Луны, вращающиеся вокруг Юпитера и Сатурн лежать вдали от солнечного тепла. У большинства нет атмосферы, и многие покрыты ледяной оболочкой толщиной в несколько миль. Они тоже наши лучший выбор для поиска жизни в нашей собственной Солнечной системе. Под ледяной коркой лежат бескрайние океаны, а космические агентства в Соединенных Штатах и за их пределами усердно работают над роботами, которые однажды их посетят.
«Раньше мы предполагали, что между Венерой и Марсом есть зона Златовласки, где можно найти жидкую воду, и… это было единственное место на Солнце. систему, в которой можно найти жизнь», — говорит Хари Наяр, руководитель группы робототехники, занимающейся океаническими мирами, в Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене. Калифорния. Однако Европа Юпитера и спутник Сатурна Энцелад появлятьсяиметь ключевые ингредиенты для жизни — много жидкой воды, пищи и энергии из глубоководных жерл.
Эта жизнь, если она существует, не будет легкой для достижения. Скорее всего, его можно найти плавающим глубоко под поверхностью холодных инопланетных океанов. Но как только космический корабль отправится во внешнюю часть Солнечной системы и сможет приземлиться на Европе или Энцеладе, он все равно будет находиться далеко над этими водами. Роботизированным зондам придется копаться во льду, пробираясь сквозь среду, почти такую же устрашающе холодную, как жидкий азот.
Есть несколько разных способов пробить эту ледяную крепость. НАСА недавно объявил что она тестирует новые прототипы роботов, которые будут исследовать морозные миры, в том числе зонд, который будет колоть лед и нагревать стружку в своих поджаренных внутренностях. Исследователи из Германии разрабатывают робота, который растопит любой лед на своем пути. И это не единственные идеи.
Инженеры этих роботов также не будут удовлетворены зондом, который просто копает прямо вниз. Их творения должны будут перемещаться и запускать образцы обратно на поверхность, помимо рытья туннелей в течение нескольких месяцев или более. Вот как эти бесстрашные зонды будут исследовать ледяные миры и искать жизнь.
Что лежит под
Если на Европе или Энцеладе есть жизнь, она будет микроскопической. «Вероятно, нет ни китов, ни гигантских кальмаров, ни даже маленьких трубчатые черви или что-то в этом роде», — говорит Синтия Филлипс, планетолог-геолог из Лаборатории реактивного движения. «Мы думаем, что на самом деле недостаточно энергии для управления многоклеточной жизнью».
Но жерла на морском дне могли бы стать многообещающим домом для инопланетных микробов (и представляют собой такую же экосистему, в которой могла бы зародиться жизнь на Земле). стартовал). И независимо от того, где находятся эти жерла, если в них есть жизнь, то следы этой жизни уйдут далеко вдаль.
«В океане Земли, если вы возьмете любой кубический метр воды в океане, в нем [вероятно] есть генетический материал. от большинства организмов на Земле», — говорит Брайан Уилкокс, аэрокосмический инженер из Jet Propulsion. Лаборатория. То же самое справедливо и для морей Европы или Энцелада. Поэтому, когда наши зонды, наконец, достигнут моря, любые капли воды, которые они поймают, должны быть поучительными.
«Если у вас есть достаточно хорошие инструменты, которые могут находить вещества в очень низких концентрациях, то вы практически гарантированно найдете биологические молекулы, если они существуют», — говорит Уилкокс.
Однако это накладывает некоторые ограничения на количество зондов, которые мы можем отправлять. Поскольку робот по определению будет искать жизнь, он должен следовать строгие правила чтобы не брать с собой земных микробов. Прежде чем приземлиться, его стерилизуют при таких опаляющих температурах, что ничто не может выжить — даже современная электроника. НАСА рассматривает возможность создания зондов с простыми двигателями из графита и меди, подобными тем, которые были изобретены в 19 веке. «Вы можете сделать двигатель того типа, который использовался 120 лет назад, полностью из сегодняшних материалов, которые переживут этот отжиг», — говорит Уилкокс.
А посадочный модуль можно избежать этого сурового очищения, так как оно никогда не коснется океана. Так что именно там, скорее всего, и будет находиться электроника, которая фактически управляет датчиком и анализирует собираемую им воду. «Зонд похож на марионетку на конце веревки, и у него нет собственного ума», — говорит Уилкокс. «Мы должны поставить планетарную защиту на первое место, потому что это действительно самая сложная из всех проблем».
