Путь робота к ледяному спутнику другой планеты начинается в глубинах Антарктики

Автор оригинала: David W. Brown
  • Перевод

Учёные НАСА в ноябре 2019 закончили полевые испытания плавучего вездехода, который, как они надеются, однажды сможет отправиться на Европу – спутник Юпитера с замёрзшим океаном



Прототип плавучего вездехода НАСА на испытаниях в озере близ Уткиагвика, Аляска

Стоя рядом с большим аккуратным отверстием во льду под каменно-серым полуденным летним небом Антарктики, шесть пингвинов Адели наблюдают за тем, как шестеро мужчин работают со своими инструментами. Эта пропасть подо льдом, возможно, и могла бы являться притягательным приглашением в глубины, богатые крилем. Однако ни один из членов разведывательной группы в смокингах не ныряет в этот квадрат со стороной в два метра. Слишком высок риск встречи с морским леопардом.

Однако нырнув в неё, пингвины увидели бы не тюленя, а робота.

В ноябре учёные и инженеры из Лаборатории реактивного движения НАСА успешно провели полевые испытания BRUIE – «плавучего вездехода для подлёдных исследований» [Buoyant Rover for Under-Ice Exploration] – подо льдом восточной Антарктики. Вездеход с удаленным управлением специально сделали для того, чтобы он мог ползти по нижней части морского льда и шельфовых ледников. Долгосрочной целью испытаний на Земле является организация когда-нибудь в будущем поисков признаков жизни под толстой замёрзшей оболочкой, покрывающей спутник-океан Юпитера, Европу. Под её льдами скрывается в три раза больше жидкой воды, чем во всех океанах Земли.

Пройдёт ещё много лет до того, как космический аппарат с Земли сядет на Европу, которую тщательнее всего изучили во время работы миссии "Галилео" в середине 1990-х. Следующий роботизированный зонд, предназначенный для посещения этого мира – это Europa Clipper, который планируют запустить не ранее 2025 года. Прибыв на место через несколько лет, этот корабль облетит Юпитер и пролетит мимо Европы десятки раз, чтобы изучить её с разных углов и составить подробную карту поверхности. Европа считается одним из главных кандидатов в Солнечной системе на наличие внеземной жизни в каком-либо виде.

Будущее любого спускаемого аппарата, посещающего юпитерианскую луну, не определено. Но это не останавливает инженеров и учёных НАСА от разработки технологий для помощи осуществления такой миссии.


Снимок Европы, сделанный космическим кораблём «Вояджер-2» 9 июля 1979 года

«Доставить такое транспортное средство, как плавучий вездеход, и другие подводные зонды в океаны Европы – это долгосрочная цель, которую мы надеемся когда-нибудь осуществить, — сказал Кевин Питер Хэнд, научный руководитель проекта из Лаборатории реактивного движения. – Он появится на планете после Clipper и спускаемого на поверхность аппарата. Эти предварительные миссии подготовят почву для того, чтобы пройти через лёд и достичь океана».

BRUIE находится в разработке с 2017 года. Он похож на гибрид изобретательности жюльверновского толка и самой простой машины из возможных: это просто одна ось с двумя колёсами размером с большую пиццу.

Как следует из названия, BRUIE имеет положительную плавучесть. Море прижимает его к льду снизу, и он ползёт там, пока его сенсоры собирают различные данные. Во время полевых испытаний в Антарктике подо льдом залива О’Брайена недалеко от антарктической станции "Кейси", австралийской базы в восточной части континента, вездеход успешно перенёс три очень холодных трёхчасовых испытания.

Во время четвёртого, важнейшего испытания, его поместили под лёд на 42 часа 30 минут. Энди Клеш, главный инженер проекта, управлял вездеходом с ноутбука. И хотя вездеходом можно управлять по спутниковой связи, во время этой миссии инженер проекта Дэн Берисфолд, осторожно стравливал за ним тонкий жёлтый трос.

