Змієподібні роботи PLEASER: Нова ера дослідження надр Місяця

Людство досягло значного прогресу в розумінні нашого найближчого космічного сусіда завдяки легендарним місіям «Аполлон» та численним роботизованим дослідникам, які відвідали Місяць. Аналіз місячних порід, реголіту (поверхневого ґрунту) та сейсмічні вимірювання внутрішньої структури дозволили сформулювати теорію спільного походження Землі та Місяця приблизно 4,5 мільярда років тому. З початку XXI століття космічні апарати також надали переконливі докази існування води на Місяці, переважно у вигляді льоду, що ховається в постійно затінених регіонах (PSR) поблизу полюсів. Однак поверхня — це лише частина історії. Щоб глибше пізнати Місяць, розкрити його таємниці та забезпечити можливість довготривалого перебування людини, необхідні місії, здатні зазирнути під поверхню.

Саме таку рекомендацію висловила команда дослідників у нещодавньому дослідженні, де розглядається можливість використання інноваційних роботизованих систем для дослідження місячних надр. Концепція отримала назву PLEASER (Persistent Lunar Exploration with Autonomous SubsurfacE Robots — Стійке місячне дослідження за допомогою автономних підповерхневих роботів). Такі місії дозволять вивчити одне з найперспективніших середовищ для майбутніх місячних баз і поселень — підповерхневі структури, одночасно розкриваючи нові деталі про формування, еволюцію та властивості Місяця.

Дослідження провели Адріан Стойка, Джаред Лонг-Фокс та Браян Вілкокс. Стойка та Вілкокс є дослідниками в компаніях LunaSol Space LLC та каліфорнійській компанії з біопалива Marine Bioenergy Inc. відповідно, тоді як Лонг-Фокс є науковим співробітником з дослідження планет у Центрі вивчення поверхні Місяця та астероїдів (CLASS) Університету Центральної Флориди (UCF) та стипендіатом програми NASA Space Technology Graduate Research Opportunities (NSTGRO).

Останніми роками значна увага прикута до підповерхневих лавових труб та порожнин на Місяці. Дані, отримані з орбітальних апаратів, посадкових модулів та роверів, свідчать, що ці геологічні утворення, подібні до земних, на Місяці мають значно більші масштаби. Якщо на Землі діаметр лавових труб зазвичай не перевищує 30 метрів, то на Місяці, завдяки значно нижчій гравітації, їхній діаметр може сягати 385 метрів і більше. Як і на Землі, деякі місячні лавові труби мають виходи на поверхню через обвалені ділянки, відомі як «світлові люки» або «промоїни» (skylights). У рамках довгострокових планів освоєння Місяця, NASA та інші космічні агентства, зокрема китайське, розглядають можливість розміщення житлових модулів усередині цих труб. Таке розташування надає низку переваг: стабільніші та комфортніші температури (близько -20°C, що значно краще за екстремальні перепади на поверхні), природний захист від вакууму, жорсткого космічного випромінювання та мікрометеороїдів.

Для реалізації цих планів та подальшого вивчення властивостей, складу та геологічної історії Місяця необхідні спеціалізовані місії, здатні досліджувати ці підземні структури. Концепція підповерхневого робота, запропонована командою, дозволить досягти цих цілей завдяки здатності безпосередньо взаємодіяти як з поверхневим, так і з підповерхневим реголітом. Як пояснив Джаред Лонг-Фокс в електронному листуванні з Universe Today: «Як і на Землі, різні шари (стратиграфія) розповідають історію місцевості, в якій ви перебуваєте. На Місяці немає вітру чи текучої води, тому основними процесами, що формують поверхню, є удари [метеоритів]. Удари, великі чи малі, викидають реголіт та каміння, які розлітаються по поверхні. Це означає, що існують різні шари, відкладені внаслідок різних ударів, і розуміння цієї еволюції поверхні дійсно допоможе нам зрозуміти історію та сучасний стан Місяця».

