[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种自主多机器人系统，用于在火星上建造并运营一个采矿基地，通过可再生能源和电磁轨道炮（mass driver）提取并发射水。通过部署100台机器人在原位建造和运行基地，与有人主导的作业相比，该方法将能量需求降低五倍，建设速度提升五倍，使地外资源利用支持太空经济成为可能。

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.

研究动机与目标

• 通过开发一种低成本的火星原材料运输方法，实现可持续的太空经济。
• 通过利用火星作为可出口资源的来源，解决从地球发射所需的高Δv成本（11.2 km/s）问题。
• 识别水作为深空任务中生命保障、推进和辐射屏蔽的关键资源。
• 设计一个使用原位资源利用（ISRU）和可再生能源的自主机器人采矿基地。
• 证明多机器人系统可显著降低基地建设与运行的能量和时间需求。

提出的方法

• 基地由光伏电池和太阳能热聚焦装置供电，以支持持续运行和资源处理。
• 采用质量驱动器（电磁轨道炮）将水弹射出火星，以最小推进剂实现逃逸速度。
• 部署100台自主基础设施机器人，利用本地风化层和3D打印技术建造基地。
• 机器人执行所有建设与运行任务，无需人类现场参与，从而降低能量需求。
• 建立能量模型，以在不同功率和质量约束下评估系统的可行性。
• 系统设计为完全自主，地面控制需求最小，依赖分布式机器人与自适应控制算法。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依靠原位资源和可再生能源，机器人自主系统能否在火星上建造并运行采矿基地？
• RQ2 与有人值守基地相比，机器人采矿基地的能量效率如何？
• RQ3 使用机器人如何影响火星采矿基地建设与启用所需的时间？
• RQ4 水在支持可持续太空经济方面的作用，除了生命保障外还体现在哪些方面？
• RQ5 能否通过太阳能有效驱动并维持质量驱动器系统，实现从火星发射水？

主要发现

• 使用100台自主机器人可使基地建设与运行的总能量需求相比有人机组作业降低五倍。
• 由于持续作业和工作流程优化，机器人建造使基地建设速度比人工方法快五倍。
• 能量模型证实，由光伏电池和太阳能热聚焦装置供电的火星采矿基地能够可持续地生产并发射水。
• 仅依靠太阳能驱动的质量驱动器可使基地实现火星逃逸速度，使无推进剂发射成为可能。
• 将3D打印技术与原位材料结合，显著减少了从地球运输建设材料的需求。
• 自主机器人被确定为实现火星采矿基地在技术和经济上可行的关键推动力。