مقدمة: دير أوربا المحيط المخفي

إن اليوروبا، وهي رابع أكبر قمر للمشتري، تعتبر منذ زمن بعيد أحد أكثر المواقع واعدة في النظام الشمسي للبحث عن الحياة الخارجية، وفي ظل قشرة المحيط، يُعتقد أن هناك محيطا عالميا واسعا من المياه السائلة، ويظل دافئا بسبب التدفئة من المد والجزر من السحب الهائل من الجاذبية، وهذا المحيط الذي يقدر بحوالي 40 إلى 100 ميل في عمق، يمكن أن يستكشف مصادر كيميائية غير مسبوقة.

وستؤدي بعثة " أوروبا كليبر " التابعة للرابطة، التي ستبدأ في عام ٢٠٢٤ وستصل إلى نظام المشتري في عام ٢٠٣٠، إلى القيام برحلات متعددة لدراسة سطح القمر وشبه سطحه، ولكن أي مهبط أو مهبط في المستقبل يمكن أن يخترق الجليد، ويعين المحيط يتطلب مباشرة حل المشاكل البالغة الشدة في تصعيد الإشعاع، والإدارة الحرارية، والحفر العميق، والملاحة المستقلة، وحماية كوكب الأرض المبتكرة.

البيئة القصوى لليورو

حزام التأمل الإشعاعي الذي لا يطاق للمشتري

(أ) مدارات اليورو داخل الغلاف المغنطيسي القوي للمشتري، حيث تُقصف بجسيمات إشعاعية مكثفة محصورة في حقل الكوكب المغناطيسي، وتُستخدم الجرعة الإشعاعية على سطح أوروبا حوالي 5.4 من الشعارات يومياً، بما يكفي لقتل إنسان خلال ساعات، أما بالنسبة للأماكن التي تُسبب إشعاعاً واحداً، فتتعرض للتلف، فلا يمكن أن تُحدث مكونات فضائية قياسية.

For a surface lander or a drillingroidies, the challenge multiplies. The craft must operate for months or years, enduring cumulative radiation doses that would degrade even hardened components. Research into advanced semiconductors, such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), is ongoing, as these materials offer better resistance. [Fto:] self-heal

التدرجات المسببة للسرطان والإدارة الحرارية

ويصل متوسط درجة حرارة اليوروبا إلى حوالي 260 درجة شرقاً (160 درجة مئوية) عند خط الاستواء ويمكن أن يقلّل حتى عن القطبين، ويجب أن تعمل أي مكونات مركبة فضائية في هذا الجو البارد العميق، مما قد يتسبب في أن تصبح مواد رشوة، ومواد تشحيم لتتجمد، وبطاريات تفقد القدرة، وتصبح الإدارة الحرارية دافعاً حرجاً للتصميم، ويجب أن تولد حرارة كافية داخلياً لمنع الظواهر الحرارية وتحركات في نطاق العمليات.

Solutions include radiotope thermoelectric borns (RTGs) or small nuclear reactors that provide both power and heat. For a cryobot that melts its way through ice, heat is a tool, but for a lander, excess heat must be managed with multilayer insulation (MLI) and phase-changeth designs

انخفاض الجاذبية وسقوط الأرض

ولا تتجاوز خطورة الأرض الأوروبية حوالي 0.134 مرة، وفي حين أن هذا التبسيط يهبط ببعض الطرق (سرعات التأثير الأقل)، فإنه يخلق أيضاً تحديات للتنقل والحفر، كما أن الحفر الذي يعتمد على الثقوب على الأرض سيكافح بخطر منخفض، ويجب على المهندسين تصميم حفر تستخدم آليات القوة الدوارة .

الاتصال عبر النظام الشمسي

معدلات الارتطام والبيانات

ويصل متوسط عدد المجندين إلى حوالي ٤٨٤ مليون ميل من الأرض، وتستغرق الإشارة اللاسلكية ذات الاتجاه الواحد ما بين ٣٥ و ٥٢ دقيقة لسفر تلك المسافة، تبعا لمواقع الكواكب، وهذا يعني أن السيطرة على الزمن الحقيقي مستحيلة، ويجب أن تعمل المركبة الفضائية بصورة مستقلة لفترات طويلة، وعلاوة على ذلك، فإن المسافة الكبيرة التي تقطع عن طريقها تحد بشدة من معدلات البيانات، وسوف يستخدم جهازاً من أجهزة التليفزيون العالي الترددي مع جهاز تصوير بمقياس طوله ٣ أمتار لإرسال البيانات في وقت مبكر الى ١٧٠.

