このシナリオを想像してみてください。年は2030年くらいです。地球から6か月間航海した後、あなたと他の数人の宇宙飛行士は火星で最初の人間です。あなたはエイリアンの世界に立ち、足の下にあるほこりっぽい赤い土、以前のロボット着陸機によって堆積された鉱山設備の束を見回しています。
あなたの耳に響くことは、ミッション管理からの最後の言葉です。「あなたのミッションは、あなたがそれを受け入れたくても、火星の砂から採掘した燃料と酸素を使用して、可能であれば地球に戻ることです。幸運を！"
岩の多い砂浜の惑星から原材料を採掘するのは、とてもシンプルに聞こえます。私たちは地球上でそれをしているのですが、なぜ火星でもしないのですか？しかし、それは思ったほど単純ではありません。粒子物理学については何もありません。
粒状物理学は穀物の科学であり、トウモロコシの穀粒から砂の粒、コーヒーの粉に至るまですべてのものです。これらは一般的な日常の物質ですが、予測が非常に困難な場合があります。ある瞬間は固体のように振る舞い、次は液体のように振る舞います。砂利でいっぱいのダンプトラックを考えてみましょう。トラックが傾き始めると、砂利はしっかりした山の中に留まり、特定の角度で突然雷のような岩の川になります。
粒状の物理学を理解することは、微細な火星の砂のような大量の小さな固体を処理する産業機械を設計するために不可欠です。
ここでの問題は、地球上でも「粒状物質の方程式を理解できず、液体や気体の方程式も理解していないため、産業用植物はうまく機能しない」ということです。ニューヨーク州イサカにあるコーネル大学の応用力学「それが、石炭火力発電所の効率が低く、液体燃料やガス火力発電所に比べて故障率が高い理由です。」
それで、「火星でそれを行うのに十分に細かい処理を理解していますか？」彼は尋ねます。
発掘から始めましょう：「火星の溝を掘る場合、側面はどれだけ急勾配で、陥没せずに安定したままでいられるでしょうか？」ボルダーにあるコロラド大学の土木工学、環境工学、建築工学の教授であり、副学部長でもあるスタインスチュールは不思議に思います。明確な答えはまだありません。火星上のほこりっぽい土壌と岩の層状化は十分に知られていません。
火星の土壌の上部メーターなどの機械的組成に関するいくつかの情報は、地中レーダーやその他の探査装置によって得られる可能性があるとStureは指摘しますが、はるかに深く、「おそらくコアサンプルを取得する必要があります」。 NASAのフェニックス火星着陸船（2008年着陸）は、深さ約0.5メートルの海溝を掘ることができます。 2009 Mars Science Laboratoryは、岩石コアを切り取ることができます。どちらのミッションも貴重な新しいデータを提供します。
さらに深く掘り下げるために、スチュール（コロラド大学の宇宙建設センターに関連して）は、事業が土壌に振動する革新的な坑夫を開発しています。攪拌は、締固めた土をまとめて保持している凝集結合を破壊するのに役立ち、土が崩れるリスクを軽減するのにも役立ちます。このような機械は、いつの日か火星に行くかもしれません。
もう1つの問題は「ホッパー」です。鉱山労働者が砂や砂利を処理のためにコンベヤーベルトに導くために使用する漏斗です。火星の土壌に関する知識は、最も効率的でメンテナンスフリーのホッパーを設計する上で不可欠です。 「ホッパーが詰まる理由はわかりません」とJenkins氏は言います。ジャムは頻繁に発生するため、実際には「地球上では、すべてのホッパーにハンマーが近くにあります」。ホッパーを叩いてジャムを解放します。火星では、機材を管理する人が数人しかいないので、ホッパーはそれよりもうまく機能する必要があります。 Jenkinsと同僚は、粒状の流れが詰まる理由を調査しています。
そして、輸送手段があります。火星探査車のスピリットとオポチュニティは、2004年以来、着陸地点の周りを走行するのにほとんど問題がありませんでした。しかし、これらの探査車は、平均的なオフィスデスクほどの大きさで、大人と同じくらいの大きさです。それらは、大量の火星の砂や岩を輸送するためにおそらく必要な巨大な車両と比較して、ゴーカートです。大型車は移動に苦労するでしょう。
スチュールは次のように説明しています。科学者が最初に月や他の惑星の緩い砂を交渉するための可能な太陽電池式ローバーを研究していた1960年代には、「火星の土壌上の転がり接触圧力の最大実行可能連続圧力は0.2ポンド平方インチ（psi）」、特に坂道を上り下りする場合。この低い数字は、精神と機会の振る舞いによって確認されました。
わずか0.2 psiの転がり接触圧力は、車両が軽量でなければならない、または負荷を多くの車輪またはトラックに効果的に分散させる方法を備えている必要があることを意味します。車輪が柔らかい土に食い込んだり、デュリクラスト[地球上の風に吹かれた雪の薄い地殻のような薄い土の薄板]を突き破ったり動かなくなったりしないように、接触圧を下げることが重要です。」
その要件は、より重い荷物（人、生息地、設備）を移動する車両が「直径4〜6メートル（12〜18フィート）の車輪を備えた巨大なフェリーニタイプのもの」である可能性があることを意味します。シュールな映画の監督。または、地球上の高速道路建設用バックホーと月面のアポロ計画中に使用された月面車の間のクロスのような巨大なオープンメッシュの金属製の踏み板があるかもしれません。したがって、トラックまたはベルト付き車両は、大きなペイロードを運ぶのに有望です。
粒状物理学者が直面している最後の課題は、火星の季節的な砂嵐によって機器を稼働させ続ける方法を理解することです。火星の嵐は、50 m / s（100+ mph）の速度で空気中に微細な塵を吹き飛ばし、すべての露出した表面を洗い流し、すべての隙間にふるいにかけ、露出した構造物を自然と人工の両方で埋め、可視性をメートル以下に減らします。ジェンキンスと他の調査官は、火星での砂丘の形成と移動を理解するために、また、最終的な生息地が卓越する風から最もよく保護される可能性がある場所を確認するために、地球上の砂と塵の風力輸送の物理学を研究しています（たとえば、大きな岩の風下で）。
ジェンキンスの大きな質問に戻ります。「火星でそれを行うのに十分な粒度の処理を理解していますか？」不安な答えは、まだわかりません。
地球上では、不完全な知識での作業は問題ありません。通常、その無知に苦しむ人はいないからです。しかし火星では、無知は効率を低下させるか、ひいては宇宙飛行士が呼吸または燃料を地球に戻すために使用するのに十分な酸素と水素の採掘を妨げることを意味する可能性があります。
火星探査車からのデータを分析し、新しい掘削機を構築し、方程式をいじくり回す細かい物理学者たちは、答えを見つけるために最善を尽くしています。火星に到達する方法を学ぶことは、NASAの戦略の一部です。
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