Η Μηχανική του Spacecraft για τη συλλογή δειγμάτων σε πτητικά-πλούσια σώματα

Τα πλούσια σε πτητικά σωματίδια, τα παγωμένα φεγγάρια και οι πρωτόγονοι αστεροειδείς, περιέχουν πάγο νερού, παγωμένο διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, αμμωνία και σύνθετες οργανικές ενώσεις. Αυτά τα υλικά είναι παρθένα λείψανα από το σχηματισμό του ηλιακού συστήματος, κρατώντας ενδείξεις για την προέλευση του νερού και της οργανικής χημείας στη Γη. Η συλλογή δειγμάτων από αυτά τα αντικείμενα απαιτεί διαστημική μηχανική που ωθεί τα όρια της θερμικής διαχείρισης, επιχειρήσεις χαμηλής βαρύτητας, έλεγχος μόλυνσης και διατήρηση δειγμάτων. Αποστολές όπως η Αστρόσκονη της NASA, η ⁇ έτα της ESA, και επερχόμενα έργα όπως το Εργαστήριο Interceptor αποδεικνύουν το καινοτόμο υλικό που απαιτείται για την ανάκτηση και την επιστροφή αυτών των πτητικών θησαυρών θησαυρών.

Μοναδικές προκλήσεις των Πτητικών-Πλούσια περιβάλλοντα

Τα πυκνά σώματα παρουσιάζουν ένα συνδυασμό ακραίων συνθηκών που σπάνια συναντώνται αλλού: μικροβαρύτητα, σοβαρή κρύα, τεμπέληδες ατμόσφαιρες ή εξόσφαιρα, και επιφάνειες που μπορούν να είναι εύθραυστες, αφράτες ή να καλύπτονται από καθίζηση πάγου. Οι μηχανικοί πρέπει να σχεδιάζουν διαστημικό σκάφος που όχι μόνο επιβιώνουν και λειτουργούν αλλά και συλλέγουν παρθένα δείγματα χωρίς να αλλοιώνουν το πτητικό τους περιεχόμενο.

Λειτουργίες χαμηλής βαρύτητας και αγκυροβολία

Οι κομήτες και τα μικρά παγωμένα φεγγάρια έχουν πολύ χαμηλή βαρύτητα στην επιφάνεια ⁇ συχνά λίγο τοις εκατό της Γης. Τα τυποποιημένα πόδια προσγείωσης ή ⁇ μποτικά όπλα που έχουν σχεδιαστεί για μεγαλύτερα σώματα μπορεί να μην λειτουργούν.Ένα διαστημόπλοιο θα μπορούσε να αναπηδήσει ή να παρασυρθεί. Οι λύσεις περιλαμβάνουν αγκυρώσεις που μοιάζουν με καμάκι, παγοθήκες και μαλακούς προσγειωτές με ενεργούς προωθητήρες για να διατηρήσουν την επαφή. Ο προσεδαφιστής του ESA στον κομήτη 67P/Churyumov ⁇ Gerasimenko χρησιμοποίησε καμάκια και ένα σύστημα εργαλείων προσγείωσης για να εξουδετερώσει την αναπήδηση, αν και οι δυσλειτουργίες τόνισαν τη δυσκολία. Οι μελλοντικές αποστολές συλλογής δειγμάτων εξερευνούν την αγκύρωση πάγου-screw και τη δειγματοληψία επαφών-και-go, όπου το διαστημόπλοιο αγγίζει σύντομα την επιφάνεια ενώ συλλέγει υλικό.