ويقوم المهندسون بتطوير نظم مستقلة قائمة على التغاضي عن التخلف يمكن أن تعالج حالات غير متوقعة دون انتظار تعليمات من الأرض، ويتطلب ذلك استخباراتا مصطنعة على متنها من أجل تخطيط المسارات، والرصد الصحي، وصنع القرار، فعلى سبيل المثال، قد يواجه الحفر طبقة من الجليد الأقوى أو الفراغ؛ ويجب أن يُعدل تلقائيا معالم الحفر أو يغير من استراتيجية المعاينة.

الكتلة الهوائية وأجهزة التحكم في الطاقة

وللتواصل على هذه المسافات، تحتاج المركبة الفضائية إلى هوائي كبير ومرتفع جداً يُشار إليه بدقة على الأرض، ويجب أن يكون هذا الهوائي قادراً على البقاء على بيئة الإشعاع والانتشار بشكل موثوق، وفي أحد المهبطين، يجب أن يكون الاتصال المكثف أعلى، وهو أمر قد يكون صعباً إذا تم تزييف المهبط، ويستخدم بعض المفاهيم [مئة] من المحركات القابلة للضغط.

Penetrating Europa’s Ice Shell

ثلج ثيك و تشكيل

ومن المقدر أن تكون قشرة اليوروبا سميكة تتراوح بين 10 و 30 كيلومترا (6 إلى 19 ميلا) وأن يكون المسبار، للوصول إلى المحيط تحته، يجب أن يحفر أو يذوب من خلال هذا الحاجز الهائل، ومن الطبيعي أن تؤدي قوات الإشعاع والجزر إلى كسور وجيب من الماء السائل، ولكن الجزء الأكبر من الماء الصلب، الذي يحتمل أن يختلط بالملح وحامض الكبريتيك من الكبريت البارد من إيو.

تكنولوجيات الحفر: التحديات

فالعمليات التقليدية للصيد الدوار أو الجراد المستخدمة في نواة الجليد الأرضي ثقيلة وتستهلك كميات كبيرة من الطاقة، أما بالنسبة لليوروبا، فإن الطاقة محدودة، ويجب أن يعمل الحفر بصورة مستقلة لعدة أشهر، ويتمثل نهج واحد في cryobot - وهو ما يعني أن تركيبة الأرض تتحول من خلال التسخين بأنفها، وتستخدم عادة فكرة مماثلة.

وتقضي متطلبات الحماية المادية بأن أي مركبة فضائية تُتّصل بمحيط يمكن أن يكون قابلاً للسكن يجب تعقيمها إلى مستويات صارمة، وهذا يعني استخدام الحرارة أو التعقيم الكيميائي أثناء التجمع، وتصميم الحفر من أجل العمل دون إدخال الكائنات الحية الأرضية.() وتضع المهندسين بروتوكولات للتنظيف و

نظم الحفر المستقلة

ونظراً لتأخر الاتصالات، يجب أن يكون نظام الحفر مستقلاً تماماً، ويجب أن يكون له معنى خاصية الجليد (الحياة، ودرجة الحرارة، والنمر) وأن يعدل بارامتراته في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، إذا واجه الحفر إدراجاً صلباً مثل الصخرة، فإنه يجب أن يزيد من الاتجاه نحو التقلبات أو التغيير، وإذا انحرفت الحفرة عن العمود الفقري، فإنه يجب أن يصلح مساره للوصول إلى المحيط مباشرة.

مصادر الطاقة في عالم مختفي

لماذا تفشل الطاقة الشمسية

(أ) يستقبل اليوروبا حوالي 1/25 من ضوء الشمس الذي تصيبه الأرض، كما أن حقل جوبيتر المغناطيسي يخلق أيضا بيئة إشعاعية قاسية تتدهور الألواح الشمسية بسرعة، وبالنسبة لبعثة سطحية يجب أن تنجو في الليلة (يوم أوروبا هو حوالي 3.5 أيام أرضية)، فإن الطاقة الشمسية غير عملية، وبالتالي فإن جميع المولدات الكهربائية أو المولدات الكهربائية المقترحة تعتمد على

الخيارات النووية المتقدمة

For a drill or cryobot that requires higher power (several kilowatts), a small fission reactor like the Kilopower concept being developed by NASA could be used. Kilopower uses uranium-235 and can generate 1-10 kilowats, enough to melt ice and power instruments. It also provides abundant arm.

