Bayangkan skenario ini. Tahun ini adalah tahun 2030 atau sekitar itu. Setelah berlayar enam bulan dari Bumi, Anda dan beberapa astronot lainnya adalah manusia pertama di Mars. Anda berdiri di dunia asing, tanah merah berdebu di bawah kaki Anda, melihat-lihat sekelompok peralatan penambangan yang disimpan oleh robot pendarat sebelumnya.
Bergema di telinga Anda adalah kata-kata terakhir dari kendali misi: “Misi Anda, seandainya Anda mau menerimanya, adalah kembali ke Bumi — jika mungkin menggunakan bahan bakar dan oksigen yang Anda tambang dari pasir Mars. Semoga berhasil!"
Kedengarannya cukup sederhana, menambang bahan mentah dari planet berbatu dan berpasir. Kami melakukannya di sini di Bumi, mengapa tidak di Mars juga? Tapi itu tidak sesederhana kedengarannya. Tidak ada tentang fisika granular yang pernah ada.
Fisika granular adalah ilmu biji-bijian, mulai dari biji jagung hingga biji-bijian sampai bubuk kopi. Ini adalah zat sehari-hari yang umum, tetapi mereka bisa sangat sulit diprediksi. Suatu saat mereka berperilaku seperti padatan, yang berikutnya seperti cairan. Pertimbangkan sebuah truk penuh kerikil. Ketika truk mulai miring, kerikil tetap berada di tumpukan padat, sampai pada sudut tertentu tiba-tiba menjadi sungai batu yang bergemuruh.
Memahami fisika granular sangat penting untuk merancang mesin industri untuk menangani sejumlah besar padatan kecil - seperti pasir Mars halus.
Masalahnya adalah, bahkan di sini di Bumi "pabrik-pabrik industri tidak bekerja dengan baik karena kita tidak memahami persamaan untuk bahan granular serta kita memahami persamaan untuk cairan dan gas," kata James T. Jenkins, profesor teori dan mekanika terapan di Cornell University di Ithaca, NY “Itulah mengapa pembangkit listrik tenaga batu bara beroperasi dengan efisiensi rendah dan memiliki tingkat kegagalan yang lebih tinggi dibandingkan dengan pembangkit listrik berbahan bakar cair atau gas.”
Jadi "apakah kita memahami pemrosesan granular dengan cukup baik untuk melakukannya di Mars?" dia bertanya.
Mari kita mulai dengan penggalian: "Jika Anda menggali parit di Mars, seberapa curam sisi-sisinya dan tetap stabil tanpa mengalah?" bertanya-tanya Stein Sture, profesor teknik sipil, lingkungan, dan arsitektur dan dekan di Universitas Colorado di Boulder. Belum ada jawaban pasti. Lapisan tanah dan batu berdebu di Mars belum cukup dikenal.
Beberapa informasi tentang komposisi mekanis meteran teratas dari tanah Mars dapat diperoleh dengan radar penembus-tanah atau perangkat suara lainnya, Sture menunjukkan, tetapi jauh lebih dalam dan Anda “mungkin perlu mengambil sampel inti.” Phoenix Mars pendarat NASA (landing 2008) akan dapat menggali parit sedalam setengah meter; Laboratorium Sains Mars 2009 akan dapat memotong inti batu. Kedua misi akan memberikan data baru yang berharga.
Untuk lebih dalam lagi, Sture (sehubungan dengan Pusat Konstruksi Antariksa Universitas Colorado) sedang mengembangkan penggali inovatif yang ujung usahanya bergetar menjadi tanah. Agitasi membantu memutus ikatan kohesif yang menyatukan tanah yang dipadatkan dan juga dapat membantu mengurangi risiko tanah runtuh. Mesin seperti ini mungkin suatu hari akan pergi ke Mars juga.
Masalah lain adalah “hopper” - corong yang digunakan penambang untuk memandu pasir dan kerikil ke ban berjalan untuk diproses. Pengetahuan tentang tanah Mars akan sangat penting dalam merancang gerbong yang paling efisien dan bebas perawatan. "Kami tidak mengerti mengapa hopper macet," kata Jenkins. Kemacetan begitu sering, pada kenyataannya, bahwa "di Bumi, setiap hopper memiliki palu di dekatnya." Memukul gerbong membebaskan kemacetan. Di Mars, di mana hanya ada beberapa orang di sekitar untuk merawat peralatan, Anda ingin hopper bekerja lebih baik dari itu. Jenkins dan rekannya meneliti mengapa butiran mengalir macet.
