[Перевод] Почему на других планетах так сложно бурить
Марсоход НАСА Curiosity поднял роботизированную руку с буром, направленным в небо, во время исследования хребта Веры Рубин у основания горы Шарп в кратере Гейл — на фоне далёкого кратера. Эта мозаика, сделанная камерой navcam, была сшита из необработанных изображений, полученных во время сол 1833, 2 октября 2017 года, и раскрашена.
Люди уже тысячелетиями копают под землёй — по всей Земле. Именно там мы добываем некоторые из наших самых ценных ресурсов, которые двигают общество вперёд. Например, не было бы бронзового века без олова и меди, которые в основном находятся под землёй. Но раскопки под поверхностью небесных тел вести гораздо труднее. Эту ситуацию нужно изменить, если мы надеемся использовать потенциальные ресурсы, доступные под поверхностью планет. В работе Дариуша Кнеза и Митры Калилидермани из Краковского университета рассматривается вопрос о том, почему так трудно бурить в космосе — и что мы можем с этим сделать.
В статье авторы подробно описывают две основные категории трудностей при бурении в открытом космосе — проблемы со средой и технологические трудности. Давайте сначала разберёмся с проблемами первого типа.
Одно из очевидных различий между Землёй и большинством других скалистых тел, в которых мы потенциально могли бы просверлить отверстия, — это отсутствие атмосферы. Есть некоторые исключения — например, Венера и Титан, но даже на Марсе есть атмосфера.
Если вы когда-нибудь пытались просверлить отверстие в металле, то наверняка использовали охлаждающую жидкость. В противном случае велика вероятность того, что либо сверло, либо заготовка нагреются и деформируются до такой степени, что вы больше не сможете сверлить. Чтобы решить эту проблему, большинство специалистов просто распыляют немного смазки в просверлённое отверстие и продолжают сверлить. Более масштабную версию этого процесса используют строительные компании, когда бурят землю, особенно коренные породы — они используют жидкости для охлаждения.
На небесном теле без атмосферы это невозможно. По крайней мере, при использовании традиционных технологий бурения. Любая жидкость в условиях отсутствия атмосферы немедленно сублимируется, практически не оказывая охлаждающего воздействия на рабочую зону. А учитывая, что многие операции по бурению выполняются автономно, сам бур — обычно прикреплённый к марсоходу или посадочной платформе — должен знать, когда следует свернуть процесс бурения, пока коронки не расплавились. Это дополнительный уровень сложности, который пока не нашёл решения во многих разработках.
Аналогичная проблема с жидкостью ограничила внедрение повсеместно используемой на Земле технологии бурения — гидравлики. Экстремальные перепады температур, подобные тем, что наблюдаются на Луне во время цикла день/ночь, делают крайне сложным обеспечение гидравлической системы жидкостью, которая не замерзала бы в холодные ночи и не испарялась в палящие дни. Поэтому гидравлические системы, используемые почти во всех крупных буровых установках на Земле, крайне ограничены при использовании в космосе.
Smarter Every Day подробно рассматривает бур, используемый на Марсе.
Могут возникнуть и другие проблемы, такие как абразивный или цепкий реголит, например, отсутствие магнитного поля при ориентации бура. В конечном счёте, эти проблемы окружающей среды можно преодолеть с помощью того же, что люди всегда используют для их решения, независимо от того, на каком планетарном теле они находятся, — технологии.
Однако и для бурения за пределами планеты существует множество технологических проблем. Самая очевидная из них — ограничение по весу, что крайне важно для работы в космосе. Большие буровые установки используют тяжёлые материалы, такие как стальные оболочки, для поддержки пробурённых скважин, но их запуск будут непомерно дорогим при использовании имеющихся у нас технологий.
Кроме того, размер самой буровой системы является ограничивающим фактором для силы бурения — как говорится в статье, «максимальное усилие, передаваемое на сверло, не может превышать вес всей буровой системы». Эта проблема усугубляется тем, что типичные буры для марсоходов выдвигаются на роботизированной руке, а не размещаются непосредственно под ней, где можно было бы приложить максимальный вес. Это ограничение силы также ограничивает тип материала, через который может пройти бур — например, ему будет сложно пробурить какой-нибудь значительный валун. Хотя перепроектирование роверов с учётом расположения бура могло бы быть полезным, здесь снова вступает в игру ограничение веса запуска.
Curiosity использует уникальную технику бурения, о которой рассказывается в этом видеоролике JPL.
Ещё одна технологическая проблема — недостаток энергии. Большинство крупных буровых установок на Земле работают от двигателей, работающих на углеводородном топливе. За пределами Земли это невозможно, поэтому система должна питаться от солнечных батарей и аккумуляторов, которые они обеспечивают. Эти системы также страдают от той же тирании ракетного уравнения, поэтому они обычно имеют относительно ограниченные размеры, что не позволяет буровым системам использовать некоторые преимущества полностью электрических систем по сравнению с углеводородными — например, более высокий крутящий момент.
С какими бы трудностями ни столкнулись эти буровые системы, они будут жизненно важны для успеха любой будущей программы исследований, в том числе с экипажем. Если мы когда-нибудь захотим создать на Луне пещерные города из лавы или пробиться сквозь ледяной щит Энцелада к океану внутри него, нам понадобятся более совершённые технологии и методы бурения. К счастью, в настоящее время ведётся множество разработок, направленных на их создание.
В статье подробно описаны четыре различные категории конструкций буров:
Поверхностные буры — глубина менее 10 см.
Буры малой глубины — глубина менее 1 м.
Буры средней глубины — глубина от 1 до 10 м
Буры большой глубины — глубина более 10 м.
Для каждой категории в статье приводится несколько проектов на разных стадиях завершённости. Многие из них содержат новые идеи относительно того, как проводить бурение, например, использование червячной передачи или ультразвука.
Но пока бурение за пределами планеты, особенно на астероидах и кометах, которые имеют свои собственные гравитационные проблемы, остаётся трудной, но необходимой задачей. По мере того как человечество будет набираться опыта, мы, несомненно, станем делать это лучше. Учитывая, насколько важен этот процесс для грандиозных планов исследователей космоса, время, когда мы сможем эффективно бурить любое скалистое или ледяное тело в Солнечной системе, наступит ещё не скоро.
Habrahabr.ru прочитано 6784 раза