Ακρότητες θερμοκρασίας και Θερμικός Έλεγχος

Τα πυκνά σώματα μπορούν να είναι τόσο ψυχρά όσο ⁇ 200°C (73 K) σε σκιασμένες περιοχές ή σε μεγάλες ηλιοκεντρικές αποστάσεις. Ταυτόχρονα, ορισμένοι κομήτες βιώνουν ταχεία θέρμανση καθώς πλησιάζουν τον Ήλιο. Τα υποσυστήματα θερμικού ελέγχου πρέπει να προστατεύουν ευαίσθητα ηλεκτρονικά και όργανα, ενώ παράλληλα να διατηρούν το πτητικό περιεχόμενο των συλλεγόμενων δειγμάτων. Πολυστρωματική μόνωση, μονάδες θερμαντήρα ραδιοϊσοτόπων (RHUs), και τα υλικά αλλαγής φάσεων είναι κοινά. Για τη συλλογή δειγμάτων, το ίδιο το εργαλείο απόκτησης πρέπει να είναι προψυγμένο ή θερμαινόμενο για να αποτρέπει τήξη ή συμπύκνωση των πάγων. Ο ⁇ έττα τροχιοφόρος χρησιμοποίησε παθητικό θερμικό σχεδιασμό με λουστρίνια και ανακλαστικά επιχρίσματα για να διατηρήσει τη σταθερότητα της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του ταξιδιού του.

Μόλυνση και Πλανητική Προστασία

Τα πτητικά δείγματα είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στη μόλυνση από τα διαστημικά έξω από το αέριο, μικροβιακά σπόρια, ή υπολειμματικά χημικά. Τα ενεργά πρωτόκολλα πλανητικής προστασίας ισχύουν, ειδικά για τα σώματα που μπορεί να φέρουν σημάδια προηγούμενης ή παρούσας ζωής, όπως ο Εγκέλαδος ή η Ευρώπη. Τα διαστημικά σκάφη συναρμολογούνται σε καθαρά δωμάτια, ψήνονται για να μειώσουν τους υδρογονάνθρακες και αποστειρώνονται αν χρειαστεί. Τα δοχεία δειγμάτων σφραγίζονται σε πολλαπλά στρώματα για να αποτραπεί η μόλυνση από τη Γη και να μην αποδράσουν πτητικά κατά την εκτόξευση και την επανείσοδο.

Τεχνολογίες δειγματοληψίας: Από το Touch-and-Go σε βαθιά τρυπάνι

Η επιφανειακή συλλογή χαλαρών ρεγκολίθων είναι σχετικά απλή, αλλά η απόκτηση πάγου ή οργανικών υλικών απαιτεί περισσότερα επεμβατικά εργαλεία.

Δειγματοληψία επιφάνειας με λεπίδες και όπλα

Για σώματα με σκονισμένες ή κοκκώδεις επιφάνειες, ⁇ μποτικές λαβές και λαβίδες μπορούν να συγκεντρώσουν υλικό άμεσα. Το διαστημικό σκάφος Stardust χρησιμοποίησε έναν συλλέκτη αερόγκελου τύπου κουπί για να παγιδεύσει σκόνη κομητών κατά τη διάρκεια μιας μύγας στα 6,1 km/s. Ενώ είναι αποτελεσματικό για μικροσκοπικά σωματίδια, τέτοιες μέθοδοι είναι λιγότερο κατάλληλες για τη συλλογή πτητικών παγετώνων χωρίς αποσύνθεση. Σύγχρονα σχέδια ενσωματώνουν OSIRIS-REX-style μηχανισμοί απόκτησης δειγμάτων αφής και go (TAGSAM) που χρησιμοποιούν πιεσμένο αέριο αζώτου για να φυσούν σωματίδια σε θάλαμο συλλογής, αν και η αποστολή αυτή στόχευε έναν αστεροειδή αντί ένα πτητικό-πλού-πλού-σώματος.

Τρυπάνια και κορέρ για πρόσβαση σε υποεπιφάνεια

Κάτω από την επιφάνεια, τα πτητικά πλούσια σώματα συχνά διατηρούν αμετάβλητα υλικά θωρακισμένα από διαστημικές καιρικές συνθήκες και ηλιακή ακτινοβολία. Τρυπάνια, πυρήνες ή κρυογόνοι οξύντες χρειάζονται για να διεισδύσουν σε κρούστα πάγου. Οι Φιλαί προσγειωτές μετέφεραν ένα τρυπάνι σχεδιασμένο για την εξαγωγή πυρήνων από την επιφάνεια του κομήτη μέχρι 23 εκατοστά βάθος, αλλά δεν κατάφερε να λειτουργήσει λόγω περιορισμών ισχύος. Οι επόμενες μελέτες έχουν προτείνει θερμαινόμενες ασκήσεις ή περιστρεφόμενους πυρήνες που μπορούν να λειτουργήσουν σε υπερψυχρό κενό. Το προγραμματισμένο Εργαζόμενο δείγμα επιφάνειας Επιστροφή[ αποστολές οραματίζονται ασκήσεις με ενεργό θέρμανση για τη τήξη παγωμένων κροτών ενώ ταυτόχρονα συλλέγουν το νερό και στερεά.

