Успіх місячного бурильного робота NASA підживлює місії до Європи та Енцелада

Виклики для посадкових апаратів на крижаних місяцях

Європа та Енцеладус є основними об’єктами у пошуках позаземного життя завдяки підповерхневим океанам, що приховані під їхньою крижаною корою. Проте, їхні умови середовища створюють серйозні труднощі:

• Екстремальна радіація: Європа обертається в межах потужних радіаційних поясів Юпітера, отримуючи до 5.4 Зв на добу, що загрожує пошкодженням електроніки.
• Льодові температури: Температура на поверхні коливається від нижче -220 °C вночі до -160 °C удень, роблячи лід таким же твердим, як бетон.
• Обмеження зв’язку: Відсутність постійних орбітальних апаратів навколо Європи та Енцеладуса означає обмежені можливості для ретрансляції та прямого зв’язку з Землею з затримками у кілька годин.
• Обмеження потужності: Сонячна радіація на Юпітері становить менше 4 Вт/м², що робить сонячні панелі непридатними і вимагає використання потужних радіоізотопних електричних систем.
• Невідома топографія: Склад і морфологія поверхні на сантиметровому та метровому масштабах залишаються в значній мірі не дослідженими, ускладнюючи вибір місць для посадки.

Проектування роботів та випробування

Під керівництвом Кевіна Хенда з JPL, роботизована система об’єднує передові апарати та програмне забезпечення:

1. Платформа пересування: Шасі на шести ногах з гнучкими з’єднаннями та потужними кроковими двигунами, що забезпечують 25 Нм крутного моменту на ногу, стабілізуючи на схилах до 15°.
2. Сенсорний комплекс: Два 4K стереоскопічні камери в парі з LED підсвіткою та LiDAR для 3D реконструкції сцен з точністю до ≤1 см.
3. Маніпуляційна рука: Вуглецево-волокнистий маніпулятор з 7 ступенями свободи, що має вбудовані датчики сили/крутного моменту в п’яти осях та досягає 1.2 м, здатний забезпечити 50 Н осьової сили для буріння.
4. Бурильний інструмент (ICEPICK): Криогенний бур, що видобуває льодові зразки глибиною до 20 см зі швидкістю 100 мм/хв за допомогою ультразвукових свердел.
5. Енергетична система: Мультифункціональний радіоізотопний термоелектричний генератор (MMRTG), що постачає 110 Вт електричної потужності та 2 кВт тепла для підтримки робочих температур.
6. Бортовий комп’ютер: Радіаційно стійкий процесор, що працює на гібридній автономній платформі з інтерфейсами ROS 2 та спеціальними AI планувальниками для прийняття рішень в реальному часі.

Системи автономії

Автономність робота функціонує на двох рівнях, щоб впоратися з тривалими періодами без зв’язку з землею:

• Високий рівень автономії: Місійний менеджер, що планує буріння, аналіз зразків та стиснення даних в межах енергетичного бюджету 48 кВт·год, з акцентом на наукові результати.
• Низький рівень автономії: Контрольні петлі в реальному часі, що регулюють крутний момент актуаторів, забезпечують уникнення зіткнень та оптимізують використання енергії під час рухів руки та буріння.

«Інтеграція зворотного зв’язку по силі та комп’ютерного зору дозволяє роботу адаптувати кути буріння в реальному часі», – пояснює Джозеф Боукетт, інженер-робототехнік в JPL.

Управління теплом та радіацією

Щоб вижити в суворих умовах Європи, робот має:

1. Багатошарову ізоляцію: Аерогель та алюмінізований Mylar зменшують теплові втрати.
2. Щити Віппла: Композитні шари знижують енергію високих часток та вторинної радіації.
3. Активні обігрівачі: Вбудовані резистивні обігрівачі в критичних з’єднаннях підтримують робочі температури вище -20 °C.

Архітектури майбутніх місій

Хоча посадковий апарат для Європи був знижений у пріоритетах у десятирічному огляді 2023 року, концепції для посадкового апарата на Енцеладус все ще перебувають на стадії дослідження:

• Синергія з JUICE від ESA та Europa Clipper від NASA для навігаційної ретрансляції.
• Інтеграція компактних мас-спектрометрів для аналізу викидів під час прольотів.
• Розгортання малих супутникових констеляцій для розширення вікон зв’язку.

Вплив на астробіологію

Виявлення біосигнатур залежить від чистоти зразків та контролю за забрудненням. Стерилізовані герметичні зразки робота відповідають вимогам захисту планет IVc. Тривають лабораторні випробування, що моделюють аналоги соляного льоду та виконують екстракцію органічних молекул за допомогою спектроскопії лазерного розриву (LIBS).

Наступні кроки та майбутні випробування

Після успішних випробувань на льодовику Матануска в Алясці в 2022 році, команда планує подальші кампанії:

• Кампанія на льодовиковому щиті Девон у Канаді в 2025 році для оцінки продуктивності буріння при низькій радіації.
• Тести в швейцарській альпійській криогенній лабораторії в 2026 році, зосереджені на фізиці тонкого льоду на великій висоті.
• Випробування інтеграції з прототипами підводних криогенних роботів у гідролабораторії JPL.

Посилання

Hand, K.L., Bowkett, J., та ін. Science Robotics, 2025. DOI: 10.1126/scirobotics.adi5582