Immagina questo scenario. L'anno è il 2030 o giù di lì. Dopo aver viaggiato per sei mesi dalla Terra, tu e molti altri astronauti siete i primi umani su Marte. Sei in piedi su un mondo alieno, polvere rossa polverosa sotto i tuoi piedi, guardando in giro un gruppo di attrezzature minerarie depositate da precedenti lander robotici.
Eco nelle orecchie sono le ultime parole del controllo della missione: “La tua missione, se ti interessa accettarla, è di tornare sulla Terra - se possibile usando carburante e ossigeno che estrai dalle sabbie di Marte. In bocca al lupo!"
Sembra abbastanza semplice, estrarre materie prime da un pianeta roccioso e sabbioso. Lo facciamo qui sulla Terra, perché non anche su Marte? Ma non è così semplice come sembra. Nulla sulla fisica granulare lo è mai.
La fisica granulare è la scienza dei cereali, tutto, dai chicchi di mais ai chicchi di sabbia ai fondi di caffè. Queste sono sostanze comuni di tutti i giorni, ma possono essere fastidiosamente difficili da prevedere. Un momento si comportano come solidi, l'altro come liquidi. Considera un autocarro con cassone ribaltabile pieno di ghiaia. Quando il camion inizia a inclinarsi, la ghiaia rimane in un mucchio solido, fino a quando ad un certo angolo diventa improvvisamente un fiume tuonante di roccia.
Comprendere la fisica granulare è essenziale per progettare macchinari industriali in grado di gestire grandi quantità di piccoli solidi, come la sabbia fine di Marte.
Il problema è che anche qui sulla Terra "gli impianti industriali non funzionano molto bene perché non capiamo le equazioni per i materiali granulari e comprendiamo le equazioni per liquidi e gas", afferma James T. Jenkins, professore di teoria e meccanica applicata presso la Cornell University di Ithaca, New York "Ecco perché le centrali a carbone funzionano a bassa efficienza e hanno tassi di guasto più elevati rispetto alle centrali a combustibile liquido o a gas."
Quindi "comprendiamo l'elaborazione granulare abbastanza bene da farlo su Marte?" lui chiede.
Cominciamo con lo scavo: "Se scavi una trincea su Marte, quanto possono essere ripidi i lati e rimanere stabili senza scavare?" si chiede Stein Sture, professore di ingegneria civile, ambientale e di architettura e decano associato presso l'Università del Colorado a Boulder. Non esiste una risposta definitiva, non ancora. La stratificazione di suoli polverosi e roccia su Marte non è abbastanza nota.
Alcune informazioni sulla composizione meccanica del metro più o meno dei suoli marziani potrebbero essere ottenute da radar penetranti nel terreno o altri dispositivi di sondaggio, sottolinea Sture, ma molto più in profondità e "probabilmente dovrai prendere campioni di base". Il lander Phoenix Mars della NASA (atterraggio 2008) sarà in grado di scavare trincee profonde circa mezzo metro; il Mars Science Laboratory del 2009 sarà in grado di tagliare core di roccia. Entrambe le missioni forniranno nuovi preziosi dati.
Per andare ancora più in profondità, Sture (in connessione con il Center for Space Construction dell'Università del Colorado) sta sviluppando scavatori innovativi le cui attività commerciali vibrano nei suoli. L'agitazione aiuta a rompere i legami coesivi tenendo insieme i suoli compatti e può anche aiutare a mitigare il rischio di collasso dei suoli. Macchine come queste potrebbero un giorno andare anche su Marte.
Un altro problema sono le "tramogge", utilizzate dai minatori di imbuti per guidare la sabbia e la ghiaia sui nastri trasportatori per la lavorazione. La conoscenza dei suoli marziani sarebbe vitale nella progettazione delle tramogge più efficienti e senza manutenzione. "Non capiamo perché le tramogge si inceppano", afferma Jenkins. Le marmellate sono così frequenti, infatti, che "sulla Terra, ogni tramoggia ha un martello vicino". Sbattere sulla tramoggia libera la marmellata. Su Marte, dove ci sarebbero solo poche persone intorno a prendersi cura delle attrezzature, vorrai che le tramogge funzionino meglio di così. Jenkins e colleghi stanno studiando perché l'inceppamento dei flussi granulari.
