Stel je dit scenario voor. Het jaar is 2030 of daaromtrent. Na een reis van zes maanden vanaf de aarde, zijn jij en verschillende andere astronauten de eerste mensen op Mars. Je staat op een buitenaardse wereld, stoffig rood vuil onder je voeten, rondkijkend naar een stel mijnbouwapparatuur dat is neergelegd door eerdere robotlanders.
Echoënd in je oren zijn de laatste woorden van missiecontrole: 'Jouw missie, als je die wilt accepteren, is om terug te keren naar de aarde - indien mogelijk met brandstof en zuurstof die je uit het zand van Mars haalt. Succes!"
Het klinkt eenvoudig genoeg, grondstoffen delven van een rotsachtige, zanderige planeet. We doen het hier op aarde, waarom ook niet op Mars? Maar het is niet zo eenvoudig als het klinkt. Niets over granulaire fysica is dat ooit.
Granulaire fysica is de wetenschap van granen, alles van maïskorrels tot zandkorrels tot koffiedik. Dit zijn veelvoorkomende alledaagse stoffen, maar ze kunnen vervelend moeilijk te voorspellen zijn. Het ene moment gedragen ze zich als vaste stoffen, het andere moment als vloeistoffen. Overweeg een kiepwagen vol grind. Wanneer de vrachtwagen begint te kantelen, blijft het grind op een stevige stapel, totdat het onder een bepaalde hoek plotseling een donderende rivier van rots wordt.
Het begrijpen van granulaire fysica is essentieel voor het ontwerpen van industriële machines om grote hoeveelheden kleine vaste stoffen te verwerken, zoals fijn Marszand.
Het probleem is dat zelfs hier op aarde "industriële fabrieken niet erg goed werken omdat we de vergelijkingen voor korrelige materialen niet begrijpen en ook niet de vergelijkingen voor vloeistoffen en gassen", zegt James T. Jenkins, hoogleraar theoretische en toegepaste mechanica aan de Cornell University in Ithaca, NY "Daarom werken kolencentrales met een laag rendement en hebben ze een hoger uitvalpercentage in vergelijking met centrales op vloeibare brandstof of gas."
Dus "begrijpen we granulaire verwerking goed genoeg om het op Mars te doen?" hij vraagt.
Laten we beginnen met uitgraven: "Als je een greppel op Mars graaft, hoe steil kunnen de zijkanten dan zijn en blijven zonder stabiel te zijn?" vraagt Stein Sture zich af, hoogleraar burgerlijke, milieu- en bouwtechniek en decaan aan de Universiteit van Colorado in Boulder. Er is nog geen definitief antwoord. De gelaagdheid van stoffige bodems en rotsen op Mars is niet goed bekend.
Wat informatie over de mechanische samenstelling van de bovenste meter of zo van Marsbodems zou kunnen worden verkregen door gronddoordringende radar of andere klinkende apparaten, benadrukt Sture, maar veel dieper en je moet waarschijnlijk kernmonsters nemen. NASA's Phoenix Mars-lander (landing 2008) kan loopgraven graven van ongeveer een halve meter diep; het Mars Science Laboratorium 2009 kan rotskernen uitsnijden. Beide missies zullen waardevolle nieuwe gegevens opleveren.
Om nog dieper te gaan, ontwikkelt Sture (in samenwerking met het Center for Space Construction van de University of Colorado) innovatieve graafmachines waarvan de zakelijke doelen in de grond trillen. Agitatie helpt bij het verbreken van cohesieve bindingen die samengeperste bodems bij elkaar houden en kan ook helpen het risico op instorting van de bodem te verminderen. Dergelijke machines gaan misschien ooit ook naar Mars.
Een ander probleem is "hoppers" - de trechters die mijnwerkers gebruiken om zand en grind voor transport naar transportbanden te leiden. Kennis van de bodem van Mars zou essentieel zijn bij het ontwerpen van de meest efficiënte en onderhoudsvrije hoppers. "We begrijpen niet waarom hoppers vastlopen", zegt Jenkins. Jammen komt zelfs zo vaak voor dat 'op aarde elke hopper een hamer dichtbij heeft'. Door op de trechter te bonken, wordt de jam verwijderd. Op Mars, waar maar een paar mensen in de buurt zijn om apparatuur te onderhouden, wil je dat hoppers beter werken dan dat. Jenkins en collega's onderzoeken waarom granulaire stromen vastlopen.
