Bayangkan senario ini. Tahun adalah 2030 atau sekitarnya. Setelah menempuh perjalanan enam bulan dari Bumi, anda dan beberapa angkasawan lain adalah manusia pertama di Marikh. Anda berdiri di atas dunia asing, kotoran merah berdebu di bawah kaki anda, melihat sekumpulan peralatan perlombongan yang disimpan oleh pendarat robot sebelumnya.
Terdengar di telinga anda adalah kata-kata terakhir dari kawalan misi: “Misi anda, sekiranya anda menerimanya, adalah kembali ke Bumi — jika mungkin menggunakan bahan bakar dan oksigen yang anda miliki dari pasir Mars. Semoga berjaya!"
Kedengarannya cukup sederhana, melombong bahan mentah dari planet berbatu dan berpasir. Kita melakukannya di Bumi, mengapa tidak di Marikh juga? Tetapi ia tidak semudah yang didengar. Tidak ada apa-apa mengenai fizik granular.
Fizik butiran adalah sains biji-bijian, semuanya dari biji jagung hingga biji pasir hingga kopi. Ini adalah bahan biasa sehari-hari, tetapi sukar untuk diramalkan. Suatu ketika mereka berkelakuan seperti pepejal, seterusnya seperti cecair. Pertimbangkan sebuah trak pembuangan yang penuh dengan kerikil. Ketika trak mula memiringkan, kerikil itu tetap berada dalam timbunan padat, hingga pada sudut tertentu tiba-tiba menjadi sungai batu yang bergemuruh.
Memahami fizik berbutir adalah mustahak untuk merancang jentera industri untuk mengendalikan sejumlah besar pepejal kecil - seperti pasir Martian halus.
Masalahnya ialah, walaupun di Bumi, "kilang industri tidak berfungsi dengan baik kerana kita tidak memahami persamaan untuk bahan berbutir serta kita memahami persamaan untuk cecair dan gas," kata James T. Jenkins, profesor teori dan mekanik gunaan di Cornell University di Ithaca, NY "Itulah sebabnya loji janakuasa arang batu beroperasi pada kecekapan rendah dan mempunyai kadar kegagalan yang lebih tinggi berbanding dengan loji tenaga bahan bakar cair atau gas."
Jadi "adakah kita memahami pemprosesan butiran cukup baik untuk melakukannya di Marikh?" dia bertanya.
Mari kita mulakan dengan penggalian: "Jika anda menggali parit di Marikh, seberapa curam sisi-sisinya dan tetap stabil tanpa menyerah?" tertanya-tanya Stein Sture, profesor kejuruteraan awam, alam sekitar, dan seni bina dan dekan bersekutu di University of Colorado di Boulder. Tidak ada jawapan pasti, belum. Lapisan tanah dan batu berdebu di Marikh tidak begitu diketahui.
Beberapa maklumat mengenai komposisi mekanikal meter atas atau lebih dari tanah Martian dapat diperoleh dengan radar yang menembus tanah atau alat berbunyi lain, Sture menunjukkan, tetapi jauh lebih mendalam dan anda "mungkin perlu mengambil sampel inti." Pendarat NASA Phoenix Mars (pendaratan 2008) akan dapat menggali parit sedalam setengah meter; Makmal Sains Marikh 2009 akan dapat memotong teras batu. Kedua-dua misi akan memberikan data baru yang berharga.
Untuk lebih mendalam lagi, Sture (berkaitan dengan Pusat Pembinaan Angkasa Universiti Colorado) sedang mengembangkan penggali inovatif yang akhirnya perniagaannya bergetar menjadi tanah. Pergolakan membantu memutuskan ikatan kohesif yang menyatukan tanah yang dipadatkan bersama-sama dan juga dapat membantu mengurangkan risiko tanah runtuh. Mesin seperti ini mungkin suatu hari pergi ke Marikh juga.
Masalah lain ialah "hopper" - corong corong yang digunakan untuk memandu pasir dan kerikil ke tali sawat untuk diproses. Pengetahuan tentang tanah Mars akan sangat penting dalam merancang hopper yang paling cekap dan bebas penyelenggaraan. "Kami tidak faham mengapa hopper macet," kata Jenkins. Kemacetan sangat kerap, pada kenyataannya, bahawa "di Bumi, setiap hopper mempunyai tukul dekat." Memukul hopper membebaskan kesesakan. Di Marikh, di mana hanya ada beberapa orang di sekitar mereka yang cenderung peralatan, anda mahu hopper berfungsi lebih baik daripada itu. Jenkins dan rakan sekerja meneliti mengapa aliran granular macet.