Δειγματοληψία με εκτόξευση και εκτόξευση

Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για τα ευμετάβλητα σώματα είναι η δειγματοληψία αφής και πορείας (TAG) σε συνδυασμό με κρυογόνο συλλογή. Το διαστημόπλοιο πλησιάζει την επιφάνεια, επεκτείνει ένα κέρατο δειγματοληψίας ή βραχίονα, και πυρπολεί ένα βλήμα ή χρησιμοποιεί ένα πνευματικό σύστημα για να συλλάβει υλικό σε μια σύντομη επαφή που διαρκεί μόνο λίγα δευτερόλεπτα. Αυτό ελαχιστοποιεί τη θερμική διαταραχή και μειώνει τον κίνδυνο μόλυνσης διαστημικών σκαφών. Το Hayabusa2 του JAXA χρησιμοποίησε μια παραλλαγή για αστεροειδή Ryugu, και παρόμοιες αρχές προσαρμόζονται για κομήτες στο ]Εξερευνητικό δείγμα της Αστροβιολογίας Επιστροφή (CAESAR) έννοια αποστολής. Το CAESAR θα συλλέξει ένα δείγμα επιφάνειας από κομήτη 67P χρησιμοποιώντας μια αποσπημένη κεφαλή δειγματοληψίας που σφραγίζει αμέσως μετά την απόκτηση.

Δείγμα διατήρησης και επιστροφής

Ακόμη και η σύντομη έκθεση σε θέρμη των διαστημοπλοίων ή στην ατμόσφαιρα της Γης θα προκαλούσε εξάχνωση, χημική αλλαγή ή μόλυνση.

Κρυογενή εμπορευματοκιβώτια

Τα ειδικά δοχεία επιστροφής δειγμάτων αναπτύσσονται για να διατηρήσουν θερμοκρασίες κάτω από τους ⁇ 180°C χρησιμοποιώντας παθητικούς κρυοψυκτικούς, ατμο-ψυγμένους θωράκισης, ή ακόμα και μικρούς ενεργούς κρυοψυκτικούς παράγοντες. Μια έννοια χρησιμοποιεί ένα cryo-vial[] μέσα σε ένα περίβλημα με μόνωση κενού που μπορεί να αποκολληθεί από το διαστημόπλοιο και να τοποθετηθεί μέσα σε μια κάψουλα επανεισόδου της Γης. Για αποστολές όπως μια πιθανή επιστροφή δείγματος Enceladus flome, το δοχείο θα πρέπει να παραμείνει κάτω από ⁇ 200°C για ολόκληρη τη φάση της κρουαζιέρας, πιθανώς χρησιμοποιώντας συνδυασμό υποστηριγμάτων χαμηλής αγωγιμότητας και μόνωσης πολλαπλών στρωμάτων.

Έλεγχος μόλυνσης στην κάψα

Μετά την επανείσοδο της κάψουλας, μεταφέρεται γρήγορα σε ένα καθαρό δωμάτιο με κρυογόνα γαντιόπτερα. Η ]Αρχίδα επιστροφή δείγματος[] έδειξε επιτυχή σφράγιση της σκόνης κομητικού, αν και ο συλλέκτης αερόγκελ δεν σχεδιάστηκε για πτητικούς πάγους. Μελλοντικές αποστολές για πτητικά πλούσια σώματα θα χρησιμοποιούν μεταλλικές σφραγίδες και διπλά τοιχώματα δοχεία με δίσκους έκρηξης για να εξαερίσουν οποιαδήποτε συσσώρευση πίεσης από υπολειπόμενο αέριο χωρίς να διακυβεύει την ακεραιότητα του δείγματος.

