Концептуальное изображение профиля миссии Cryobot. Посадочный модуль запускает зонд с ядерной установкой, который расплавляет ледяной панцирь, чтобы получить доступ к океану внизу. Во время спуска за зондом для связи размещаются трос и беспроводные приемопередатчики. Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
В феврале 2023 года исследователи со всей страны собрались на семинаре, спонсируемом НАСА, чтобы обсудить последние разработки и дорожную карту концепции миссии криобота для бурения ледяных корок Европы и Энцелада и поиска жизни.
«Следуй за водой» было мантрой астробиологического сообщества в поисках инопланетной жизни во Вселенной. Вода является фундаментальным строительным блоком всей земной жизни, какой мы ее знаем, и, как обнаружили различные космические миссии, вода в изобилии присутствует во всей Солнечной системе и, возможно, во Вселенной.
Древние разрушенные объекты на Марсе ясно свидетельствуют о влажной истории, а продолжающиеся поиски марсохода Perseverance направлены на то, чтобы найти ключ к разгадке того, была ли когда-то на Марсе популяция микробов. Однако из летописи окаменелостей мы можем многому научиться. Чтобы по-настоящему понять природу возможной инопланетной жизни, мы должны непосредственно исследовать источник — жидкую воду.
Войдите в «Океанские миры». За последние два десятилетия учёные обнаружили, что огромное количество ледяных спутников вращается вокруг внешних планет-гигантов нашей Солнечной системы. Многие из этих спутников демонстрируют убедительные доказательства того, что под их ледяной коркой находятся глобальные океаны. Фактически, на этих лунах, вероятно, гораздо больше жидкой воды, чем во всех океанах Земли вместе взятых, а на некоторых из них могут даже быть подходящие условия для развития жизни.
Две луны, в частности, захватили воображение астробиологов благодаря своим благоприятным условиям для жизни и относительной легкости исследования: луна Юпитера, Европа, и луна Сатурна, Энцелад. Оба являются убедительными доказательствами существования глобального подземного океана под коркой водяного льда толщиной в километры, но как мы можем получить доступ к этой жидкой воде?
Концептуальное изображение криобота, проникающего в океан Европы и ищущего признаки жизни. Фото: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
За последние десятилетия исследовались различные концепции доступа к океану: от роботов, спускающихся через трещины, до буров различных типов. Одной из концепций, которая стала ведущим кандидатом, является криобот. Криобот — это автономный цилиндрический зонд, который использует тепло для растапливания льда под ним. Затем талая вода обтекает зонд, а затем снова замерзает за ним.
Термическое бурение льда настолько просто и эффективно, что стало распространенным инструментом для изучения наземных ледников и ледяных щитов. Но как мы можем применить эту технологию к системе, способной проникать в ледяные корки планет, которые более холодны, толсты и ненадежны?
Эта дилемма была в центре внимания исследователей, многие из которых поддерживаются программами НАСА «Механизм доступа к недрам Европы» (SESAME) и «Концепции технологии обнаружения жизни в океанских мирах» (COLDTech) в течение последних нескольких лет. В феврале 2023 года Управление научных технологий НАСА по исследованию планет (PESTO) провело семинар в Калифорнийском технологическом институте, на котором собрались около 40 ведущих исследователей из различных областей и учреждений со всей страны, чтобы обсудить прогресс в развитии этой технологии и оценить проблемы. что осталось.
Недавние исследования позволили добиться значительного прогресса в уточнении нашего понимания среды ледяного панциря, детализации архитектуры миссии и совершенствовании критических подсистем и технологий. В частности, участники семинара определили четыре ключевые подсистемы, которые определяют дорожную карту разработки готовой к полету архитектуры: энергетическая, тепловая, мобильная и коммуникационная подсистемы.
Во-первых, сердцем криобота является ядерная энергетическая система, которая генерирует постоянное тепло, необходимое для таяния километров льда. Были идентифицированы различные ядерные энергетические системы, которые могли бы подойти для системы криоботов, в том числе знакомые радиоизотопные энергетические системы (РЭС), которые использовались во многих миссиях в дальний космос, и реакторы деления, которые могут быть разработаны в ближайшие годы.
Двумя ключевыми ограничениями, которые определяют конструкцию энергосистемы, являются: (1) достаточная общая мощность и плотность для обеспечения эффективной плавки (около 10 кВт) и (2) интеграция в конструкционный резервуар для защиты энергосистемы от высоких давлений глубинных вод. океан.