У своєму дослідженні команда розглянула різні методи живлення для таких роботів, конструктивні особливості, а також потенційні застосування та переваги подібної місії. Результатом стала концепція PLEASER, яка передбачає використання розгортаємого/втягуємого зонда для реголіту, інтегрованого в робота змієподібної форми. Біологічно-натхненна конфігурація «змії» дозволить роботу PLEASER проникати в навколишній місячний реголіт для вимірювання його міцності, теплопровідності та діелектричних властивостей — параметрів, критично важливих для розуміння геології та для інженерних розрахунків при будівництві. Робот зможе зариватися в поверхню або «прослизати» у світлові люки для пошуку та подальшого дослідження підповерхневих структур. «Цей робот визначатиме фізичний стан реголіту, надаючи інформацію не лише про геологічну історію, але й про наявність летких речовин, таких як водяний лід, або про придатність досліджуваної зони для розвитку інфраструктури, як-от житлові модулі, дороги, посадкові/стартові майданчики тощо», — додає Лонг-Фокс. «Завдяки самій природі пересування робота під поверхнею, йому потрібно буде витісняти реголіт навколо себе. Ми передбачаємо робити це за допомогою системи ковшів, і, вимірюючи зусилля, необхідні для зачерпування реголіту, а також опір серпантинному руху робота, ми зможемо оцінити критичні властивості поверхневого та підповерхневого реголіту».

Щодо джерела енергії, команда розглянула кілька варіантів: зовнішнє живлення, кабель, підключений до джерела енергії (наприклад, до посадкового модуля), радіоізотопний термоелектричний генератор (РТГ), який забезпечує енергією апарати типу «Вояджер» або марсохід «К'юріосіті», та сонячні панелі. Один із розглянутих варіантів конструкції передбачав інтеграцію сонячних панелей вздовж змієподібного тіла робота, які могли б розгортатися та складатися. Як зазначив Адріан Стойка: «Сонячні панелі, складені всередині тіла, розгортаються назовні, коли робот виходить на поверхню, щоб, так би мовити, „купатися на сонці“ для отримання енергії. Ми переважно розглядали веретеноподібну форму тіла змії/черв'яка. Інші проводили дослідження руху піщаних змій — я знаю про деякі університети, які створюють чудові симуляції та демонстрації для земних умов — у піщаному ґрунті».

Команда сподівається, що їхнє дослідження допоможе створити концепції мобільної платформи, здатної безпосередньо досліджувати місячну поверхню та підповерхневий шар, незалежно від того, місячний день зараз чи ніч (що є суттєвим обмеженням для багатьох апаратів на сонячних батареях). Роботи такого типу також зможуть шукати підповерхневі зони, найбільш придатні для будівництва місячної бази, доріг або інших елементів інфраструктури. Як уже зазначалося, наукова віддача також є дуже перспективною, оскільки підповерхневі роботи відкриють безпрецедентні можливості для вивчення геології Місяця in situ (на місці).

Окрім вивчення місячного реголіту та порід на місці, такий робот міг би розгортати підповерхневі датчики, наприклад, сейсмометри. Вони не лише нададуть більше інформації про внутрішню будову Місяця, але й їх notoriously (горезвісно) складно розгортати та належним чином встановлювати на поверхні через труднощі із забезпеченням гарного контакту з ґрунтом. Нарешті, як додав Стойка, можливо, в майбутньому такі роботи зможуть навіть створювати підземні тунелі, які могли б слугувати основою для розміщення місячних habitats: «[П]ісля початкових етапів, коли маршрути/тунелі (для розваги я б просто назвав їх „штучними/фальшивими лавовими трубами“) будуть створені, інше обладнання буде більше схожим на поверхневих роботів. Отже, в цьому відношенні вони можуть бути схожими на машини, що будують підземні тунелі (буріння, проходка), але, можливо, більше у форматі команд/роїв, а не однієї великої машини. Це чиста спекуляція на даний момент, жодних компромісів не було зроблено, і скільки саме [роботів] та наскільки великих — не визначено. Хоча я вивчав рої [роботів] у своєму житті, я дуже обережний, коли йдеться про використання таких слів, як рої тощо, стосовно операційної космічної робототехніки в найближчі 1−2 десятиліття, тоді як концепція, про яку ми говоримо, може бути реалізована лише через кілька років».

Дослідження підкреслює зростаючий інтерес до підповерхневого простору Місяця та необхідність розробки нових технологій для його освоєння. Біологічно-натхненні роботи, такі як PLEASER, можуть стати ключовим елементом майбутньої місячної інфраструктури, відкриваючи шлях до глибшого розуміння нашого супутника та його потенціалу для людства.