Погружённый в воду вездеход полз медленно, но верно. Находящаяся на борту камера передавала на ноутбук потоковое видео, и показывала ещё более чуждые виды Антарктики, чем можно встретить на её поверхности. Кроме любопытных пингвинов, континент выглядит пустым и по большей части безжизненным вплоть до горизонта. Однако в нескольких метрах под поверхностью вездеход обнаружил обширные коричневые сети морских водорослей, цепляющихся за лёд. Рыбы подплывали к ним и откусывали по кусочку. Пузырьки кислорода скапливались в результате работы фотосинтеза.



На Европе всё самое интересное спрятано подо льдом. Если спутник Юпитера дождётся, наконец, вездехода, способного проникнуть под его поверхность, будет логично, если он сможет ползти по нижней стороне ледяной оболочки. Радиационная химия и геофизика поверхности Европы может обеспечить механизм подачи кислорода для предполагаемой жизни в её глубинах.

Для изучения подобной жизни подводному вездеходу нужно быть очень аккуратным. «Если двигатели обычного подводного устройства с дистанционным управлением могли бы сметать нежные водоросли с нижней части льда при приближении к ним, то BRUIE просто аккуратно пробирается под ними на цыпочках», — сказал Дэниел Артур, технолог, работающий с Калтехом и Западно-Австралийским университетом.

Вездеход анализирует место соприкосновения льда и океана пассивно и способен преодолевать большие дистанции, потребляя очень мало энергии – особенно по сравнению с дронами, сделанными по типу подводной лодки. «На Европе будет недостаточно энергии, — сказал Артур, — и мы не хотим, чтобы гребной винт испортил первую встречу человечества с внеземной жизнью».

В месте соприкосновения льда и океана Земли происходит взаимодействие физики, химии и биологии, сказала Алисон Мюррей, специалист по Антарктике из Института исследования пустынь в Неваде. На нашей планете эта зона богата микроорганизмами. «Мы хотим понять обитаемость таких пограничных зон и разнообразие живущих там организмов, — сказала Мюррей. – В обоих случаях мы можем лучше разобраться в том, может ли эта пограничная зона в тёмных водах Европы поддерживать существование жизни».

Доктор Хэнд надеется, что работа над подобными устройствами поможет продвигать исследование криосферы Земли – те места, где встречаются океан и лёд. «Надеюсь, что изучение океана Европы сможет стать мотивацией для инженеров к созданию подобных устройств, способных работать и на планете Земля», — сказал он.


BRUIE перед полевыми испытаниями в Антарктике

Комментарии 21

    +2
    Насколько я помню, проблема в исследовании Европы — толщина льда. Лёд при толщине несколько километров ведёт себя совсем не так, как обычный речной лёд. Знаю, ибо бурил…
    Так что до исследований воды еще лет пятьдесят должно пройти.
      +1
      Первый возникающий вопрос в идее посещения Титана — а как попадут под лед?

      До сих пор наблюдались достаточно однозначные процессы — раскол ледяного щита приводит к появлению гейзера вплоть до зарастания дыры. Пробивать дыры до тех пор, пока внутреннее давление не упадет бессмысленно, двигаться внутри гейзера невозможно чисто технически.
      В теории, остается только метод медленного бурения в наиболее толстых местах щита — бурить под собой, а потом «закрывать» за собой ствол шахты, так как прочность «заплатки» ниже основного материала щита. Но тут никаких работ вроде не ведется
        0
        Вроде писали что проплавлять лед будет.
          +1
          Желание понятно, но реализация не ясна. Чисто в теории — если так плавить, за аппаратом ход «зарастет». По мере погружения давление начнет расти — плотность воды то выше льда, и деваться воде некуда в замкнутом объеме. На глубине 200 км ледяного щита остается только гадать, какое будет в итоге давление (давление слоя + избыточное из-за смены агрегатного состояния, с учетом лучшей теплопередачи при росте давления).
          Опять же, чтобы по периметру всего аппарата была жидкая вода, около самих нагревателей будет паровая подушка, градиент температур никто не отменял, а это еще больший рост давления и перегрев самого аппарата.
          Так что наиболее подходящие условия для такого аппарата — это нахождение в гейзере у дна Марианской впадины. В реальности давление конечно будет намного выше, но это хоть как то приблизит условия.