Нарезка и нарезка кубиками
На Земле мы копаемся в толстом льду в таких местах, как Антарктида и Гренландия, использующая буры или зонды, которые погружаются все глубже, нагревая лед вокруг себя, пока он не растает.
Это не сработает на спутниках Юпитера и Сатурна. «Почти невозможно [думать], что мы сможем доставить буровое оборудование на ледяную луну», — говорит Бернд. Дахвальд, профессор астронавтики Ахенского университета прикладных наук в Германия.
А лед на сотни градусов ниже нуля. «Это, по сути, отводило бы все это тепло», — говорит Наяр. Зонд, который задумали он, Уилкокс и их коллеги, удерживает все тепло внутри, откуда оно не может утечь.
Зонд использует вращающуюся циркулярную пилу, чтобы распиливать лед, и сваебойный молот, чтобы глубже забивать яму. Зонд может двигаться, врезая лед с одной стороны глубже, чем с другой. Ледяная стружка тем временем бросается в изолированный корпус зонда для таяния. «Весь корпус зонда, по сути, представляет собой вакуумную бутылку, точно так же, как термос так ваш напиток будет теплым весь день», — говорит Уилкокс.
Тепло будет исходить от плутония (типа, который питает Любопытство Ровер и другие космические аппараты, не того типа используется для создания ядерного оружия). Большая часть расплавленной воды будет откачана обратно. Но зонд также может собирать пробы воды в крошечные канистры и выбрасывать их обратно на поверхность через алюминиевую трубку внутри троса.
Как только талая вода снова превратится в лед, она зафиксирует этот трос на месте. Это означает, что зонду придется нести собственный кабель, а не тянуть его с поверхности. Это также означает, что зонд нельзя вытащить обратно на поверхность. «Это еще одна причина, по которой его необходимо полностью стерилизовать, вне всяких сомнений, потому что он останется там навсегда», — говорит Уилкокс.
Сделай как крот
Еще одним зондом, предназначенным для замороженных миров, является IceMole, который разрабатывается для проекта Enceladus Explorer Немецкого космического агентства (DLR). При длине около 6,5 футов он не такой миниатюрный, как его волосатый тезка, хотя его дизайнеры планируют сделать будущие поколения короче и легче. Они уже испытали его способность копать землю в Антарктиде и других ледяных местах.
IceMole — это в первую очередь датчик таяния, что означает, что он будет нагревать свой путь сквозь лед. Это требует много энергии, поэтому зонд, вероятно, будет получать энергию от ядерного генератора размером с холодильник на поверхности. Однако механический крот также оснащен ледобуром. «Эта сила плотно прижимает плавящую головку ко льду, так что у вас всегда будет очень хороший тепловой контакт», — говорит Дахвальд, который потратил годы на разработку и усовершенствование зонда.
Одна из проблем с обычными датчиками таяния заключается в том, что пыль или песок, вкрапленные в лед, могут оседать на дно талой воды перед роботом и накапливаться. В конце концов, зонд сталкивается с пробкой из грязи, через которую он не может прогреться, и застревает. IceMole избежал бы этой катастрофы, потому что его ледобур может протащить его по грязному льду. Его разработчики протестировали зонд в почве и богатом наносами льду в антарктическом озере Хоар — IceMole замедлился, но не остановился. Удобный ледобур также полый, поэтому он может глотать образцы.
Как и предложенный НАСА робот, IceMole может менять курс. Направляя больше тепла на одну сторону плавящейся головки, IceMole можно заставить изгибаться. «Они не так хороши, как настоящий крот, но у нас есть радиус поворота около 10 метров, и этого должно быть достаточно, чтобы избежать больших препятствий», — говорит Дахвальд.
Он будет использовать несколько разных инструментов для навигации и даже может плавиться вверх. Это означает, что, возможно, IceMole сможет вернуться на поверхность.
Враждебная среда
Европа и Энцелад не являются гостеприимными местами, даже если не считать сурового холода. Роботы, которые бродят по поверхности, несут основную тяжесть этих экстремальных условий.
Во-первых, они будут слишком далеко от солнца, чтобы полагаться на солнечную энергию. И по льду может быть нелегко проехать. Считается, что Европа и Энцелад испускают шлейфы водяного пара, которые замерзают и падают на землю в виде крошечных крупинок. «Этот материал будет вести себя как песчаные дюны в пустыне, которые не слипаются, поэтому вы может легко утонуть», — говорит Наяр, чья команда разрабатывает легкий вездеход, напоминающий дюну. багги.
