Змієподібні роботи PLEASER: Революційний підхід до дослідження місячної поверхні.

Людство досягло значних успіхів у вивченні нашого найближчого космічного сусіда завдяки знаковим місіям "Аполлон" і численним автоматизованим дослідникам, які відвідали Місяць. Дослідження місячних порід, реголіту (поверхневого шару) та сейсмічні вимірювання внутрішньої структури стали основою для формування теорії спільного виникнення Землі та Місяця приблизно 4,5 мільярда років тому. Починаючи з XXI століття, космічні апарати також надали вагомі докази наявності води на Місяці, в основному у вигляді льоду, що прихований у постійно затінених областях (PSR) біля полюсів. Проте поверхня – це лише частина загальної картини. Щоб глибше зрозуміти Місяць, розкрити його таємниці та створити умови для тривалого перебування людини, потрібні місії, які зможуть дослідити підповерхневі шари.

Таку пропозицію висловила команда науковців у нещодавньому дослідженні, яке аналізує потенціал використання сучасних роботизованих систем для вивчення підповерхневих шарів Місяця. Цю концепцію назвали PLEASER (Стійке місячне дослідження з використанням автономних підповерхневих роботів). Подібні місії відкриють можливості для дослідження одного з найбільш перспективних середовищ для створення майбутніх баз і поселень на Місяці – підземних структур, а також нададуть нову інформацію про його формування, еволюцію та характеристики.

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).

В останні роки значна увага приділяється підповерхневим лавовим трубам та порожнинам на Місяці. Дослідження, проведені за допомогою орбітальних апаратів, посадкових модулів і роверів, вказують на те, що ці геологічні формації на Місяці, подібно до земних, мають значно більші розміри. Якщо діаметр лавових труб на Землі зазвичай не перевищує 30 метрів, то на Місяці, завдяки нижчій гравітації, він може досягати 385 метрів і більше. Як і на Землі, деякі місячні лавові труби мають виходи на поверхню через обвалені ділянки, які називають "світловими люками" або "промоїнами" (skylights). У рамках довгострокових планів щодо освоєння Місяця, NASA та інші космічні агенції, включаючи китайську, розглядають можливість розміщення житлових модулів всередині цих труб. Такий підхід має ряд переваг: стабільні та комфортні температури (близько -20°C, що значно краще порівняно з екстремальними коливаннями на поверхні), а також природний захист від вакууму, космічного випромінювання і 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 проаналізувала різноманітні способи живлення для роботизованих систем, а також їх конструкційні характеристики, потенційні сфери використання та переваги таких місій. В результаті була створена концепція PLEASER, яка передбачає інтеграцію розгортального/втягуємого зонда для дослідження реголіту в робота, що має змієподібну форму. Цей біологічно-натхненний дизайн дозволить PLEASER проникати в місячний реголіт для збору даних про його міцність, теплопровідність та діелектричні властивості — ключові показники для розуміння геологічних процесів і проведення інженерних розрахунків при будівництві. Робот зможе занурюватися в поверхню або "прослизати" через світлові отвори, щоб виявити та дослідити підповерхневі структури. "Цей пристрій зможе визначати фізичний стан реголіту, надаючи важливу інформацію не лише про його геологічну історію, але й про можливу наявність летких речовин, таких як вода, а також про придатність території для створення інфраструктури, включаючи житлові модулі, дороги та майданчики для посадки/запуску", — зазначає Лонг-Фокс. "Оскільки робот переміщується під поверхнею, йому необхідно буде витісняти реголіт навколо себе. Ми плануємо реалізувати це за допомогою системи ковшів. Вимірюючи зусилля, які потрібні для зачерпування реголіту, а також опір, що виникає під час серпантинного руху робота, ми зможемо оцінити важливі характеристики як поверхневого, так і підповерхневого реголіту".

Щодо джерел енергії, наша команда дослідила кілька можливостей: підключення до зовнішнього джерела енергії через кабель (наприклад, до посадкового модуля), використання радіоізотопного термоелектричного генератора (РТГ), який живить апарати типу "Вояджер" або марсохід "К'юріосіті", а також сонячні панелі. Один із запропонованих варіантів конструкції включав в себе інтеграцію сонячних панелей по всій довжині змієподібного тіла робота, які могли б розгортатися та складатися. Адріан Стойка зазначив: "Сонячні панелі, що зберігаються всередині корпусу, розгортаються, коли робот виходить на поверхню, щоб отримати енергію, мовби 'купаючись у сонячному світлі'. Ми переважно зосереджувалися на веретеноподібній формі тіла, схожій на змію або черв'яка. Інші дослідники вивчали рух піщаних змій — я чув про деякі університети, які створюють вражаючі симуляції та демонстрації для вивчення їх поведінки в піщаному середовищі."

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 акцентує увагу на зростаючій зацікавленості до підповерхневих територій Місяця та потребі в розробці інноваційних технологій для їх вивчення та освоєння. Біологічно натхнені проекти, такі як PLEASER, можуть відігравати важливу роль у формуванні майбутньої інфраструктури на Місяці, що відкриває нові горизонти для глибшого пізнання нашого супутника і його можливостей для людства.