Инженеры NASA сражаются с лунным реголитом на земном заводе

Лунная пыль может принять форму ботинка астронавта и остаться неизменной на протяжении тысячелетий. Она режет как стекло. Она ставит машины стоимостью миллиарды долларов на их пневматические колени.

Инженер-робототехник на заводе NASA Swamp Works во Флориде Джейсон Шулер (Jason Schuler) помешан на ней. Он разрабатывает машины, способные извлекать, измельчать, формировать, анализировать и защищать от неземной грязи. Если будущие лунные исследователи будут жить за пределами земли, им понадобится одна из машин Шулера. Будущие миссии на Луне могут использовать лунную почву или реголит, чтобы производить ракетное топливо или строить сооружения. Но реголит может стать настоящим бедствием для астронавтов. Он вызывает проблемы с дыханием, прилипает практически к любой поверхности, которой он касается, выводит из строя космический корабль.

NASA может выделить миллиарды долларов, которые требуются для лунной миссии с экипажем, если исследование не остановится на этом препятствии. Долгосрочный план агентства — воспользоваться слабой лунной гравитацией и использовать Луну в качестве «трамплина» на Марс. Дополнительный бонус — в лунном реголите может содержаться вода, которая может быть источником ракетного топлива. Но сначала на Луну будут отправлены несколько роботизированных миссий, чтобы лучше узнать о его составе.

Swamp Works — одно из немногих мест в мире с огромным испытательным полигоном, который имитирует условия лунной поверхности. Завод был построен под вдохновением от Skunk Works — секретной лабораторией Lockheed Martin, в которой осуществили несколько крупных прорывов в авиации. На Swamp Works Шулер и ещё дюжина других исследователей создают прототипы роботов, которые будут исследовать Луну и добывать лунную породу. В частности, они тестируют робота Regolith Advanced Surface Systems Operations или Rassor — четырехколесное устройство размером с мотоцикл, но которое весит значительно меньше.

Rassor может перевозить почти 91 килограмм реголита за один раз. По словам Шулера, учитывая маленькую массу и энергопотребление, грузоподъёмность Rassor намного превосходит любой из других прототипов лунных экскаваторов NASA. Первые горные машины будут очень лёгкими, что делает копание ещё более трудным. Традиционные методы раскопок, которые работают в условиях земной гравитации, не будут эффективны. Почему Rassor оснастили двумя цилиндрическими инструмента с пилами, которые выступают с каждого конца? Когда они поворачиваются в противоположных направлениях при копании, инструменты позволят роботу набирать обороты в условиях низкой гравитации Луны.

Шулер не может проверить производительность робота при низкой гравитации, но он может тестировать работу Rassor в гигантской «песочнице», которая заполнена 120 тоннами искусственного лунного реголита. «Big Bin» — крупнейшая в мире испытательная площадка с реголитом. Здесь инженеры Swamp Works выявляют и устраняют неисправности робота, прежде чем он направится к реальной поверхности Луны. Лунная пыль рыхлая и очень мелкая, её частицы зазубрены, как разбитое стекло. Она также электростатически заряжена, поэтому прилипает ко всему — её очень трудно удалить. Если роботы не смогут самоочищаться, со временем реголит будет прилипать к корпусам, оставляя роботов без движения и делая их датчики бесполезными.

Лунный реголит совсем не похож на земную грязь, но на Земле существует один аналог. Несколько лет назад группа исследователей NASA в рамках программы Desert Research and Technology Studies находилась на базальтовом потоке в Аризоне. Высотная пустыня была имитацией условий на Луне и Марсе. Шулер вспоминает, что во время одного из испытаний инженер взобрался на гору грязи и оказался по пояс в сыпучей породе. Когда коллеги пришли его доставать, один из них, бывший астронавт Аполлона Джек Шмитт, заметил, насколько материал похож на настоящий лунный реголит. «Это парень, который был на Луне, — говорит Шулер. — Никто не мог лучше оценить эту кучу грязи». Когда образец материала доставили для анализа, оказалось, что грязь, которая была мусором из соседнего из карьера, по физическим характеристикам близка к лунному реголиту.

Исследователи NASA обратились к управленцам карьера, чтобы купить их «мусор». Шулер говорит, что компания указала им цену «четыре за тонну». По мнению исследователей, это означало 400 или 4000 долларов. Выяснилось, что продавец имел в виду четыре доллара за тонну. В итоге NASA закупило более 200 тонн породы для симуляции лунной поверхности. Сегодня около половины отходов карьера находится в «большой песочнице» Big Bin.

Копание — не единственная сложность. Роботу также придется бороться с пылью, которую он поднимает во время раскопок. Для этого инженеры в Swamp Works планируют оснастить свои аппараты электродинамическим пылезащитным экраном. Он создаёт слабое электрическое поле на поверхности транспортного средства, которое отталкивает пыль. Хотя Rassor ещё не оснащён таким экраном, технология успешно использовалась для удаления как смоделированной, так и реальной лунной пыли с поверхностей (на Земле). Устройство было отправлено на МКС в апреле 2019 для испытаний в вакууме.

Как только первый копающий робот прибудет на Луну, он столкнется с множеством неизвестных проблем. Например, планетолог из Университета Флориды и соучредитель Swamp Works Фил Метцгер (Phil Metzger) говорит, что большинство учёных-планетологов убеждены, что на полюсах Луны существует лёд. Но неясно, существует он в виде пластов, маленьких кубиков, оболочки вокруг реголита или, как предполагает наиболее популярная теория, ледовая крошка перемешана с реголитом. Роботизированная миссия, вероятно, будет первой, кто займется этим вопросом.

Ещё одна задача — превращение лунной пыли в строительный материал. Для её решения Шулер и его коллеги прорабатывают два метода. Первый — спекание, которое заключается в плавлении реголита. Он он прилипает сам к себе и образует твердую поверхность. Для проверки была создана тротуарная плитка из базальтовых пород. Аналогичная техника может использоваться для создания лунной стартовой площадки. Инженеры также работают над технологией 3D-печати, которая использует реголит в качестве сырья. Шулер полагает, что такие системы будут иметь важное значение для строительства инфраструктуры. Важным сооружением, например, будут «взрывные стены» — защитное ограждение вокруг посадочной площадки. Во время взлёта или посадки на Луну транспортное средство будет расшвыривать реголит вокруг на сотни метров. Стены из уплотнённого реголита могут помочь защитить технику и постройки поблизости.

Формирование камня под наши нужды — почти такое же древнее ремесло, как само человечество. Подобно тому, как наши предки использовали камень для наконечников копий, наши потомки смогут использовать реголит для создания стартовых площадок.

Недалеко от входа на завод Swamp Works находится небольшой валун, который первоначально был на заросшем участке неподалеку. Астронавты Аполлона пятьдесят лет назад использовали этот участок для проверки и отработки некоторых технологий, которые будут использовать на Луне. Созданный в геологических масштабах времени, этот валун был одним из многих, которые вывезли из западной части Соединенных Штатов, чтобы начать новое существование в качестве имитируемого лунного камня. Теперь этот камень — дань отношениям между людьми, которые привязаны к Земле, на которой они живут, и тем, как эта связь будет продолжена в космосе.

Источник: www.wired.com