Европа поражена радиацией Магнитное поле Юпитера который убьет незащищенного человека за 10 минут. С роботами тоже не все в порядке. «Поверхность в основном просто избита заряженными частицами радиации, которые могут быть очень разрушительными для любого наземного космического корабля», — говорит Филлипс.
Любым роботам на земле потребуется защита, чтобы защитить их от этого нападения. Это может не показаться проблемой для зондов глубоко внизу, укрытых льдом. Но они по-прежнему будут полагаться на оборудование на поверхности, которому придется терпеть, пока зонды медленно проникают во льды на многие километры.
Да и сам лед преподнесет свои испытания. Вероятно, это будет не просто чистая вода. «Проблема в том, что мы не знаем, каким будет настоящий состав этого материала», — говорит Наяр. Роботу, возможно, придется объезжать скалы или трещины или столкнуться с коррозионно-активными химическими веществами, такими как серная кислота.
«Иметь что-то, что работает несколько месяцев или даже лет сквозь лёд, через неизвестную окружающей среды, и малейший сбой может привести к провалу миссии, это сложная задача», — Дахвальд. говорит.
НАСА может отправить зонды для полевых испытаний в такие места, как Антарктида или Гренландия, чтобы убедиться, что они готовы к работе. Но по сравнению с Европой или Энцеладом эти ледяные дебри — легкая прогулка. Инженерам придется имитировать некоторые из самых суровых условий ледяных миров в лаборатории, используя специальные холодные и вакуумные камеры и слои сверххолодного льда.
Несмотря на трудности, путешествие по льду имеет свои преимущества. Зонд не может легко проплавить твердую породу. «Мы действительно хотим растопить лед, потому что с жидкой водой очень легко обращаться», — говорит Уилкокс.
И любые образцы, которые зонд соберет во время своего путешествия, будет легко просеять. «Где-то вроде Марса или Луны, где это действительно образец камня, вам нужно… разбить камень, чтобы вы могли изучить, что в нем», — говорит Филлипс. Ледяные образцы можно просто нагреть. «Это простой способ отделить лед от не ледяных материалов».
Созрел для исследования
Какими бы заманчивыми ни были Европа и Энцелад, нам не нужно ограничивать наши исследования этими двумя спутниками. За пределами Земли есть много потенциально водных тел — Марс, большие астероиды, Плутон и другие спутники, такие как Титан Сатурна или спутники Юпитера. Ганимед и Каллисто. «Во внешней Солнечной системе есть десятки миров, где можно использовать очень похожую архитектуру», — говорит Филлипс.
Одни и те же посадочные модули, вездеходы и, в конечном итоге, зонды могут сделать все эти миры доступными для нас. Как именно будет выглядеть эта технология, пока неясно. «У нас нет проверенного решения, которое было бы лучше любого другого решения, — говорит Наяр. «Это совсем другая среда, чем любая другая, в которой мы были».
Мы узнаем больше об этих далеких мирах по мере того, как будет поступать новая информация из таких миссий, как Кассини и запланированный Европа Клипер. Это облегчит разработку зондов, которые однажды будут копаться под ледяной поверхностью.
Пройдет немало лет, прежде чем эти роботы приземлятся на Европе или Энцеладе; зонд к Европе, вероятно, не будет запущен до 2028 года. Но это не значит, что космические зонды не могут помочь приблизиться к дому — мы можем провести множество исследований льда прямо здесь, на Земле. «Было бы немного грустно, если бы вы вкладывали деньги только в технические демонстрации без какой-либо науки», — говорит Дахвальд. Он и его команда уже использовали IceMole для отбора проб бактерий на Кровавом водопаде в Антарктиде, где резервуар полон малоизученных бактерий, которые были изолированы от внешнего мира более 1 миллиона лет. годы.
И у нас будет много других шансов проверить космическую пригодность зонда и одновременно заставить его работать. Под ледяными щитами Антарктиды есть озера, которые еще предстоит исследовать. Мы до сих пор не знаем, как далеко жизнь проникает во льды и насколько хорошо она может выжить в этих замерзших пустынях. «Если мы хотим знать, может ли жизнь существовать во льду на других планетах и спутниках, мы должны выяснить условия рождения… здесь, на Земле, для жизни во льду», — говорит Дахвальд.