          Кстати, дальше возможно будет еще хуже процесс. Как только будет пройден ледяной щит, произойдет резкое охлаждение перегретого аппарата обильным динамическим омыванием соленой водой. Давление видимо упадет не столь значительно, но вот резкое охлаждение на высоком давлении практически наверняка раскрошит аппарат.

          Вопросов возникает очень много и наиболее проблемные из них в общем как то не пытаются решать, идут по пути наименьших сложностей. А надо вопрос конструкции делать не исходя из «мореходных» качеств или простоты автономного управления, а просто из максимизации шансов выживания конструкции. Это примерно как на поверхности Венеры — долго прожить сложно, потому в дизайн не вкладывались и о динамике даже не заикались, первичная цель — выжить как можно дольше
        0

        Разве мощный ритег не проплавит себе путь? Заодно электропитание обеспечит. Я где-то читал, что основная проблема что это медленный процесс. Ну так надо повышать мощность, ограничений по радиаторам тут ведь нет, вокруг теплопроводная вода. А всплывать потом так же обратно, увеличив свою плавучесть. И передать данные пакетом после возвращения на поверхность.

          0
          Теплоемкость воды высока. Постоянно поддерживать такой растопленный объем при отводе тепла — тут и мощность огромная нужна (при этом внутренняя часть элемента перегреет сам аппарат), и лет 200 ждать.
          Уд теплота плавления льда — 330 кДж/кг, железа — на 20% меньше. Температура поверхности титана −179 °C.
          Толщина ледовой корки в среднем 200 км (Говард Зебкер)
            0

            Похоже, что надо спроектировать искусственную бактерию, приспособленную к таким условиям. Состоящую почти целиком из воды. Пусть сама пробирается по каким-нибудь щелям, или как там одноклеточные умудряются попасть в самые труднодоступные места на планете. Они вроде могут диффузировать на километры вглубь льда. Или строит длинную цепочку, вроде корня, и тащит по нему питательные вещества с поверхности.


            А через несколько миллионов лет эволюционирует и пришлет радиосигнал, что там происходит )).

              0

              Причём тут Титан?

                0
                просто перед этим говорили, что «проблема в исследовании Европы — толщина льда». Я лишь показал, что с Титаном все еще хуже
                  0

                  На Титане принципиально другие условия. Сравнивать, что лучше, что хуже — не понятно как.
                  На Европе — глубоко бурить, зато там вода. На Титан можно просто сесть, но плавать придётся в жидком метане.

                    0

                    С бурением наверно тоже не все просто? Допустим, будет источник электроэнергии от ритега 200 Вт (и тепловой мощностью, соответственно 20 кВт), либо проектируемый роскосмосом атомный реактор мегаваттного класса электричеством (тепловую мощность даже представить страшно, видимо около 100 МВт). Сможет такое устройство механически пробуриться сквозь лёд?


                    Там ведь тоже и проблема охлаждения с паровой прослойкой возникнет, и трение непонятно как обеспечить, если будет прослойка воды/пара. Да и давление, видимо, никуда не девается.


                    Но с бурением больше простора для маневра, наверное… Если охлаждение позволит не плавить лёд до состояния воды, то можно чисто механически бурить. Ультразвуковая гребёнка, например. На пьезоэлементах, как в ультразвуковых двигателях. Высокий КПД (меньше нагревается) и сможет ползти сквозь лёд в плотном контакте с ним. Да и устройство может быть компактным, массой вплоть от нескольких кг.


                    Кстати, я не понял, почему вода будет повышать давление? Ее плотность ниже льда, наоборот должна быть пустота и плавящий робот должен проваливаться в своей рукотворной пещере с лужей воды на полу. С пониженным давлением в пещере.

