По словам заместителя администратора НАСА Джима Рейтера, отправка пилотируемых миссий на Марс к 2040 году является «смелой целью». Проблемы включают в себя расстояние, преодоление которого с использованием традиционных методов движения может занять до шести месяцев. Кроме того, существует опасность, исходящая от радиации, которая включает повышенное воздействие солнечных частиц, вспышек и галактических космических лучей (ГКЛ). Кроме того, во время транзитов экипажи проведут время в условиях микрогравитации, что может серьезно сказаться на здоровье, физиологии и психологии человека.
Но как насчет проблем, связанных с жизнью и работой на Марсе в течение нескольких месяцев? Повышенная радиация и пониженная гравитация вызывают беспокойство, но и марсианский реголит вызывает беспокойство. Подобно лунному реголиту, пыль на Марсе будет прилипать к скафандрам астронавтов и вызывать износ их оборудования. Однако он также содержит вредные частицы, которые необходимо удалять, чтобы предотвратить загрязнение среды обитания. В недавнем исследовании группа аэрокосмических инженеров протестировала новую электростатическую систему для удаления марсианского реголита из скафандров, которая потенциально может удалять вредную пыль с эффективностью до 98%.
Новая система была разработана Бенджамином М. Григгсом и Люсиндой Берту, студенткой магистратуры и профессором инженерии космических систем (соответственно) факультета аэрокосмической техники Бристольского университета, Великобритания. Статья, описывающая систему и процесс проверки, недавно появилась в журнале. Акта Астронавтика. Как они объясняют, предлагаемая ими система электростатического удаления (ERS) использует явление диэлектрофореза (DEP) для удаления марсианской пыли с тканей скафандра.
Ожидается, что марсианский реголит, как и его лунный аналог, будет иметь электростатический заряд из-за воздействия космического излучения. Но на Марсе также есть свой вклад пылевые вихри и штормы, которые, как известно, генерируют электростатические разряды (также известные как молнии). Во время миссий «Аполлон» астронавты сообщали, как лунный реголит прилипает к их скафандрам и попадает обратно в их лунные модули. Оказавшись внутри, он также прилипнет ко всему и попадет в глаза и легкие, вызывая раздражение и проблемы с дыханием.
Учитывая планы по возвращению астронавтов на Луну в рамках программы «Артемида», НАСА исследует несколько методов предотвращения попадания реголита в жилые модули — например, технологию нанесения покрытия на скафандры и электронные лучи для их очистки. Хотя ожидается, что марсианская пыль вызовет аналогичный износ скафандров, ситуация усугубляется тем, что она может содержать токсичные частицы. Как объяснил Григгс Universe Today по электронной почте:
«Ожидается, что марсианский реголит не только оказывает абразивное воздействие на сами скафандры, но и создает проблемы со здоровьем астронавтов. Известно, что он содержит ряд вредных частиц, которые могут быть канцерогенными или вызывать проблемы с дыханием, а данные миссии Pathfinder показали наличие токсичных частиц, таких как хром. Поэтому марсианский реголит потребует снятия скафандров перед входом в зоны обитания на Марсе, чтобы предотвратить контакт между астронавтами и частицами реголита».
Принцип устройства, диэлектрофорез (ДЭП), относится к движению нейтральных частиц под воздействием неоднородного электрического поля. Предложенная ими система электростатического снятия (ERS) состоит из двух компонентов: генератора сигналов высокого напряжения (HVWG), используемого для создания прямоугольных волн различной частоты и амплитуды до 1000 вольт, и устройства электростатического снятия (ERD), состоящего из массива параллельных медных электродов. . Когда прямоугольные волны подаются на электроды в ERD, генерируется большое и переменное электрическое поле. Как резюмировал Григгс:
«Поэтому, когда частицы пыли падают на поверхность ERD, частицы пыли смещаются за счет комбинации электростатических и диэлектрофоретических сил (из-за большого электрического поля), которые действуют на заряженные и незаряженные частицы соответственно внутри пыли. Это приводит к смещению частиц пыли в направлении, перпендикулярном электродам, что приводит к очистке поверхности ERD».
Чтобы оценить эффективность предложенной ими системы, Григгс и профессор Берту разработали эксперимент для изучения нескольких ключевых переменных. Сюда входили частота и амплитуда прямоугольных волн, расстояние между электродами, наклон поверхности ЭРД, расстояние между электродами и слоем пыли, а также материал поверхности, с которой удаляется пыль. Первым шагом было создание аналитических моделей, что было чрезвычайно сложной задачей для этой системы, а предыдущие численные модели не были особенно полезны.
«Поэтому для этой работы была получена более простая модель с использованием закона Кулона и закона диэлектрофореза для предварительного прогнозирования влияния параметров, включая амплитуду прямоугольной волны, расстояние между электродами и разделение пылевых электродов (фактическое расстояние между электродами и частицы пыли, которые они удаляют) на производительность системы», — сказал Григгс. Следующим шагом была подготовка эксперимента, который позволил бы количественно оценить оптимальную производительность и поведение предлагаемой системы и измерить ее эффекты. Как описал Григгс:
«Для количественной оценки и сравнения производительности системы во время испытаний были разработаны два показателя: эффективность очистки (% чистой поверхности, не содержащей частиц пыли) и скорость очистки (нормализованная скорость очистки, основанная на времени, необходимом для перехода от 5 от % до 60 % от окончательной клиринговой эффективности). Экспериментально исследовался широкий диапазон параметров, включая частоту и амплитуду прямоугольных волн, подаваемых на электроды. Затем система была применена для удаления пыли из внешнего слоя скафандров путем включения слоя ортоткани (внешнего слоя скафандров) между системой и слоем частиц пыли».
В результате испытаний они обнаружили, что система достигла оптимальной эффективности очистки 98% при установке непосредственно под слоем частиц пыли. Однако это значение значительно снизилось при введении внешнего слоя из-за увеличения расстояния между системой и частицами пыли. В результате они пришли к выводу, что эту систему, вероятно, придется интегрировать непосредственно во внешний слой скафандров для повышения производительности, возможно, вплетая в саму ткань. Система предлагает неабразивный метод удаления пыли, который необходим для будущих миссий на Марс.
Однако, как резюмировал Григгс, необходимы дальнейшие доработки, прежде чем эту технологию можно будет использовать в будущих миссиях. Кроме того, потенциальные преимущества выходят за рамки здоровья космонавтов и очистки скафандров от пыли:
«Эта концепция уже успешно исследована, хотя по самой своей природе она ставит под угрозу целостность внешнего слоя скафандра. Поэтому технология требует доработки перед применением в будущих миссиях на Марс. Эта технология представляет собой подходящую альтернативу механическим методам удаления пыли, используемым в коротких миссиях «Аполлон» (чистка щеткой и пылесосом), которые непригодны для более длительных марсианских миссий из-за их абразивного воздействия на скафандры. Поэтому это также очень многообещающая технология для удаления пыли в других приложениях, таких как удаление пыли с солнечных панелей или оптических устройств, что будет иметь важное значение в будущих миссиях на Марс».
Дополнительная литература: Acta Astronautica
