Исследование в Acta Astronautica
Согласно новой статье, опубликованной в Acta Astronautica, исследователи из Дрезденского технического университета разработали новый лазерный бур для работы на ледяных поверхностях в нашей Солнечной системе. В статье говорится, что лазеры могут просверливать отверстия во льду на других планетах и кометах.
Проблема существующих систем
Обычно для бурения льда на других планетах и кометах используется криобот — по сути, это «горячая палка», предназначенная для плавления льда за счёт теплового контакта. Однако у этой системы есть несколько проблем, одна из которых — требование значительной мощности. Криоботу может потребоваться киловатты энергии, в то время как радиоизотопный термоэлектрический генератор типичного модуля посадки может обеспечить лишь несколько сотен ватт.
Преимущества лазерного бурения
Лазеры решают многие проблемы криобота. Они компактны и могут работать при низкой мощности. Им не требуется физическое взаимодействие со льдом, поскольку лазер можно направить на любую поверхность. Кроме того, сублимированный лёд может выноситься из скважины, что позволяет поднимать захваченные частицы на поверхность для анализа без использования громоздкого металлического зонда.
Эксперименты
Исследователи под руководством Мартина Коссагка из Института аэрокосмической техники провели тестовый эксперимент в вакуумной камере с инфракрасным лазером с длиной волны 1550 нм. Они выбрали эту длину волны, потому что она особенно сильно поглощается льдом, позволяя передавать больше энергии непосредственно материалу, который нужно расплавить.
Они провели эксперименты с тремя различными типами льда, представляющими разные виды льда, которые можно найти в Солнечной системе. Первый тип — стандартный «прозрачный» лёд. Они смогли достичь скорости бурения примерно 1 метр в час при мощности лазера чуть менее 20 Вт.
«Зернистый» лёд — это ледяные зёрна, а не сплошной блок, что более типично для замёрзших лун, таких как Энцелад. В этих условиях лазер работал ещё лучше, со скоростью бурения 1,7 м/ч и потреблением энергии всего 12,7 Вт.
Финальным и ещё более впечатляющим испытанием стал эксперимент с «пыльным» льдом, где «пыль» (то есть нелетучий материал, такой как порода) составляла 50% или более от объёма образца. Система смогла достичь гораздо более быстрых результатов с этим типом образца. При 50% содержании пыли система могла проходить примерно 3,1 м/ч при мощности около 10 Вт.
Ограничения
Бурение, проведённое в рамках эксперимента, составило всего около 25 см. В дальнейшем для работы со ледяными телами в Солнечной системе потребуется какая-то система бурения скважин, и лазер представляется весьма перспективным вариантом после дополнительных испытаний и настроек.
Однако у системы есть и недостатки. Диаметр пробуренной скважины составил всего около 6,15 мм — недостаточно места для размещения какого-либо зонда или другого оборудования под поверхностью льда. Существует также риск того, что давление на дне глубокой скважины может возрасти настолько, что лёд начнёт таять, а не сублимировать, что снизит эффективность системы.
Кроме того, скважины на Земле «сжимаются» после достижения определённой глубины, и хотя это остаётся потенциальной проблемой на других планетах, их низкая гравитация, вероятно, означает, что они будут оставаться открытыми на большей глубине, чем на Земле. Однако одно из преимуществ системы — выброс пыли из скважины — также имеет обратную сторону. Пыль может покрывать зеркала, используемые для направления лазера, снижая их эффективность. Любой полностью масштабированной системе потребуется метод снижения этого загрязнения.
В конечном счёте это большой шаг в новом направлении для глубокого бурения ледяных тел в нашей Солнечной системе.