[論文レビュー] Autonomous Multirobot Technologies for Mars Mining Base Construction and Operation

Jekan Thangavelautham, Aman Chandra+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、太陽光発電と質量ドライバーを用いて水を抽出・打ち上げる再生可能エネルギーを活用した、火星に根ざした鉱山基地を自律的・多ロボットで構築・運用するシステムを提案する。100台のロボットを現地に展開して基地を建設・運用することで、人的作業に比べエネルギー消費を5分の1に削減し、建設速度を5倍に加速する。これにより、宇宙経済における在転地資源利用が現実可能となる。

ABSTRACT

Beyond space exploration, the next critical step towards living and working in space requires developing a space economy. One important challenge with this space-economy is ensuring the low-cost transport of raw materials from one gravity-well to another. The escape delta-v of 11.2 km/s from Earth makes this proposition very expensive. Transporting materials from the Moon takes 2.4 km/s and from Mars 5.0 km/s. Based on these factors, the Moon and Mars can become colonies to export material into this space economy. One critical question is what are the resources required to sustain a space economy? Water has been identified as a critical resource both to sustain human-life but also for use in propulsion, attitude-control, power, thermal storage and radiation protection systems. Water may be obtained off-world through In-Situ Resource Utilization (ISRU) in the course of human or robotic space exploration. Based upon these important findings, we developed an energy model to determine the feasibility of developing a mining base on Mars that mines and exports water (transports water on a Mars escape trajectory). Our designs for a mining base utilize renewable energy sources namely photovoltaics and solar-thermal concentrators to provide power to construct the base, keep it operational and export the water using a mass driver (electrodynamic railgun). Our studies found the key to keeping the mining base simple and effective is to make it robotic. Teams of robots (consisting of 100 infrastructure robots) would be used to construct the entire base using locally available resources and fully operate the base. This would decrease energy needs by 5-folds. Furthermore, the base can be built 5-times faster using robotics and 3D printing. This shows that automation and robotics is the key to making such a base technologically feasible.

研究の動機と目的

• 火星からの原材料輸送の低コストな方法を開発することで、持続可能な宇宙経済を実現すること。
• 地球発射にかかる高コストなΔv（11.2 km/s）を回避するため、火星を輸出可能な資源の供給源とする。
• 深宇宙ミッションにおける生命維持、推進力、放射線遮蔽に不可欠な水の役割を特定すること。
• 在転地資源利用（ISRU）と再生可能エネルギーを活用した、自律的でロボット主導の火星鉱山基地の設計。
• マルチロボットシステムが、基地の建設・運用にかかるエネルギーと時間の要件を著しく削減できることを実証すること。

提案手法

• 持続的な運用と資源処理を可能にするために、太陽光発電と太陽熱集光装置で基地を駆動する。
• 質量ドライバー（電磁式レールガン）を用いて水を火星外に打ち上げ、推進剤を最小限に抑えて脱出速度を達成する。
• 100台の自律的インfraロボットを展開し、現地のレゴリスを用いて3Dプリンティング技術で基地を建設する。
• 建設および運用のすべての作業をロボットが担い、人的存在の必要性を排除し、エネルギー消費を低減する。
• 各種電力および質量制約下でのシステムの実現可能性を評価するためのエネルギーモデルを開発する。
• 最小限の地上制御で運用可能な完全自律型システムを設計し、分散型ロボティクスと適応制御アルゴリズムに依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 在転地資源と再生可能エネルギーのみを用いて、自律的でロボット主導のシステムが火星で鉱山基地を構築・運用可能か？
• RQ2 人的支援を受ける基地に比べ、ロボット主導の鉱山基地のエネルギー効率はどの程度か？
• RQ3 ロボットの導入が、火星鉱山基地の建設および稼働開始に要する時間にどのように影響するか？
• RQ4 生命維持を越えて、水が持続可能な宇宙経済を実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 太陽光で駆動可能な質量ドライバーが、火星からの水打ち上げを効果的かつ持続可能に実現できるか？

主な発見

• 100台の自律的ロボットを用いることで、人的作業に比べ、基地の建設・運用に要する総エネルギー消費量を5分の1に削減できる。
• ロボットによる建設により、人的作業に比べて基地の建設が5倍速く完了する。これは、24時間稼働と最適化されたワークフローによるものである。
• エネルギーモデルにより、太陽光発電と太陽熱集光装置で駆動される火星鉱山基地が、水の生産および打ち上げを持続可能に行えることが確認された。
• 太陽光のみで駆動される質量ドライバーにより、推進剤を一切使用せずに火星の脱出速度に達成可能であり、推進剤フリーの打ち上げが現実可能である。
• 在地材料を用いた3Dプリンティングの統合により、地球からの建設資材輸送の必要性が著しく削減された。
• 自律的ロボティクスが、火星鉱山基地の技術的・経済的実現可能性を実現する鍵要因であると特定された。