[논문 리뷰] Autonomous Multirobot Technologies for Mars Mining Base Construction and Operation

Jekan Thangavelautham, Aman Chandra외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 09.

Astro and Planetary Science참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양 에너지와 질량 구동기(마스터 드라이브)를 사용해 수소와 산소를 추출하고 발사하는 화성 기반 광산 기지를 자율적으로 건설하고 운영하기 위한 다로봇 시스템을 제안한다. 현장에서 100台의 로봇을 투입해 기지를 건설·운영함으로써 인간 주도 운영 대비 에너지 소비를 5배 줄이고 건설 속도를 5배 높여, 우주 경제를 위한 현지 자원 이용이 실현 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지속 가능한 우주 경제를 실현하기 위해 화성에서 원자재를 운반하는 저비용 방법을 개발하는 것.
• 지구에서 발사할 경우 11.2 km/s에 달하는 델타-비 비용 문제를 해결하기 위해 화성을 수출 가능한 자원의 공급원으로 활용하는 것.
• 심우주 임무에서 생명 유지, 추진력, 방사선 차폐에 필수적인 자원으로서의 물의 역할을 규명하는 것.
• 현지 자원 이용(ISRU)과 재생 가능 에너지를 활용한 자율 로봇 광산 기지를 설계하는 것.
• 다로봇 시스템이 기지 건설 및 운영에 필요한 에너지와 시간 요구량을 극적으로 감소시킬 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 지속 가능한 운영과 자원 가공을 위해 태양전지와 태양열 집광기를 사용해 기지를 전력 공급한다.
• 질량 구동기(전기적 레일건)를 활용해 물을 화성 외부로 발사하며, 최소한의 추진제로 탈출 속도를 달성한다.
• 현지 유기 토양과 3차원 프린팅 기술을 사용해 기지를 건설하기 위해 100대의 자율 인프라 로봇을 투입한다.
• 로봇이 모든 건설 및 운영 작업을 수행함으로써 인간의 존재가 불필요해지고 에너지 수요도 감소한다.
• 다양한 전력 및 질량 제약 조건 하에서 시스템의 실현 가능성을 평가하기 위해 에너지 모델을 개발한다.
• 최소한의 지상 제어를 필요로 하며 분산 로봇 기반과 적응형 제어 알고리즘에 의존하는 완전 자율 시스템으로 설계된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현지 자원과 재생 가능 에너지만을 사용해 자율 로봇 시스템이 화성에서 광산 기지를 건설하고 운영할 수 있는가?
• RQ2 로봇 기반 기지의 에너지 효율성은 인간이 관리하는 기지와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 로봇의 사용이 화성 광산 기지의 건설 및 가동에 소요되는 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 생명 유지 외에 물이 지속 가능한 우주 경제를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 태양 에너지로 구동되고 지속 가능한 질량 구동기 시스템이 화성에서 물을 발사하는 데 효과적으로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 100대의 자율 로봇을 활용함으로써 기지 건설 및 운영에 필요한 총 에너지 요구량이 인간 승무원 기반 운영 대비 5배 감소한다.
• 로봇 건설은 연속적인 운영과 최적화된 워크플로우 덕분에 인간 주도 방법 대비 기지 건설 속도가 5배 빨라진다.
• 에너지 모델은 태양전지와 태양열 집광기를 사용해 전력 공급하는 화성 광산 기지가 물을 지속적으로 생산하고 발사할 수 있음을 확인한다.
• 태양 에너지만으로 구동되는 질량 구동기를 통해 화성 탈출 속도를 달성할 수 있으며, 추진제가 없는 발사가 실현 가능하다.
• 현지 자원을 활용한 3차원 프린팅 기술의 통합은 지구에서 운반해야 할 건설 자재의 필요성을 크게 감소시킨다.
• 자율 로봇 기술이 화성 광산 기지의 기술적·경제적 실현 가능성을 결정적으로 뒷받침하는 핵심 요소로 규명된다.