Zamislite ovaj scenarij. Godina je 2030. ili nakon toga. Nakon plovidbe šest mjeseci od Zemlje, vi i još nekoliko astronauta ste prvi ljudi na Marsu. Stojite na tuđinskom svijetu, prašnjavu crvenu prljavštinu ispod nogu, gledajući oko sebe hrpu rudarske opreme koju su položili prethodni robotski zemljaci.
U ušima su vam posljednje riječi kontrole misije: "Vaša bi misija, ako biste se trebali prihvatiti, vratiti se na Zemlju - ako je moguće koristeći gorivo i kisik koji rudite iz pijeska Marsa. Sretno!"
Zvuči dovoljno jednostavno, rudira sirovine sa kamenite, pješčane planete. Mi to radimo ovdje na Zemlji, zašto ne i na Marsu? Ali to nije tako jednostavno kao što zvuči. Nikada ništa o zrnatoj fizici nije.
Granularna fizika je znanost o žitaricama, sve od zrna kukuruza do zrna pijeska do kave. To su uobičajene svakodnevne tvari, ali to je vrlo neugodno predvidjeti. Jedan se trenutak ponašaju poput krute tvari, sljedeći poput tekućine. Razmislite o smeću punom šljunka. Kad se kamion počne naginjati, šljunak ostaje u čvrstoj hrpi, sve dok pod određenim kutom iznenada ne postane gromoglasna rijeka stijene.
Razumijevanje granularne fizike neophodno je za projektiranje industrijskih strojeva za obradu ogromnih količina sitnih krutih tvari poput finog marsovskog pijeska.
Problem je u tome što čak i ovdje na Zemlji „industrijska postrojenja ne rade baš dobro, jer ne razumijemo jednadžbe granuliranih materijala, kao i jednadžbe tekućina i plinova“, kaže James T. Jenkins, profesor teoretskog i primijenjena mehanika na Sveučilištu Cornell u Ithaci, NY „Zato elektrane na ugalj djeluju s malim učinkom i imaju višu stopu kvarova u usporedbi s termoelektranama na tekuće gorivo ili na plin“.
Dakle, "razumijemo li granuliranu obradu dovoljno dobro da bismo to mogli učiniti na Marsu?" on pita.
Započnimo s iskopavanjem: "Ako kopate rov na Marsu, koliko strme strane mogu biti i ostati stabilne bez uranjanja?" čudi se Stein Sture, profesor civilnog, ekološkog i arhitektonskog inženjerstva i suradnik dekana na Sveučilištu Colorado u Boulderu. Još nema definitivnog odgovora. Slojevi prašnjavih tla i stijena na Marsu nisu dovoljno poznati.
Neke informacije o mehaničkom sastavu gornjeg metra ili marsovskog tla mogu se dobiti radarima koji prodiraju u zemlju ili drugim zvučnim uređajima, Sture ističe, ali mnogo dublje i „vjerojatno trebate uzeti uzorke jezgre.“ NASA-in lanac Phoenix Mars (slijetanje 2008.) moći će iskopati rovove duboke oko pola metra; Mars Science Laboratory 2009. moći će izrezati stijene. Obje će misije pružiti vrijedne nove podatke.
Kako bi još dublje proširio, Sture (u vezi s Centrom za svemirsku izgradnju Sveučilišta u Koloradu) razvija inovativne kopače kojima poslovni kraj vibrira u tlo. Agitacija pomaže razbiti kohezivne veze koje drže zajedno zbijena tla i također može umanjiti rizik od urušavanja tla. Strojevi poput ove jednog dana mogu otići i na Mars.
Drugi problem je "spremnik" - rudari lijeva koji se koriste za usmjeravanje pijeska i šljunka na transportne trake za obradu. Poznavanje marsovskih tla bilo bi od presudne važnosti za oblikovanje najučinkovitijih spremnika bez održavanja. „Ne razumijemo zašto se hmeri pekmeze,“ kaže Jenkins. Zastoj je zapravo toliko čest da "na Zemlji svaki spremnik ima čekić u blizini." Udaranje u spremnik oslobađa zastoj. Na Marsu, gdje bi bilo samo nekoliko ljudi koji teže opremi, htio bi da hmeljari rade bolje od toga. Jenkins i njegove kolege istražuju zašto zrnate struje džem.