Ανάλυση σε θέση ως συμπλήρωμα

Επειδή η επιστροφή δειγμάτων είναι δαπανηρή και τεχνικά απαιτητική, πολλές αποστολές περιλαμβάνουν επίσης φασματογράφους μάζας, αεριοχρωματογράφους και άλλα όργανα για την ανάλυση πτητικών ουσιών in situ. Αυτό παρέχει άμεσα δεδομένα και βοηθά στην επικύρωση διαδικασιών συλλογής δειγμάτων. Το Rosetta roger's ROSINA όργανο μέτρησε άμεσα την πτητική σύνθεση του κομήτη, ενώ τα όργανα Ptolemy και COSAC του Philae lander έκαναν ανάλυση αερίου.

Μελλοντικές οδηγίες στη συλλογή δείγματος Volatile-Rich

Αρκετές επερχόμενες αποστολές στοχεύουν στην εφαρμογή και την προώθηση αυτών των αρχών μηχανικής.

Αναχαιτιστής κομήτη

Το Comet Interceptor του ESA (έναρξη στοχευμένη το 2029) θα επισκεφθεί έναν δυναμικά νέο κομήτη που προέρχεται από το Σύννεφο Oort. Θα αναπτύξει δύο υποδιαστημικά σκάφη για να πετάξει πέρα από τον κομήτη και να συλλέξει δείγματα σκόνης και αερίου χρησιμοποιώντας συλλέκτες που βασίζονται σε κρούσεις.

Δειγματοληψία Enceladus και Europa Plume

Το φεγγάρι του Κρόνου Enceladus εκτοξεύει υδρατμούς και οργανικά σωματίδια μέσω κρυοβολκανικών φτέρων.Η ιδέα του Enceladus Orbilander προτείνει την τροχιά γύρω από το φεγγάρι και στη συνέχεια την προσγείωση για τη συλλογή υλικού φτέρων. Μια τέτοια αποστολή θα απαιτούσε εξαιρετικά ευαίσθητο χειρισμό δείγματος για τη σύλληψη πτητικών οργανικών και αμινοξέων χωρίς να τους παγώνει ή να τους υποεξυμνώνει.

Πρόσβαση σε υποπεριοχή Ice Ocean

Μακροπρόθεσμες έννοιες οραματίζονται την γεώτρηση μέσω των κρότων πάγου ⁇ χιλιομέτρων-πήγματος στην Ευρώπη ⁇ για να φτάσουν σε υγρούς ωκεανούς νερού. Ενώ πέρα από τις τρέχουσες δυνατότητες, η έρευνα για τις ασκήσεις θερμού βήματος, τους πυρηνικούς καθετήρες τήξης και την αυτόνομη ανάκτηση δειγμάτων συνεχίζεται.

Συμπέρασμα

Η διαστημική μηχανική για τη συλλογή δειγμάτων σε πτητικά πλούσια σώματα είναι μια σύνθετη αλληλεπίδραση της θερμικής επιστήμης, του μηχανικού σχεδιασμού, του ελέγχου μόλυνσης, και της αρχιτεκτονικής αποστολής. Κάθε αποστολή ⁇ από το Stardust και τη ⁇ έτα στο μέλλον Comet Interceptor και Enceladus δείγμα επιστρέφει ⁇ χτυπά τα όρια του τι είναι δυνατόν. Τα δείγματα που ανακτούν δεν είναι μόνο πέτρες και πάγος? είναι κάψουλες χρόνου από την αυγή του ηλιακού συστήματος. Καθώς αυτές οι τεχνολογίες ωριμάζουν, εμείς ίντσα πιο κοντά στην απάντηση θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με το πώς νερό και οργανικά μόρια που έχουν παραδοθεί στη Γη μπορεί να έχουν σπείρει τη ζωή. Οι καινοτομίες μηχανική που απαιτούνται για τη συλλογή και διατήρηση των πτητικών στο βαθύ διάστημα είναι από τις πιο προκλητικές και ανταμείβοντας σε όλες τις διαστημικές εξερευνήσεις.