkins. Staus sind in der Tat so häufig, dass „auf der Erde jeder Trichter einen Hammer in der Nähe hat“. Wenn Sie auf den Trichter schlagen, wird die Marmelade freigesetzt. Auf dem Mars, wo nur wenige Leute für die Ausrüstung zuständig sind, möchten Sie, dass die Hopper besser funktionieren. Jenkins und Kollegen untersuchen, warum sich körnige Flüsse verklemmen.
Und dann ist da noch der Transport: Die Mars-Rover Spirit und Opportunity hatten seit 2004 kaum Probleme, kilometerweit um ihre Landeplätze zu fahren. Diese Rover sind jedoch nur etwa so groß wie ein durchschnittlicher Schreibtisch und nur so massiv wie ein Erwachsener. Sie sind Gokarts im Vergleich zu den massiven Fahrzeugen, die möglicherweise für den Transport von Tonnen Mars-Sand und Fels benötigt werden. Größere Fahrzeuge werden es schwerer haben, sich fortzubewegen.
Sture erklärt: Bereits in den 1960er Jahren, als Wissenschaftler erstmals mögliche solarbetriebene Rover untersuchten, um losen Sand auf dem Mond und anderen Planeten zu überwinden, berechneten sie, „dass der maximal lebensfähige Dauerdruck für den Rollkontaktdruck über Marsböden nur 0,2 Pfund pro beträgt Quadratzoll (psi) “, insbesondere beim Auf- und Abfahren von Hängen. Diese niedrige Zahl wurde durch das Verhalten von Geist und Gelegenheit bestätigt.
Ein Rollkontaktdruck von nur 0,2 psi bedeutet, dass ein Fahrzeug leicht sein oder die Last effektiv auf viele Räder oder Ketten verteilen kann. Die Reduzierung des Anpressdrucks ist entscheidend, damit die Räder nicht in weichen Boden graben oder Duricrusts [dünne Schichten zementierter Böden, wie die dünne Kruste auf windgeblasenem Schnee auf der Erde] durchbrechen und stecken bleiben. "
Diese Anforderung impliziert, dass ein Fahrzeug zum Bewegen schwererer Lasten - Menschen, Lebensräume, Ausrüstung - „ein riesiges Fellini-Ding mit Rädern mit einem Durchmesser von 4 bis 6 Metern“ sein könnte, sagt Sture und bezieht sich auf den berühmten Italiener Regisseur von surrealen Filmen. Oder es hat enorme Metallprofile mit offenen Maschen wie eine Kreuzung zwischen Baggerladern auf der Erde und dem Mondrover, der während des Apollo-Programms auf dem Mond verwendet wurde. Ketten- oder Riemenfahrzeuge scheinen daher vielversprechend für den Transport großer Nutzlasten zu sein.
Eine letzte Herausforderung für körnige Physiker besteht darin, herauszufinden, wie Geräte durch die saisonalen Staubstürme des Mars in Betrieb bleiben können. Marsstürme peitschen Feinstaub mit einer Geschwindigkeit von 50 m / s durch die Luft, scheuern jede exponierte Oberfläche, sieben in jeden Spalt, vergraben exponierte natürliche und künstliche Strukturen und reduzieren die Sicht auf Meter oder weniger. Jenkins und andere Forscher untersuchen die Physik des äolischen [Wind-] Transports von Sand und Staub auf der Erde, um sowohl die Bildung und Bewegung von Dünen auf dem Mars zu verstehen als auch um festzustellen, welche Standorte für mögliche Lebensräume am besten vor vorherrschenden Winden geschützt werden könnten ( zum Beispiel im Windschatten großer Felsen).
Zurück zu Jenkins großer Frage: "Verstehen wir die granulare Verarbeitung gut genug, um dies auf dem Mars zu tun?" Die beunruhigende Antwort lautet: Wir wissen es noch nicht.
Mit unvollkommenem Wissen zu arbeiten ist auf der Erde in Ordnung, weil normalerweise niemand viel unter dieser Unwissenheit leidet. Aber auf dem Mars könnte Unwissenheit eine verminderte Effizienz bedeuten oder schlimmer noch verhindern, dass die Astronauten genug Sauerstoff und Wasserstoff abbauen, um zu atmen oder Treibstoff für die Rückkehr zur Erde zu verwenden.
Granulare Physiker, die Daten von Marsrovern analysieren, neue Grabmaschinen bauen, an Gleichungen basteln, geben ihr Bestes, um die Antworten zu finden. Es ist alles Teil der Strategie der NASA, zu lernen, wie man zum Mars kommt ... und wieder zurück.
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