A tu je i prijevoz: Mars roveri Duh i prilika imali su malih problema voziti kilometre oko svojih mjesta za slijetanje od 2004. godine. No, ovi su rovovi samo veličine prosječnog uredskog stola i samo toliko masivni kao i odrasli ljudi. Kola su u odnosu na ogromna vozila koja su možda potrebna za prijevoz tona marsovskog pijeska i stijena. Veća vozila imat će teže vrijeme zaobilaziti se.
Sture objašnjava: Još 1960-ih, kada su znanstvenici prvi put proučavali moguće rovere na solarni pogon za pregovaranje o labavim pijescima na Mjesecu i drugim planetima, izračunali su „da je maksimalni održivi kontinuirani pritisak za kontaktni tlak kotrljanja preko marsovskih tla samo 0,2 funte po kvadratni inč (psi) ", posebno kada se krećete padinama gore ili dolje. Ova niska brojka potvrđena je ponašanjem Duha i Prilike.
Kontaktni tlak kotrljanja od samo 0,2 psi „znači da vozilo mora biti lagano ili da mora učinkovito raspoređivati teret na mnoge kotače ili staze. Smanjenje kontaktnog tlaka je presudno kako kotači ne bi ukopali meko tlo ili provalili duricrusts (tanke listove cementiranih tla, poput tanke kore na snijegom namotanom na Zemlji) i zaglavili se. "
Taj zahtjev podrazumijeva da bi vozilo za premještanje težih tereta - ljudi, staništa i oprema - moglo biti "ogromna stvar tipa Fellini s kotačima promjera 4 do 6 metara (12 do 18 stopa)", kaže Sture, pozivajući se na poznatog talijanskog redatelj nadrealnih filmova. Ili može imati ogromne metalne gazeće otvorene mreže poput križa između stražnje konstrukcije autoputa i lunarnog veslača korištenog tijekom programa Apollo na Mjesecu. Stoga se gusjeničnim ili pojasnim vozilima čini obećavajućim za prijevoz velikih korisnih tereta.
Konačni izazov s kojim su suočeni zrnati fizičari jest otkriti kako zadržati opremu koja radi kroz Marsove sezonske olujne prašine. Marsovske oluje bacaju finu prašinu kroz zrak brzinom od 50 m / s (100+ mph), pročišćavajući svaku izloženu površinu, prosijavajući se u svaki pukotinu, zakopavajući izložene građe prirodne i umjetne, smanjujući vidljivost na metre ili manje. Jenkins i drugi istražitelji proučavaju fiziku aeolskog [vjetra] transporta pijeska i prašine na Zemlju, kako bi razumjeli stvaranje i pomicanje dina na Marsu, kao i da bi utvrdili koja su mjesta za eventualna staništa najbolje zaštićena od prevladavajućeg vjetra ( na primjer u lee velikih stijena).
Vraćajući se na veliko pitanje Jenkinsa, "razumijemo li dovoljno detaljno obradu granica da bismo to mogli učiniti na Marsu?" Uznemirujući odgovor je: još ne znamo.
Rad sa nesavršenim znanjem je u redu na Zemlji jer, obično, nitko ne pati mnogo od tog neznanja. Ali na Marsu bi neznanje moglo značiti smanjenu efikasnost ili još gore sprečavanje astronauta da iskopaju dovoljno kisika i vodika za disanje ili da koriste gorivo za povratak na Zemlju.
Granularni fizičari koji analiziraju podatke s Marsovih rovera, grade nove strojeve za kopanje, tinkturaju jednadžbama, najbolje rade na svojoj razini kako bi pronašli odgovore. Sve je to dio NASA-ine strategije da naučimo kako doći do Marsa ... i opet natrag.
Izvorni izvor: [zaštićeno e-poštom]