En dan is er vervoer: de Marsrovers Spirit en Opportunity hebben sinds 2004 weinig moeite met het rijden van kilometers rond hun landingsplaatsen. Maar deze rovers zijn slechts zo groot als een gemiddeld bureau en slechts ongeveer zo groot als een volwassene. Het zijn skelters vergeleken met de enorme voertuigen die mogelijk nodig zijn om tonnen Marszand en -steen te vervoeren. Grotere voertuigen zullen het moeilijker krijgen om zich te verplaatsen.
Sture legt uit: Al in de jaren zestig, toen wetenschappers voor het eerst mogelijke door zonne-energie aangedreven rovers bestudeerden om over los zand op de maan en andere planeten te onderhandelen, berekenden ze 'dat de maximaal haalbare continue druk voor rollende contactdruk over Marsbodems slechts 0,2 pond per vierkante inch (psi) ”, vooral bij het op- of afrijden van hellingen. Dit lage cijfer is bevestigd door het gedrag van Spirit en Opportunity.
Een rollende contactdruk van slechts 0,2 psi “betekent dat een voertuig licht van gewicht moet zijn of een manier moet hebben om de belasting effectief over veel wielen of rupsbanden te verdelen. Het verminderen van de contactdruk is cruciaal, zodat de wielen niet in zachte grond graven of door duricrusts breken [dunne vellen gecementeerde grond, zoals de dunne korst op door de wind geblazen sneeuw op aarde] en vast komen te zitten. "
Die vereiste houdt in dat een voertuig voor het verplaatsen van zwaardere ladingen - mensen, habitats, uitrusting - "een enorm ding van het Fellini-type kan zijn met wielen van 4 tot 6 meter (12 tot 18 voet)", zegt Sture, verwijzend naar de beroemde Italiaanse regisseur van surrealistische films. Of het kan enorme metalen treden met open mesh hebben, zoals een kruising tussen graafarmconstructies op aarde en de maanrover die werd gebruikt tijdens het Apollo-programma op de maan. Voertuigen met rupsbanden of gordels lijken dus veelbelovend voor het vervoer van grote ladingen.
Een laatste uitdaging waar natuurkundigen voor staan, is om erachter te komen hoe apparatuur kan blijven werken tijdens de seizoensgebonden stofstormen van Mars. Marsstormen zwaaien fijn stof door de lucht met snelheden van 50 m / s (100+ mph), schuren elk blootliggend oppervlak, zeven in elke spleet, begraven blootgestelde structuren, zowel natuurlijke als door de mens veroorzaakte, en verminderen het zicht tot meters of minder. Jenkins en andere onderzoekers bestuderen de fysica van eolisch [wind] transport van zand en stof op aarde, zowel om de vorming en verplaatsing van duinen op Mars te begrijpen, als om te bepalen welke sites voor eventuele habitats het beste kunnen worden beschermd tegen heersende winden ( bijvoorbeeld in de luwte van grote rotsen).
Terugkomend op de grote vraag van Jenkins: "begrijpen we granulaire verwerking goed genoeg om het op Mars te doen?" Het verontrustende antwoord is: we weten het nog niet.
Werken met onvolmaakte kennis is oké op aarde omdat meestal niemand veel last heeft van die onwetendheid. Maar op Mars zou onwetendheid kunnen leiden tot verminderde efficiëntie of erger nog, waardoor de astronauten niet genoeg zuurstof en waterstof zouden kunnen delven om te ademen of brandstof te gebruiken om terug te keren naar de aarde.
Granulaire fysici die gegevens van de Mars-rovers analyseren, nieuwe graafmachines bouwen en sleutelen aan vergelijkingen, doen hun best om de antwoorden te vinden. Het maakt allemaal deel uit van NASA's strategie om te leren hoe je naar Mars kunt komen ... en weer terug.
Oorspronkelijke bron: [e-mail beveiligd]