Dan kemudian ada pengangkutan: The Mars rover Spirit and Opportunity tidak mempunyai banyak masalah untuk mengemudi di sekitar lokasi pendaratan mereka sejak tahun 2004. Tetapi peninjau ini hanya berukuran seukuran meja pejabat rata-rata dan hanya sebesar orang dewasa. Mereka adalah gerobak berbanding dengan kenderaan besar yang mungkin diperlukan untuk mengangkut tan pasir dan batu Martian. Kenderaan yang lebih besar akan mengalami masa yang lebih sukar untuk bergerak.
Sture menerangkan: Seawal tahun 1960-an ketika para saintis pertama kali mengkaji kemungkinan pemacu bertenaga suria untuk merundingkan pasir longgar di Bulan dan planet-planet lain, mereka mengira "bahawa tekanan berterusan berterusan yang maksimum untuk melancarkan tekanan hubungan ke atas tanah Martian hanya 0.2 paun per inci persegi (psi), ”terutamanya ketika melakukan perjalanan ke atas atau ke bawah lereng. Angka rendah ini telah disahkan oleh tingkah laku Roh dan Peluang.
Tekanan sentuhan putaran hanya 0,2 psi "bermaksud bahawa kenderaan harus ringan atau harus mempunyai cara menyebarkan muatan dengan berkesan ke banyak roda atau trek. Mengurangkan tekanan sentuhan sangat penting supaya roda tidak masuk ke dalam tanah yang lembut atau menerobos kerak durian [lembaran tipis tanah bersimen, seperti kerak nipis di salji yang bertiup angin di Bumi] dan tersekat. "
Keperluan itu menyiratkan bahawa kenderaan untuk memindahkan beban yang lebih berat - orang, habitat, peralatan - mungkin "benda jenis Fellini yang besar dengan roda berukuran 4 hingga 6 meter (12 hingga 18 kaki)," kata Sture, merujuk kepada orang Itali yang terkenal pengarah filem surealis. Atau ia mungkin mempunyai tapak logam terbuka yang besar seperti salib antara backhoe pembinaan lebuh raya di Bumi dan rover bulan yang digunakan semasa program Apollo di Bulan. Oleh itu, kenderaan yang dilacak atau diikat kelihatan menjanjikan untuk membawa muatan yang besar.
Cabaran terakhir yang dihadapi oleh ahli fizik berbutir adalah mencari cara untuk menjaga kelengkapan operasi melalui ribut debu bermusim Mars. Ribut Mars melancarkan debu halus melalui udara pada kecepatan 50 m / s (100+ mph), menjelajahi setiap permukaan yang terdedah, menyaring ke setiap celah, menguburkan struktur yang terdedah baik dari semula jadi dan buatan manusia, dan mengurangkan jarak penglihatan hingga beberapa meter atau kurang. Jenkins dan penyelidik lain sedang mengkaji fizik [angin] mengangkut pasir dan debu di Bumi, baik untuk memahami pembentukan dan memindahkan bukit pasir di Marikh, dan juga untuk memastikan laman web apa yang mungkin dilindungi oleh habitat terakhir dari angin yang berlaku ( sebagai contoh, di lee batu besar).
Kembali ke soalan besar Jenkins, "adakah kita memahami pemprosesan butiran cukup baik untuk melakukannya di Marikh?" Jawapan yang tidak menentu adalah: kita belum tahu.
Bekerja dengan pengetahuan yang tidak sempurna tidak dapat dilakukan di Bumi kerana, biasanya, tidak ada yang menderita kebodohan itu. Tetapi di Marikh, kebodohan boleh mengakibatkan kecekapan yang berkurang atau lebih buruk mencegah angkasawan melombong oksigen dan hidrogen yang cukup untuk bernafas atau digunakan untuk bahan bakar kembali ke Bumi.
Ahli fizik butiran yang menganalisis data dari penjelajah Mars, membina mesin penggali baru, bermain-main dengan persamaan, melakukan yang terbaik untuk mencari jawapannya. Itu semua adalah bahagian strategi NASA untuk belajar bagaimana menuju ke Marikh… dan kembali lagi.
Sumber Asal: [dilindungi e-mel]