E poi c'è il trasporto: i rover Mars e Spirit e Opportunity hanno avuto pochi problemi a guidare miglia intorno ai loro siti di atterraggio dal 2004. Ma questi rover hanno solo le dimensioni di una scrivania media e sono grandi quasi quanto un adulto. Sono go-kart rispetto agli enormi veicoli forse necessari per trasportare tonnellate di sabbia e roccia marziana. I veicoli più grandi avranno un tempo più difficile muoversi.
Sture spiega: già negli anni '60, quando gli scienziati stavano studiando per la prima volta possibili rover a energia solare per la negoziazione di sabbie mobili sulla Luna e su altri pianeti, hanno calcolato che "la massima pressione continua praticabile per far rotolare la pressione di contatto sui suoli marziani è di soli 0,2 libbre per pollice quadrato (psi) ", specialmente quando si viaggia su o giù per pendii. Questa cifra bassa è stata confermata dal comportamento di Spirito e Opportunità.
Una pressione di contatto di rotolamento di soli 0,2 psi "significa che un veicolo deve essere leggero o deve avere un modo di distribuire efficacemente il carico su molte ruote o piste. Ridurre la pressione di contatto è fondamentale in modo che le ruote non scavino nel terreno morbido o sfondino i duricrus [sottili fogli di terreno cementato, come la sottile crosta sulla neve mossa dal vento sulla Terra] e rimangano bloccati. "
Tale requisito implica che un veicolo per lo spostamento di carichi più pesanti - persone, habitat, attrezzature - potrebbe essere "una grande cosa di tipo Fellini con ruote da 4 a 6 metri (da 12 a 18 piedi) di diametro", afferma Sture, riferendosi al famoso italiano regista di film surreali. Oppure potrebbe avere enormi gradini di metallo a maglie aperte come un incrocio tra backhoes di costruzione di autostrade sulla Terra e il rover lunare usato durante il programma Apollo sulla Luna. Pertanto, i veicoli cingolati o cinturati sembrano promettenti per il trasporto di grandi carichi utili.
Un'ultima sfida per i fisici granulari è capire come far funzionare le attrezzature durante le tempeste di polvere stagionali di Marte. Le tempeste marziane lanciano polvere fine nell'aria a velocità di 50 m / s (100+ mph), setacciando ogni superficie esposta, setacciando in ogni fessura, seppellendo le strutture esposte sia naturali che artificiali e riducendo la visibilità a metri o meno. Jenkins e altri investigatori stanno studiando la fisica del trasporto eolico [di vento] di sabbia e polvere sulla Terra, sia per comprendere la formazione e lo spostamento delle dune su Marte, sia per accertare quali siti per eventuali habitat potrebbero essere meglio protetti dai venti dominanti ( per esempio, sottovento di grandi rocce).
Tornando alla grande domanda di Jenkins, "capiamo l'elaborazione granulare abbastanza bene da farlo su Marte?" La risposta inquietante è: non lo sappiamo ancora.
Lavorare con conoscenza imperfetta va bene sulla Terra perché, di solito, nessuno soffre molto di quell'ignoranza. Ma su Marte, l'ignoranza potrebbe significare una riduzione dell'efficienza o, peggio, impedire agli astronauti di estrarre abbastanza ossigeno e idrogeno da respirare o usare il carburante per tornare sulla Terra.
I fisici granulari che analizzano i dati dei rover su Marte, costruiscono nuove macchine da scavo, armeggiano con equazioni, stanno facendo del loro meglio per trovare le risposte. Fa tutto parte della strategia della NASA per imparare come arrivare su Marte ... e viceversa.
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