Design der veiene tar slutt
Jorden hjelper stille med alle kjøretøy vi bygger: atmosfærisk luft fører varme bort fra bremseskiver og motorviklinger, oksygen danner på nytt beskyttende oksidhud på stålgir, og flytende vann slipper skarp kvartssand ned til glatte korn. Fjern jordens atmosfære og hydrosfære, og vanlige maskinelementer ødelegger seg selv i løpet av timer.
Konstruksjonskrav for oppdraget
3D-ingeniørgjengivelse • Forseglet nav og støvlabyrint
Regolitt og det elektrostatiske støvproblemet
Spør en hvilken som helst Apollo-astronaut, fra Gene Cernan til Harrison Schmitt, hva som overrasket dem mest ved å arbeide på Månen, og svaret er nesten alltid støv.
Fire milliarder år med mikrometeoritt-bombardement uten vind- eller vannerosjon knuste lunar anortositt og mare-basalt til et dårlig sortert silt med en mediankornstørrelse mellom 40 og 130 mikrometer, inkludert en utbredt andel under 10 mikrometer. Mikroskopiske nedslag smelter små dråper silikatglass som sveiser skarpe mineralbiter sammen til takkete, sammenlåste strukturer kalt agglutinater, med hardhet 6 til 7 på Mohs-skalaen, hardere enn konstruksjonsaluminium og rustfritt stål.
Verre er at solens ultrafiolette fotoner slår elektroner løs fra belyste korn på dagsiden, slik at støvet får positiv elektrisk ladning, mens solvindplasma gir korn på nattsiden negativ ladning. Støvet fester seg bokstavelig talt til optiske linser, kamerahus, romdrakters håndleddskoblinger og radiatorspeil. Under Apollo 17, etter at Cernans hammerskaft ved et uhell knakk av den høyre bakre skjermforlengelsen på LRV-3, sprutet «hanehaler» av mørkt grått regolitt over roverens oppovervendte speil av smeltet kvartsglass. Fordi mørkt støv absorberer 90 % av det innfallende sollyset i stedet for å reflektere det, steg temperaturene i roverens elektronikk og batterier farlig nær driftsgrensene, til ingeniørene i Houston laget en erstatningsskjerm av fire laminerte fotokart og to klemmer fra kabinlampene.
Høyvakuum, kaldsveising og varmeavgivelse
Hvordan smører du et drivverk ved 10-12 torr når fettet koker bort, og hvordan kjøler du en elektrisk motor når det ikke finnes luftmolekyler i det hele tatt?
Vanlige hydrokarbonoljer avgasser flyktige damper i vakuum som kondenserer på kalde optiske sensorer, mens grafitt, som er et utmerket tørt smøremiddel på Jorden, faktisk krever adsorberte vanndampmolekyler mellom karbonlagene for å gli jevnt. I månevakuum blir grafitt et slipemiddel! Romdrivverk er avhengige av sputtret molybdendisulfid (MoS₂), wolframdisulfid, myke metallfilmer av bly og sølv, eller syntetiske PFPE-væsker (perfluorpolyeter) med ekstremt lavt damptrykk, forseglet i trykksatte nitrogenfylte hjulnav (drivene i Apollo LRV-hjulene var hermetisk forseglet med 51 kPa nitrogengass).
Uten luftkonveksjon kan en varm bremseskive eller et motorhus bare avgi varme ved termisk ledning til varmesluk (for eksempel smeltende paraffinvoksblokker med faseskifte, brukt på Apollo LRV), eller ved infrarød stråling ut i det dype rommet, styrt av P = εσAT4. Under månens middag stråler kraterveggene infrarød varme tilbake mot kjøretøyet ved +120°C, noe som tvinger frem oppovervendte optiske solreflektorer med bimetalliske termiske bånd som først åpner seg etter solnedgang, når temperaturen faller mot -173°C (eller -240°C i permanent skyggelagte polare kratre).
Hvis vakuumet fryser batterier, smelter Venus silisium. Ved 465°C og 92 atmosfærer superkritisk karbondioksid eksploderer vanlige litiumbatterier, og silisium-CMOS-mikrobrikker mister sin båndgapoppførsel. NASA Glenns spekulative studie ARED / AREE (Automaton Rover for Extreme Environments) foreslår en urverksdrevet, vinddrevet mekanisk rover med høytemperatur Savonius-vindturbiner, mekaniske hindringsstøtfangere i Babbage-stil og elektronikk av silisiumkarbid (SiC) som er godkjent for 500°C.
Vektstraff, forsinkelse og sikkerhetsrammer for mannskap
Hvert kilo rover som landes på månens overflate krever omtrent 6 til 10 kilo drivstoff og trinnmasse i lav bane rundt Jorden. Dette er en hard multiplikator kjent som raketlikningens girforhold.
| Begrensningsområde | Månen (ekvator / poler) | Marsoverflaten | Titans overflate |
|---|---|---|---|
| Enveis radioforsinkelse | 1.28 sekunder (nesten sanntidsstyring er mulig) | 4 til 22 minutter (autonom unngåelse av hindringer er obligatorisk) | 68 til 88 minutter (full autonomi om bord er nødvendig) |
| Nattens varighet | ~354 timer ved ekvator; variabel belysning ved polene | ~12.3 timer (håndterbart med Li-ion-varmere) | ~192 timer (kjernekraft med MMRTG er sterkt foretrukket) |
| Sikkerhetsregel for mannskap | Retur til fots i romdrakt (maks radius ~7.6–10 km) eller par med rovere | Redundante trykksatte rovere eller forhåndsutplassert oppstigningsfartøy | Kun ubemannet robotregime |