Эти проблемы разрешимы и имеют исторический прецедент: миссия НАСА «Кассини» имела тепловую энергосистему мощностью 14 кВт, а несколько радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РТГ) были развернуты на дне океана в 1960-х и 1970-х годах в качестве источников питания для навигационных маяков. который действовал при давлениях, сравнимых с давлением Европейского океана.
Однако система питания криобота потребует согласованных усилий и тесного сотрудничества с Министерством энергетики на протяжении всего периода реализации концепции миссии.
Во-вторых, необходима система управления температурным режимом для управления теплом, вырабатываемым бортовой ядерной энергетической системой, поддержания безопасной внутренней температуры и распределения тепла в окружающую среду для эффективной работы. Эта система требует двух независимых контуров перекачиваемой жидкости: один, который циркулирует внутреннюю рабочую жидкость через каналы, встроенные в кожу, и другой, который циркулирует талую ледяную воду с окружающей средой.
Некоторые из этих технологий были продемонстрированы в уменьшенном и полном масштабе, но необходима дополнительная работа для проверки эффективности в диапазоне ледовых условий, ожидаемых во внешней солнечной системе.
Кроме того, ледяные оболочки Европы и Энцелада будут содержать примеси, такие как пыль и соль, для проникновения которых при достаточной концентрации могут потребоваться вспомогательные системы. Было продемонстрировано, что сочетание «водоструйной обработки» и механической резки эффективно удаляет из-под зонда мусор — от мелких частиц до твердых блоков соли.
Некоторые примеси, такие как более крупные камни, пустоты или водоемы, могут оставаться непроницаемыми, поэтому криобот должен включать в себя направленный вниз картографический датчик и механизм рулевого управления — оба из которых были продемонстрированы на наземных прототипах, но еще не в интегрированной системе.
Высокоприоритетная будущая работа включает в себя более строгое и вероятностное определение ледяной среды для количественной оценки вероятности потенциальных опасностей при передвижении, а также комплексную демонстрацию систем снижения опасностей на криороботной системе, похожей на полет. Europa Clipper также предоставит ключевые наблюдения, позволяющие ограничить распространенность и характеристики опасностей для криобота.
Наконец, миссия криобота требует надежного и резервного канала связи через ледяной панцирь, чтобы посадочный модуль мог передавать данные на орбитальный ретранслятор или непосредственно на Землю. Волоконно-оптические кабели являются отраслевым стандартом для связи с наземными зондами плавления и глубоководными аппаратами, но требуют тщательной проверки для прокладки через активные ледяные оболочки. Движение льда в этих оболочках могло разорвать трос.
Команда под руководством доктора Кейт Крафт из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса исследовала склонность тросов, встроенных в лед, к разрыву во время сдвига льда, а также методы смягчения такого разрушения. Хотя предварительные результаты этого исследования весьма обнадеживают, другие команды изучают беспроводные методы связи сквозь лед, включая радиочастотные, акустические и магнитные приемопередатчики. Эти системы связи должны быть интегрированы в кормовую часть зонда и задействованы во время его спуска.
Текущие проекты, финансируемые в рамках программы NASA COLDTech, делают первые шаги по устранению ключевых рисков для системы связи. Будущая работа должна подтвердить эффективность в более широком диапазоне условий и продемонстрировать интеграцию с криоботом.
В то время как энергетическая, тепловая, мобильная и коммуникационная подсистемы занимали центральное место, участники семинара также обсудили другие ключевые системы и технологии, которые потребуют доработки для реализации миссии криобота.
Эти темы включают в себя интегрированный набор инструментов с приспособлениями для отбора проб жидкости и отверстиями, обращенными наружу, стратегии планетарной защиты и стерилизации, выбор материалов для смягчения коррозии, механизмы ледового крепления и автономность. Однако ни одна из этих технологий не была определена как серьезный риск или проблема в дорожной карте концепции миссии криобота.
В целом участники семинара пришли к единому мнению, что эта концепция миссии остается осуществимой, научно убедительной и наиболее правдоподобным краткосрочным способом прямого поиска жизни in situ в океанском мире.
Постоянная поддержка позволит ученым и инженерам добиться еще большего прогресса в подготовке криоботов к будущим миссиям. Потенциал прямого обнаружения жизни в другом мире кажется более возможным, чем когда-либо.
