Projektowanie tam, gdzie kończą się drogi
Ziemia bezgłośnie wspomaga każdy pojazd, który budujemy: powietrze konwekcyjnie odprowadza ciepło z tarcz hamulcowych i uzwojeń silników, tlen odtwarza ochronne warstwy tlenków na stalowych kołach zębatych, a woda w stanie ciekłym wygładza ostre ziarna kwarcowego piasku. Odbierz Ziemi atmosferę i hydrosferę, a zwykłe elementy maszyn ulegną zniszczeniu w ciągu kilku godzin.
Ograniczenia projektowe misji
Render inżynierski 3D • Szczelna piasta i labirynt pyłoszczelny
Regolit i elektrostatyczny problem pyłu
Zapytaj dowolnego astronautę programu Apollo, od Gene'a Cernana po Harrisona Schmitta, co najbardziej go zaskoczyło podczas pracy na Księżycu, a odpowiedź niemal zawsze brzmi: pył.
Cztery miliardy lat bombardowania mikrometeoroidami, bez erozji przez wiatr czy wodę, rozdrobniły anortozyt księżycowy i bazalt mórz w słabo wysortowany muł o medianie wielkości ziarna od 40 do 130 mikrometrów, z powszechnym udziałem frakcji poniżej 10 mikrometrów. Mikroskopijne uderzenia topią drobne kropelki szkła krzemianowego, które zlepiają ostre odłamki minerałów w postrzępione, splecione struktury zwane aglutynatami, o twardości 6–7 w skali Mohsa, czyli większej niż aluminium konstrukcyjne i stal nierdzewna.
Co gorsza, fotony nadfioletu słonecznego wybijają elektrony z oświetlonych ziaren po stronie dziennej, nadając pyłowi dodatni ładunek elektrostatyczny, podczas gdy plazma wiatru słonecznego ładuje ziarna po stronie nocnej ujemnie. Pył dosłownie przywiera do soczewek optycznych, obudów kamer, złączy rękawic skafandra i luster chłodzących. W Apollo 17, po tym jak rączka młotka Cernana przypadkiem złamała przedłużenie prawego tylnego błotnika LRV-3, z górnych, skierowanych ku niebu luster z topionej krzemionki łazika posypały się ciemnoszare „ogony” regolitu. Ponieważ ciemny pył pochłania 90% padającego światła słonecznego zamiast je odbijać, temperatury elektroniki i baterii łazika niebezpiecznie zbliżyły się do granic roboczych, aż inżynierowie z Houston zbudowali zastępczy błotnik z czterech laminowanych fotomap i dwóch zacisków z lampy kabinowej.
Wysoka próżnia, zimne zgrzewanie i odprowadzanie ciepła
Jak smarować napęd przy ciśnieniu 10-12 tora, gdy smar wrze i odparowuje, i jak chłodzić silnik elektryczny w przestrzeni bez jednej cząsteczki powietrza?
Zwykłe oleje węglowodorowe w próżni wydzielają lotne opary, które skraplają się na zimnych czujnikach optycznych, a grafit, doskonały suchy smar na Ziemi, wymaga adsorbowanych cząsteczek pary wodnej między swoimi warstwami węgla, aby ślizgać się gładko; w próżni księżycowej grafit staje się ścierny! Napędy w kosmosie opierają się na naparowanym disiarczku molibdenu (MoS₂), disiarczku wolframu, miękkich warstwach metali z ołowiu lub srebra albo na syntetycznych płynach PFPE (perfluoropolieterach) o bardzo niskim ciśnieniu pary, zamkniętych w piastach kół wypełnionych azotem pod ciśnieniem (napędy kół łazików Apollo LRV były hermetycznie zamknięte azotem pod ciśnieniem 51 kPa).
Bez konwekcji powietrza gorąca tarcza hamulcowa lub obudowa silnika mogą oddawać ciepło tylko przez przewodzenie do radiatorów cieplnych (takich jak bloki z parafiny zmieniającej fazę, używane w łazikach Apollo LRV) albo przez promieniowanie podczerwone w głęboką przestrzeń kosmiczną, opisane wzorem P = εσAT4. W południe księżycowym otaczające ściany kraterów odbijają ciepło podczerwone z powrotem na pojazd, do +120°C, dlatego potrzebne są skierowane ku górze optyczne reflektory słoneczne z bimetalicznymi paskami termicznymi, które otwierają się dopiero po zachodzie słońca, gdy temperatura spada do około -173°C (lub -240°C w trwale zacienionych kraterach polarnych).
Jeśli próżnia zamraża baterie, Wenus topi krzem. Przy 465°C i 92 atmosferach nadkrytycznego dwutlenku węgla konwencjonalne baterie litowe eksplodują, a mikroczipy CMOS z krzemu tracą właściwości przerwy energetycznej. Spekulatywne studium NASA Glenn ARED / AREE (Automatyczny łazik do ekstremalnych środowisk) proponuje mechanicznie napędzany wiatrem łazik z zegarowym mechanizmem, wykorzystujący wysokotemperaturowe turbiny wiatrowe Savoniusa, mechaniczne zderzaki przeszkód w stylu Babbage'a oraz elektronikę z węglika krzemu (SiC) przystosowaną do 500°C.
Kary masowe, opóźnienia i granice bezpieczeństwa załogi
Każdy kilogram łazika lądującego na powierzchni Księżyca wymaga około 6–10 kilogramów paliwa i masy członów rakiet na niskiej orbicie okołoziemskiej, co jest niekorzystnym mnożnikiem znanym jako przełożenie równania rakietowego.
| Dziedzina ograniczenia | Księżyc (równikowy / polarny) | Powierzchnia Marsa | Powierzchnia Tytana |
|---|---|---|---|
| Opóźnienie radiowe w jedną stronę | 1.28 sekundy (możliwe sterowanie zdalne w czasie zbliżonym do rzeczywistego) | 4–22 minut (obowiązkowe autonomiczne unikanie zagrożeń) | 68–88 minut (wymagana pełna autonomia lotu na pokładzie) |
| Długość nocy | ~354 godziny na równiku; zmienne oświetlenie na biegunach | ~12.3 godziny (do opanowania za pomocą grzałek litowo-jonowych) | ~192 godziny (zdecydowanie preferowany jądrowy generator MMRTG) |
| Zasada bezpieczeństwa załogi | Powrót pieszo w skafandrze (maks. promień ~7.6–10 km) lub parzyste łazики | Nadmiarowe ciśnieniowe łaziki lub wcześniej rozmieszczony pojazd wznoszący | Wyłącznie reżim bezzałogowych robotów |