Föreställ dig det här scenariot. Året är 2030 eller däremot. Efter att ha tagit sex månader från jorden är du och flera andra astronauter de första människorna på Mars. Du står på en främmande värld, dammigt rött smuts under dina fötter och tittar runt på ett gäng gruvutrustning som deponerats av tidigare robotlandare.
Echo i dina öron är de sista orden från uppdragskontrollen: ”Ditt uppdrag, om du skulle bry dig om att acceptera det, är att återvända till jorden - om möjligt med hjälp av bränsle och syre som du bryter från Mars. Lycka till!"
Det låter enkelt och bryter råvaror från en stenig sandplanet. Vi gör det här på jorden, varför inte på Mars också? Men det är inte så enkelt som det låter. Ingenting om granulär fysik är någonsin.
Granulär fysik är vetenskapen om korn, allt från korn av majs till sandkorn till marken av kaffe. Dessa är vanliga ämnen i vardagen, men de kan vara väldigt svåra att förutsäga. I ett ögonblick uppför sig de sig som fasta ämnen, i det andra som vätskor. Tänk på en dumpare full av grus. När lastbilen börjar luta förblir gruset i en fast hög, tills den i en viss vinkel plötsligt blir en åskande flod av sten.
Att förstå granulär fysik är avgörande för att designa industrimaskiner för att hantera stora mängder små fasta ämnen - som fin martinsand.
Problemet är att även här på jorden "industrianläggningar fungerar inte så bra eftersom vi inte förstår ekvationer för granulatmaterial såväl som vi förstår ekvationerna för vätskor och gaser," säger James T. Jenkins, professor i teoretiska och tillämpad mekanik vid Cornell University i Ithaca, NY "Det är därför koleldade kraftverk verkar med låg effektivitet och har högre brister jämfört med flytande eller gaseldade kraftverk."
Så "förstår vi granulär behandling tillräckligt för att göra det på Mars?" han frågar.
Låt oss börja med utgrävningen: "Om du gräver en dike på Mars, hur branta kan sidorna vara och förbli stabila utan att gräva in?" undrar Stein Sture, professor i civil-, miljö- och arkitektteknik och docent vid University of Colorado i Boulder. Det finns inget definitivt svar, ännu inte. Lagret av dammiga markar och stenar på Mars är inte tillräckligt känt.
En del information om den mekaniska sammansättningen av toppmätaren eller så som Martian mark kan fås genom markinträngande radar eller andra ljudanordningar, påpekar Sture, men mycket djupare och du "förmodligen behöver ta kärnprover." NASA: s Phoenix Mars lander (landning 2008) kommer att kunna gräva skyttegrav ungefär en halv meter djup; Mars Science Laboratory 2009 kommer att kunna skära ut stenkärnor. Båda uppdragen kommer att ge värdefull ny information.
För att gå ännu djupare utvecklar Sture (i samband med University of Colorado Center for Space Construction) innovativa grävare vars verksamhetsändar vibrerar till jord. Omröring hjälper till att bryta samman sammanhängande bindningar som håller samman komprimerad jord och kan också hjälpa till att minska risken för att marken kollapsar. Maskiner som dessa kanske en dag går också till Mars.
Ett annat problem är "tratthanter" - trattarna som gruvarbetare använder för att styra sand och grus på transportband för bearbetning. Kunskap om marsjordar skulle vara avgörande för att designa de mest effektiva och underhållsfria behållarna. "Vi förstår inte varför hoppare fastnar," säger Jenkins. Återstopp är faktiskt så ofta att "på jorden har varje trattfångare en hammare i närheten." Att stöta på tratten frigör sylt. På Mars, där det bara skulle finnas några få människor runt om att tänka på utrustning, vill du att hoppare ska fungera bättre än så. Jenkins och kollegor undersöker varför granulär flödar sylt.
Och sedan finns det transport: Mars-roverna Spirit and Opportunity har haft lite problem med att köra mil runt sina landningsplatser sedan 2004. Men dessa rovers är bara ungefär lika stora som ett genomsnittligt kontorsskrivbord och bara ungefär lika stora som en vuxen. Det är go-vagnar jämfört med de massiva fordon som eventuellt behövs för att transportera massor av Martian sand och sten. Större fordon kommer att ha det tuffare att komma runt.
Sture förklarar: Så tidigt som på 1960-talet när forskarna först studerade möjliga solenergidrivare för att förhandla om lösa sandstrån på månen och andra planeter, beräknade de ”att det maximala livskraftiga kontinuerliga trycket för rullande kontakttryck över Martianjord är endast 0,2 pund per square inch (psi), särskilt när man reser upp eller ner i backarna. Denna låga siffra har bekräftats av beteendet hos Spirit and Opportunity.
Ett rullande kontakttryck på bara 0,2 psi “betyder att ett fordon måste vara lätt eller måste ha ett sätt att effektivt fördela lasten till många hjul eller spår. Att minska kontakttrycket är avgörande så att hjulen inte gräver i mjukt jord eller bryter igenom duricrusts [tunna ark med cementerad jord, som den tunna skorpan på vindblåst snö på jorden] och fastnar. ”
Detta krav innebär att ett fordon för att flytta tyngre laster - människor, livsmiljöer, utrustning - kan vara "en enorm Fellini-typ med hjul 4 till 6 meter (12 till 18 fot) i diameter," säger Sture, med hänvisning till den berömda italienska regissör för surrealistiska filmer. Eller så kan det ha enorma öppna nätsträckor som en korsning mellan motorvägsbyggnadsgrävare på jorden och lundrover som användes under Apollo-programmet på månen. Således verkar spårbilar eller bälte fordon lovande för att bära stora nyttolaster.
En sista utmaning som står inför granulära fysiker är att ta reda på hur man kan hålla utrustning som fungerar genom Mars säsongsstoft stormar. Martian stormar piska fint damm genom luften med en hastighet av 50 m / s (100+ mph), skurar varje utsatt yta, siktar i varje spricka, begraver exponerade strukturer både naturliga och mänskliga, och minskar synligheten till meter eller mindre. Jenkins och andra utredare studerar fysiken i aolisk [vind] -transport av sand och damm på jorden, både för att förstå bildandet och förflyttningen av sanddyner på Mars, och också för att fastställa vilka platser för eventuella livsmiljöer som bäst kan skyddas från rådande vindar ( till exempel i storleken för stora stenar).
När vi återvänder till Jenkins stora fråga, "förstår vi granulär bearbetning tillräckligt för att göra det på Mars?" Det oroande svaret är: vi vet ännu inte.
Att arbeta med ofullständig kunskap är okej på jorden eftersom ingen vanligtvis lider mycket av den okunnigheten. Men på Mars kan okunnighet innebära minskad effektivitet eller värre förhindra astronauterna från att bryta tillräckligt med syre och väte för att andas eller använda för bränsle för att återvända till jorden.
Granulära fysiker som analyserar data från Mars-roverna, bygger nya grävmaskiner, sticker med ekvationer, gör sin nivå bäst för att hitta svaren. Det är allt en del av NASAs strategi att lära sig att ta sig till Mars ... och tillbaka igen.
Originalkälla: [e-postskyddad]
