Suunnittelua siellä, missä tiet loppuvat
Maapallo avustaa hiljaa jokaista rakentamaamme ajoneuvoa: ilmakehän ilma siirtää lämpöä pois jarrulevyistä ja moottorin käämeistä, happi kasvattaa suojaavan oksidikerroksen teräshammasrattaisiin ja nestemäinen vesi pyörittää terävän kvartsihiekan sileiksi rakeiksi. Jos Maan ilmakehä ja vesikehä poistetaan, tavalliset koneenosat tuhoutuvat tunneissa.
Tehtävän suunnittelun rajoitteet
3D-tekninen renderöinti • Suljettu napa ja pölylabyrintti
Regoliitti ja sähköstaattinen pölyongelma
Kysy keneltä tahansa Apollo-astronautilta, Gene Cernanista Harrison Schmittiin, mikä yllätti hänet eniten Kuussa työskennellessä, ja vastaus on lähes aina pöly.
Neljä miljardia vuotta mikrometeoriittipommitusta ilman tuulen tai veden eroosiota murskasi kuun anortosiitin ja meren basaltin huonosti lajittuneeksi hiekaksi, jonka mediaanirakeskoko on 40–130 mikrometriä ja joka sisältää laajalti alle 10 mikrometrin osuuden. Mikroskooppiset iskut sulattavat pieniä silikaattilasipisaroita, jotka hitsaavat terävät mineraalisirpaleet rosoisiksi, toisiinsa lukkiutuviksi rakenteiksi, joita kutsutaan aglutinaateiksi. Niiden kovuus on Mohsin asteikolla 6–7, eli ne ovat kovempia kuin rakennusalumiini ja ruostumaton teräs.
Pahinta on, että auringon ultraviolettifotonit irrottavat elektroneja valaistuilta rakeilta päiväpuolella, jolloin pöly saa positiivisen sähkövarauksen, kun taas auringontuulen plasma varaa yöpuolen rakeet negatiivisesti. Pöly tarttuu kirjaimellisesti optisiin linsseihin, kameran runkoihin, avaruuspuvun ranteen liittimiin ja säteilijän peileihin. Apollo 17:llä, kun Cernanin vasaran varsi vahingossa katkaisi LRV-3:n oikean takasiipiosan, tummanharmaan regoliitin „pyrstösuihkut” peittivät ajoneuvon ylöspäin osoittavat sulatetun kvartsilasin peilit. Koska tumma pöly imee 90 % tulevasta auringonvalosta eikä heijasta sitä, ajoneuvon elektroniikan ja akkujen lämpötilat nousivat vaarallisesti kohti käyttörajoja, kunnes Houstonin insinöörit keksivät korvaavan siiven neljästä laminoidusta valokartasta ja kahdesta hyttilampun kiinnikkeestä.
Kovatyhjiö, kylmähitsaus ja lämmön poisto
Miten voidellaan voimansiirto 10-12 torrissa, kun rasva kiehuu pois, ja miten jäähdytetään sähkömoottori ilman ainuttakaan ilmamolekyyliä?
Tavalliset hiilivetyöljyt kaasuuntuvat tyhjiössä haihtuviksi höyryiksi, jotka tiivistyvät kylmille optisille antureille. Grafiitti taas, joka on maan päällä erinomainen kuivavoiteluaine, tarvitsee liukuakseen sujuvasti hiilikerrosten väliin adsorboituneita vesihöyrymolekyylejä; kuun tyhjiössä grafiitista tulee hiomaainetta! Avaruuden voimansiirrot luottavat sputteroituun molybdeenidisulfidiin (MoS₂), volframidisulfidiin, lyijy/hopea-pehmeämetallikalvoihin tai erittäin matalan höyrynpaineen perfluoripolyeetteri (PFPE) -synteettisiin nesteisiin, jotka on suljettu paineistettuihin typpipyörän napoihin (Apollo LRV:n pyöräkäytöt oli suljettu hermeettisesti 51 kPa:n typpikaasulla).
Ilman ilmavirtausta kuuma jarrulevy tai moottorin kotelo voi luovuttaa lämpöä vain johtumalla lämpönieluihin (kuten Apollo LRV:ssä käytettyihin sulaviin parafiinivahalohkoihin) tai infrapunasäteilynä syvään avaruuteen, jota säätelee P = εσAT4. Kuun keskipäivällä ympäröivät kraatterinseinät säteilevät infrapunalämpöä takaisin ajoneuvoon lämpötilassa +120°C, minkä vuoksi tarvitaan ylöspäin suunnattuja optisia aurinkoheijastimia, joissa on bimetallisia lämpöliuskoja. Ne avautuvat vasta auringonlaskun jälkeen, kun lämpötila laskee kohti -173°C:ta (tai -240°C pysyvästi varjoisissa napakraattereissa).
Jos tyhjiö jäädyttää akut, Venus sulattaa piin. Lämpötilassa 465°C ja 92 ilmakehän ylikriittisessä hiilidioksidissa tavalliset litiumakut räjähtävät ja piipohjaiset CMOS-mikropiirit menettävät kaistaraon käyttäytymisensä. NASA Glennin spekulatiivinen ARED / AREE (Automaton Rover for Extreme Environments) -tutkimus ehdottaa kellomekanismilla ja tuulella toimivaa mekaanista kulkijaa, jossa on korkean lämpötilan Savonius-tuulimyllyt, Babbage-tyyliset mekaaniset esteiden törmäyssuojat ja piikarbidielektroniikka (SiC), joka on mitoitettu 500°C:lle.
Massasakko, viive ja miehistön turvarajat
Jokainen Kuun pinnalle laskettu kilogramma kulkijaa vaatii noin 6–10 kilogrammaa polttoainetta ja porrasmassaa matalalla Maan kiertoradalla. Tämä on kova kerroin, joka tunnetaan raketin yhtälön vaihteistosuhteena.
| Rajoitteen alue | Kuu (päiväntasaaja / napa) | Marsin pinta | Titanin pinta |
|---|---|---|---|
| Yksisuuntainen radioviive | 1.28 sekuntia (lähes reaaliaikainen etäohjaus mahdollinen) | 4–22 minuuttia (autonominen esteiden väistäminen pakollinen) | 68–88 minuuttia (täysi lennonaikainen autonomia laitteessa vaaditaan) |
| Yön kesto | ~354 tuntia päiväntasaajalla; vaihteleva napavalaistus | ~12.3 tuntia (hallittavissa Li-ion-lämmittimillä) | ~192 tuntia (ydinenergialla toimiva MMRTG suositeltava) |
| Miehistön turvasääntö | Puvulla paluukävely (enintään noin 7.6–10 km säde) tai parilliset kulkijat | Varmuuskopioidut paineistetut kulkijat tai ennalta sijoitettu nousuajoneuvo | Vain miehittämätön robottijärjestelmä |