                      +1
                      Если бы систему можно было бы считать закрытой, у воды плотность выше, поэтому если плавить, то «над головой» ход закроется, и тот же объем будет заполнять вода. Формально конечно давление снизилось бы, но в реальности стенки «шахты» будут испытывать внешнее давление, уменьшающее объем, и этот выигрыш из-за снижения плотности практически обнулится. Так что тут практически выходим в ту же ситуацию, что и наверху, с учетом роста давления на глубине.
                      Но тут вступает в дело пар, и именно это самое неприятное. Уже по принципу Ле Шателье видно, что с ростом температуры растворимость газов падает, а при росте давления растет и температура парообразования. В итоге получаем подушку непоглощаемого водой пара, который великолепно сожмется и с ростом толщины этой подушки будет ухудшаться теплопередача от аппарата окружающей воде. И чтоб аппарат не замерз надо давать большую температуру. В общем из-за неоднородности температур в горизонтальном срезе получится неравномерность давления и формируются зоны кавитации.
                      Попадалась как то подобная модель, еще кажется восьмидесятых годов. С ней долго бились, но в итоге отложили, мол «лучше смотреть, как получится на практике»
                        0
                        у воды плотность выше

                        Лёд тоже разный бывает. Надо по давлению смотреть, какие формы льда проходить придётся.

              +1
              А если вдруг с нижней стороны льда намёрзли какие-нибудь сталактиты, или вообще колосится лес из водорослей в два-три раза выше колёс?

              Мне кажется, было бы разумным всё же сделать аппарат с околонулевой плавучестью, чтобы он мог погрузиться в толщу воды и переплыть любые препятствия, которые могут встретиться на границе льда и воды. Хотя бы даже пассивно дрейфовать, это лучше, чем застрять на одном месте, пробурив перед этим километр ледяной коры.
                0

                Если там найдется лес из водорослей — это уже успех!

                –1
                Я так понимаю что эта затея на несколько часов работы, пока у аппарата батарея не сядет? Ведь заряжаться там негде.
                Просвятите какую пользу могут принести эти исследования для человека?
                  +10
                  Как и многие другие исследования — неожиданную.
                  0
                  Я так понимаю, Европу выбрали лишь потому, что она ближе. А так-то наиболее перспективным выглядит Титан — хотя бы потому, что там до хренища углеводородов, а в атмосфере полно азота. И это нормальная атмосфера, а не ноль целых хрен десятых мм рт ст.
                  На втором месте же Энцелад — хотя бы потому, что там лёд раскалывается в силу внутренних процессов, и материал из глубин в ряде мест выносится на поверхность. Так что даже нырять не надо, просто поездить вокруг разломов, пособирать образцы.
                  Водоросли на Европе? Ну ничего ж себе у людей фантазия работает. Какие водоросли на 20+ км глубины? Да при таких чудовищных давлениях ничего кроме одноклеточных не выживает. И аппарат сильно сомневаюсь, что рассчитан на такое.
                    +1

                    Европу не выбрали. Просто данный конкретный робот — для Европы.
                    Для Титана — нужен другой робот.


                    Да при таких чудовищных давлениях ничего кроме одноклеточных не выживает.

                    С чего Вы это взяли? Принципиального ограничения на приспособление живых организмов к любому возможному давлению воды (до тех пор, пока это вода) — нет.


                    Да и потом, водоросли в основной массе — и есть одноклеточные.

                    +1
                    И хотя вездеходом можно управлять по спутниковой связи, во время этой миссии инженер проекта Дэн Берисфолд, осторожно стравливал за ним тонкий жёлтый трос.


                    надо на подлёдных озёрах на глубине несколько километров в Антарктиде тестировать, технологии бурения отрабатывать и данные научиться передавать нормально, а не с жёлтым тросом плавать… Как если бы вместо SpaceX Кузнечика в космос выпустили…
                      0
                      Согласен, но отдельные звенья этой супер-задачи можно и в более простых условиях предварительно отработать.

                      А то получится неприятно — когда пробурить сможем, аппарат доставим, а он утонет к примеру или просто умрет.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое