Ingineria navetelor spaţiale pentru colectarea de mostre pe corpurile de vulcani-răcire

Corpuri cerești bogate în volatile, comete, sateliți de gheață și asteroizi primitivi, conțineți gheață de apă, dioxid de carbon înghețat, metan, amoniac și compuși organici complecși. Aceste materiale sunt relicve curat din sistemul solar, dețin indicii despre originea apei și chimia organică pe Pământ. Colectarea probelor de pe aceste obiecte necesită inginerie spațială care împinge limitele de management termic, operațiuni de gravitație scăzută, controlul contaminării și conservarea probelor. Misiuni precum NASA ., ESA . Rosetta ESAs, și proiecte viitoare, cum ar fi ]Comet Interceptor demonstrează hardware-ul inovator necesar pentru a recupera și a returna aceste comori volatile.

Provocări unice ale mediului volatil-ridic

Corpurile bogate în volatile prezintă o combinație de condiții extreme rareori găsite împreună în altă parte: microgravitație, atmosfere reci severe, fragile sau exosfere, și suprafețe care pot fi fragile, pufoase sau acoperite în gheață sublimantă. Inginerii trebuie să proiecteze nave spațiale care nu numai că supraviețuiesc și operează, dar și să colecteze probe curate fără modificarea conținutului lor volatil.

Operațiuni de gravitație redusă și ancorare

Cometele şi lunile mici îngheţate au o gravitaţie foarte scăzută la suprafaţă, de multe ori, câteva procente din pământ. Picioare de aterizare standard sau braţe robotice concepute pentru corpuri mai mari nu pot funcţiona; o navă spaţială ar putea sări sau să se îndepărteze. Soluţiile includ ancore de tip harpon, şuruburi de gheaţă şi dispozitive de aterizare moi cu propulsoare active pentru a menţine contactul. ESAs Philae lander pe cometa 67P/Churyumov; Gerasimenko a folosit harpoane şi un sistem de angrenaj pentru a contracara saltul, deşi defecţiunile au subliniat dificultatea. Misiunile viitoare de colectare a eşantionului explorează ancora cu şuruburi de gheaţă] şi eşantionarea contact-and-go, unde nava spaţială atinge pe scurt suprafaţa în timp ce colectează materiale.

Temperaturi extreme și controlul termic

Corpurile bogate in volatile pot fi la fel de reci ca

Contaminarea şi protecţia planetară

Probele volatile sunt extrem de sensibile la contaminarea de la outgazsing spatiale, spori microbieni, sau substanțe chimice reziduale. Protocoale de protecție planetare stringente se aplică, în special pentru corpurile care ar putea găzdui semne de viață trecut sau prezent, cum ar fi Enceladus sau Europa. Nave spațiale sunt asamblate în camere curate, copt pentru a reduce hidrocarburile, și sterilizate, dacă este necesar. Containerele de probe sunt sigilate în mai multe straturi pentru a preveni contaminarea pământească și pentru a menține volatile de evacuare în timpul lansării și reintrarii.

Tehnologii de eșantionare: de la atingere și de la mers la foraj adânc

Alegerea metodei de prelevare depinde de proprietățile de suprafață ale corpului și obiectivele științifice. Colectarea suprafeței regolitului liber este relativ simplă, dar achiziționarea de gheață subterană sau materiale bogate în organice necesită instrumente mai invazive.

Eșantionarea suprafeței cu scoops și arme

Pentru corpurile cu suprafeţe prăfuite sau granulare, cupele robotice şi dispozitivele de prindere pot aduna materiale direct. Nava spaţială Stardust a folosit un colector de aerogel ca o paletă pentru a prinde praful de cometă în timpul unei curse de 6,1 km/s. În timp ce eficientă pentru particulele mici, astfel de metode sunt mai puţin potrivite pentru colectarea de gheaţe volatile fără descompunere. Designurile moderne încorporează OSIRIS-REx-tip touch-and-go, mecanisme de achiziţie de eşantionare (TAGSAM) care utilizează gaz de azot sub presiune pentru a arunca particule într-o cameră de colectare, deşi misiunea respectivă viza mai degrabă un asteroid decât un corp volatil bogat.

Burghiuri și Corere pentru accesul la suprafață

Sub suprafaţă, corpurile bogate în volatilitate păstrează adesea materiale nealterate protejate de condiţionarea condiţiilor meteorologice şi radiaţii solare. Burghiurile, coroanele sau augerele criogenice sunt necesare pentru a penetra crustele de gheaţă. Filae lander a efectuat un burghiu proiectat pentru a extrage nuclee din cometa de suprafaţă până la 23 cm adâncime, dar nu a reuşit să opereze din cauza constrângerilor de putere. Studiile ulterioare au propus exerciţii încălzite sau corere rotative care pot funcţiona în vid ultra-rece. ]Returnarea mostrelor de suprafaţă comete misiuni de vizualizare cu încălzire activă pentru a topi crustele îngheţate în timp ce se colectează simultan apa topită şi solidele.

Atingerea și mersul eșantionului volatil

O abordare promițătoare pentru corpurile volatile bogate este prelevarea de probe tactil-and-go (TAG) combinate cu colectarea criogenică. Nava spațială se apropie de suprafață, extinde un corn de eșantionare sau braț, și trage un proiectil sau folosește un sistem pneumatic pentru a captura materiale într-un contact scurt care durează doar câteva secunde. Aceasta minimizează perturbarea termică și reduce riscul de contaminare a navelor spațiale. JAXA

Conservarea și returnarea eșantioanelor

Odata colectate, probe volatile bogate trebuie sa ramana reci si sigilate pana cand ajung la laboratoarele Pamantului. Chiar si expunerea scurta la caldura spatiala sau atmosfera Pamantului ar cauza sublimare, schimbare chimica sau contaminare.

Containere criogenice

Se dezvoltă canistre de returnare specializate pentru eşantionare pentru menţinerea temperaturilor sub

Controlul contaminării în capsulă

Capsula de probă trebuie să fie sigilată ermetic pentru a preveni orice schimb de gaze sau particule. După reintrarea capsulei, este rapid transferată într-o cameră curată cu mănuşi criogenice. Returul eşantionului de Stardust a demonstrat că etanşarea cu succes a prafului cometar, deşi colectorul de aerogel nu a fost proiectat pentru gheaţe volatile. Misiunile viitoare pentru corpurile bogate în volatile vor folosi sigilii metalice şi canistre duble cu discuri de spargere pentru a ventila orice acumulare de presiune din gazul rezidual fără a compromite integritatea eşantionului.

Analiza in-Situ ca un complement

Deoarece randamentul eșantionului este costisitor și exigent din punct de vedere tehnic, multe misiuni includ și spectrometre de masă, cromatografe de gaz și alte instrumente pentru a analiza volatile in situ. Aceasta oferă date imediate și ajută la validarea procedurilor de colectare a eșantioanelor. ]Rosetta orbiter ROSINA instrument măsurat compoziția volatilă cometa direct, în timp ce Philae Lander

Direcții viitoare în colectarea de eșantioane de lichide volatile-Rich

Mai multe misiuni viitoare urmăresc aplicarea și avansarea acestor principii de inginerie.

Interceptor cometa

ESA se va deplasa două sub-spațiale pentru a zbura dincolo de cometa și pentru a colecta probe de praf și gaz folosind colectoare bazate pe impact. Deși nu returnează probe pe Pământ, va testa tehnici rapide de colectare și conservare relevante pentru viitoarele returnări ale eșantionului.

În cazul în care se utilizează un eșantion de probe, se utilizează un eșantion de probe de Enceladus și Europa Plume.

Saturn . Luna Enceladus ejectează vapori de apă și particule organice prin penele criovolcanice. NASA Enceladus Orbilander concept propune orbitarea lunii și apoi aterizarea pentru a colecta materiale de penele.O astfel de misiune ar necesita manipularea foarte sensibilă a probelor pentru a captura organici volatili și aminoacizi fără a le îngheța sau sublima.Colecția activă folosind câmpuri electrice sau suprafețe lipicioase a fost propusă, împreună cu etanșarea imediată într-un cryo-locker.

Acces sub-gheață la ocean

Concepte pe termen mai lung prevăd foraj prin cruste de gheata .Kilometru-thick pe Europa . În timp ce dincolo de capacitățile actuale . Cercetarea în burghie cu vârf fierbinte , sonde de topire cu energie nucleară , și recuperarea de probe autonome . Lecțiile învățate din colectarea de probe cometary va informa direct aceste eforturi ambițioase .

Concluzie

Ingineria navelor spațiale pentru colectarea de probe pe corpuri volatile bogate este o interacțiune complexă a științei termice, designului mecanic, controlului contaminării și arhitecturii misiunii. Fiecare misiune de la über și Rosetta la viitoarea Comet Interceptor și Enceladus probe returnează limitele a ceea ce este posibil. Probele pe care le recuperează nu sunt doar roci și gheață; sunt capsule de timp de la începutul sistemului solar. Pe măsură ce aceste tehnologii se maturizează, ne apropiem de a răspunde la întrebări fundamentale despre modul în care apa și moleculele organice livrate pe Pământ ar putea avea însămânțat viața. Inovațiile inginerești necesare pentru a colecta și păstra volatile în spațiul adânc sunt printre cele mai dificile și recompensatoare în toate explorările spațiale.