Dan kemudian ada transportasi: Mars rovers Spirit and Opportunity mengalami sedikit kesulitan dalam berkendara bermil-mil di sekitar lokasi pendaratan mereka sejak tahun 2004. Tetapi penemu ini hanya seukuran meja kantor rata-rata dan hanya sekitar sebesar orang dewasa. Mereka menggunakan gerobak dibandingkan dengan kendaraan besar yang mungkin diperlukan untuk mengangkut berton-ton pasir dan batu Mars. Kendaraan yang lebih besar akan memiliki waktu yang lebih sulit untuk berkeliling.
Sture menjelaskan: Pada awal 1960-an ketika para ilmuwan pertama kali mempelajari kemungkinan rover bertenaga surya untuk menegosiasikan pasir lepas di Bulan dan planet-planet lain, mereka menghitung "bahwa tekanan kontinu maksimum yang berkelanjutan untuk tekanan kontak bergulir di tanah Mars hanya 0,2 pound per inci kuadrat (psi), ”terutama saat melakukan perjalanan naik atau turun lereng. Sosok rendah ini telah dikonfirmasi oleh perilaku Spirit dan Opportunity.
Tekanan kontak bergulir yang hanya 0,2 psi ”berarti bahwa kendaraan harus ringan atau harus memiliki cara mendistribusikan muatan secara efektif ke banyak roda atau trek. Mengurangi tekanan kontak sangat penting agar roda tidak menggali tanah lunak atau menembus duricrusts [lembaran tipis tanah yang disemen, seperti kerak tipis pada salju yang tertiup angin di Bumi] dan terjebak. "
Persyaratan itu menyiratkan bahwa kendaraan untuk memindahkan beban yang lebih berat - manusia, habitat, peralatan - mungkin merupakan "benda jenis Fellini besar dengan roda berdiameter 4 hingga 6 meter (12 hingga 18 kaki)," kata Sture, merujuk pada orang Italia yang terkenal itu. sutradara film surealis. Atau mungkin memiliki tapak logam jala terbuka yang sangat besar seperti persilangan antara backhoe konstruksi jalan raya di Bumi dan penjelajah bulan yang digunakan selama program Apollo di Bulan. Dengan demikian, kendaraan yang dilacak atau disandangkan tampaknya menjanjikan untuk mengangkut muatan besar.
Tantangan terakhir yang dihadapi fisikawan granular adalah untuk mencari tahu bagaimana menjaga peralatan beroperasi melalui badai debu musiman Mars. Badai Mars mencambuk debu halus melalui udara dengan kecepatan 50 m / s (100+ mph), menjelajahi setiap permukaan yang terbuka, menyaring ke setiap celah, mengubur struktur yang terbuka baik alam dan buatan manusia, dan mengurangi jarak pandang ke meter atau kurang. Jenkins dan peneliti lainnya sedang mempelajari fisika pengangkutan pasir dan debu aeolian di Bumi, baik untuk memahami pembentukan dan pergerakan bukit pasir di Mars, dan juga untuk memastikan situs apa untuk habitat akhirnya yang paling terlindungi dari angin yang ada ( misalnya di lee batu besar).
Kembali ke pertanyaan besar Jenkins, "apakah kita memahami pemrosesan granular dengan cukup baik untuk melakukannya di Mars?" Jawaban yang meresahkan adalah: kami belum tahu.
Bekerja dengan pengetahuan yang tidak sempurna tidak apa-apa di Bumi karena, biasanya, tidak ada yang menderita karena ketidaktahuan itu. Tetapi di Mars, ketidaktahuan bisa berarti berkurangnya efisiensi atau lebih buruk mencegah para astronot menambang cukup oksigen dan hidrogen untuk bernafas atau menggunakan bahan bakar untuk kembali ke Bumi.
Fisikawan granular menganalisis data dari penemu Mars, membangun mesin penggali baru, bermain-main dengan persamaan, melakukan level terbaik untuk menemukan jawabannya. Ini semua adalah bagian dari strategi NASA untuk mempelajari cara mencapai Mars ... dan kembali lagi.
Sumber Asli: [dilindungi email]