وتستخدم البطاريات في طلبات الطاقة القصوى (مثل الحفر في العواصف العالية) وهي عادة ما تكون متقدمة ] خلايا الاليثيوم ] التي تعمل في درجات حرارة منخفضة، ويجب أن تظل هذه البطاريات دافئة ومُخنعة، وتستكشف بعض البحوث البطاريات المُعزَّزة التي تتيح أداءً بارداً أفضل.

المواد والهياكل اللازمة للبقاء

الإشعاع والقابلية للاختراق

مادة [مركبة فضائية من طراز Europa يجب أن تحمل إشعاعاً شديداً وبرد شديد، ويصبح الكثير من البوليمرات رشوة؛ ويتفاخر التشحيم أو يتجمد؛ ويمكن للمعادن أن تكسر بسبب تسارع الإجهاد الحراري.

مقايضة تصميم الوزن الخفيف

وكل كيلوغرام يرسل إلى اليوروبا يكلف ملايين الدولارات في وقود الإطلاق، ويجب أن تكون المركبة الفضائية خفيفة قدر الإمكان بينما لا تزال على قيد الحياة، مما يدفع مهندسي هذه المركبات إلى الجمع بين مهام متعددة في أجزاء واحدة، مثلا، باستخدام الترسب كدرع إشعاعي أو كغلاف حراري، وقد تؤدي تقنيات التصنيع مثل التصنيع الإيجابي (3Dطباعة) إلى توفير الوزن الثابت بالنسبة للأرض.

الصكوك العلمية وأخذ العينات

ما نريده أن نُقيّم

أما الأهداف العلمية الرئيسية لاستكشاف المحيطات في أوروبا فتتمثل في تحديد تركيبة المحيطات والبحث عن التوقيعات البيولوجية وفهم الجيولوجيا، ويجب أن تشمل الأدوات كاشفات للمركبات العضوية، أجهزة التنقيب للملحومات والضغوط [الحجمية]

مراقبة التلوث

ولضمان أن تكون أي جزيئات عضوية موجودة في أوروبا وليس من الأرض، يجب أن يكون نظام أخذ العينات معقماً ومختتوماً بصورة دائمة، ويجب أن تجمع العينات أو المسبارات المذيبة دون تعريضها إلى الخارج، وتشمل مفاهيم [(]) عبوات العودة العينية التي يمكن أن تُصمم مباشرة بعد جمعها.

العمليات المستقلة: الدماغ خلف البعثة

نظم البرمجيات الذاتية

ونظراً للتأخير في الاتصالات، يجب أن تكون المركبة الفضائية قادرة على التعرف على الأخطاء والتعافي بدون مساعدة بشرية، ويشمل ذلك التعليل النموذجي حيث يحتفظ الحاسوب الموجود على متنها بنموذج لصحته الخاصة، وإذا كان المحرك يرسم أكثر من المتوقع، فإن النظام قد يُفضي إلى إعاقة ويُجرب أوامر مختلفة

التعلم في مجال الآلات الفضائية

ويمكن أن يساعد التعلم في مجال الآلات في تفسير بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي، مثل تحديد طبقات الجليد المثيرة للاهتمام أو التوقيعات البيولوجية المحتملة، غير أن بيانات التدريب متفرقة، ويستخدم المهندسون البيئات المحاكاة والبيانات المستمدة من بعثات علم الاجتماع على الأرض، فعلى سبيل المثال، فإن ] Ice World]e-FLT:1]]) اختبارات الحكم الذاتي على صفائح الجليد الأرض.

الاستنتاج: الطريق إلى الأمام

إن التحديات الهندسية التي تواجه استكشاف محيط اليوروبا هائلة، ولكنها لا يمكن التغلب عليها، فمع وجود بعثات مثل Europa Clipper ، مهد الطريق، ومع مواصلة البحث في مجال استكشاف الكترونيات ذات القدرة الإشعاعية، والحفر المستقل، والطاقة النووية، ومراقبة التلوث، يمكن أن تصبح مهمة استكشاف سطح الأرض دون سطح واقعة بحلول التاريخ 2040 أو 2050.

L[FLT] Forlus [FLT:]Europa Clipper mission at europa.nasa.gov and the Jet Propulsion Laboratory’s Autonomy and Robotics