Teknik av rymdfarkoster för provsamling på flyktiga-rika kroppar

Volatile-rika himmelska kroppar - kometer, isiga månar och primitiva asteroider - innehåller vattenis, frusen koldioxid, metan, ammoniak och komplexa organiska föreningar. Dessa material är orörda reliker från solsystemets bildning, håller ledtrådar om ursprunget till vatten och organisk kemi på jorden. Samla prover från dessa objekt kräver rymdfarkoster som driver gränserna för termisk förvaltning, låg gravitationskontroll kontroll på jorden.

Unika utmaningar av flyktiga ritiska miljöer

Volatilrika kroppar presenterar en kombination av extrema förhållanden som sällan finns tillsammans på andra håll: mikrogravitation, svår kall, töjande atmosfärer eller exosfärer, och ytor som kan vara spröda, fluffiga eller täckta i sublimerande isar. Ingenjörer måste utforma rymdfarkoster som inte bara överlever och fungerar utan också samlar orörliga prover utan att ändra deras flyktiga innehåll.

Låg-Gravity Operations och förankring

Kometer och små isiga månar har mycket låg ytgravitation - ofta några procent av jordens. Standard landningsben eller robotarmar avsedda för större kroppar kanske inte fungerar; en rymdfarkost kunde studsa eller glida bort. Lösningar inkluderar harpoonliknande ankare, isskruvar och mjuka landare med aktiva stötfångare för att upprätthålla kontakten. ESA: s Philae landare på komet 67P / Chury touch-Gerasimenko använde harpoons och ett landningsredssystem för att motverka studsen, men felvalsmätade

Temperatur Extremes och termisk kontroll

Volatilrika kroppar kan vara lika kalla som -200 ° C (73 K) i skuggade regioner eller vid stora heliocentric avstånd. Samtidigt upplever vissa kometer snabb uppvärmning när de närmar sig solen. Termiska kontrollsubsystem måste skydda känslig elektronik och instrument, samtidigt som man bevarar det flyktiga innehållet i samlade prover. Multi-layer isolering, radioisotop värmeenheter (RHUs) och fasförändringsmaterial är vanliga. För samplåkning verktyget själv måste vara förkyld eller hettas till

Förorening och Planetskydd

Volatila prover är extremt känsliga för föroreningar från rymdfarkoster utgasning, mikrobiella sporer eller restkemikalier. Stringenta planetskyddsprotokoll gäller, särskilt för kroppar som kan hamna tecken på tidigare eller nuvarande liv, såsom Enceladus eller Europa. Spacecraft monteras i renrum, bakade för att minska kolväten och steriliseras om det behövs. Provbehållare är förseglade i flera lager för att förhindra jordisk förorening och för att hålla flyktiga från att fly under lans och rinna.

Sampling Technologies: Från Touch-and-Go till Djupborrning

Val av provtagningsmetod beror på kroppens ytegenskaper och vetenskapsmålen. Ytasamling av lösa regolith är relativt enkelt, men förvärv av underyta is eller organiskt rika material kräver mer invasiva verktyg.

Yta Sampling med skopor och armar

För kroppar med dammiga eller granulära ytor kan robotscoops och gripare samla material direkt. Stardust rymdfarkosten använde en paddlaliknande samlare av aerogel för att fånga kometdamm under en flugby vid 6,1 km / s. Medan effektiv för små partiklar, är sådana metoder mindre lämpade för att samla in flyktiga isar utan nedbrytning. Moderna samlingar innehåller OSIRIS-REx tryck på touch-och-goplemblomstora-förvävs mekanismer (prov)

Borrar och Corers för Subsurface Access

Under ytan, flyktiga rika kroppar ofta bevara oförändrat material skyddas från rymdväder och solstrålning. Borrar, korrar eller kryogena augrar behövs för att tränga in iskorpor. Fila landare bar en borr avsedd att extrahera kärnor från kometens yta upp till 23 cm djup, men det misslyckades med att fungera på grund av kraftbegränsningar. Undersökta studier har föreslagit uppvärmda borrar eller roterande korrarna som

Touch-and-Go Volatile Sampling

Ett lovande tillvägagångssätt för flyktiga rika kroppar är touch-and-go (TAG) provtagning kombinerat med cryogenic samling. Rymdfarkosten närmar sig ytan, sträcker sig ett provtagningshorn eller arm, och eldar en projektil eller använder ett pneumatiskt system för att fånga material i en kort kontakt som varar bara några sekunder. Detta minimerar termisk störning och minskar risken för rymdfarkosterförorening. JAXA: s Hayabusa2 använde en variation för asteroid Ryugu, och liknande principer är sammankopplade för kompengare i kompens:

Provbevarande och återkomst

När de väl samlats måste flyktiga rika prover förbli kalla och förseglade tills de når jordens laboratorier. Även kort exponering för rymdfarkosters värme eller jordens atmosfär skulle orsaka sublimering, kemisk förändring eller förorening.

Kryogena behållare

Specialiserade provreturbehållare utvecklas för att upprätthålla temperaturer under -180 ° C med passiva cryocoolers, ångkylda sköldar eller till och med små aktiva cryocoolers. Ett koncept använder en ] cryo-vial ]] i ett vakuumisolerat bostäder som kan lossas från rymdfarkosten och placeras inuti en jordreningskapsel. För uppdrag som en potentiell Enceladus plume sample return, skulle behållaren behöva förbli under -200 ° multi

Kontamineringskontroll i kapseln

Provkapseln måste vara hermetiskt förseglad för att förhindra utbyte av gaser eller partiklar. Efter kapsel reentry, är det snabbt överförs till ett renrum med kryogena handskeboxar. ] Stardust sample return kapsel visade framgångsrik tätning av kometer damm, men aerogel samlare var inte avsedd för flyktiga isar. Framtida uppdrag för flyktiga kroppar kommer att använda metall tätningar och dubbelväggiga kapslar med burst

In-Situ Analys som ett komplement

Eftersom provavkastning är dyrt och tekniskt krävande, innehåller många uppdrag också masspektrometrar, gaskromatografer och andra instrument för att analysera volatiler i situ. Detta ger omedelbar data och hjälper till att validera provinsamlingsprocedurer. ]Rosetta orbiter's ROSINA instrument mätt kometens flyktiga sammansättning direkt, medan Philae lander Ptolemy och COSAC instrument utförde gasanalys.

Framtida riktningar i Volatile-Rich Sample Collection

Flera kommande uppdrag syftar till att tillämpa och främja dessa tekniska principer.

Komet Interceptor

ESA: s Comet Interceptor (lansering riktad 2029) kommer att besöka en dynamiskt ny komet som kommer från Oort Cloud. Det kommer att distribuera två underutrymme för att flyga förbi kometen och samla damm och gasprover med hjälp av konsekvensbaserade samlare. Även om det inte returnerar prover till jorden, kommer det att testa snabb flyby samling och bevarande tekniker som är relevanta för framtida provsändning.

Enceladus och Europa Plume Sampling

Saturnus måne Enceladus ejects vattenånga och organiska partiklar genom cryovolcanic plumes. NASAs ]Enceladus Orbilander ]]] koncept föreslår kretsar månen och sedan landar för att samla plume material. Ett sådant uppdrag skulle kräva extremt känslig provhantering för att fånga flyktiga organik och aminosyror utan att frysa eller sublimera dem. Active samling med elektriska fält eller ytor har föreslagits, tillsammans med omedelbara .

Sub-Ice Ocean Access

Längre sikt koncept föreställa borrning genom iskrustar - kilometer tjock på Europa - för att nå flytande vatten oceaner. Medan långt bortom nuvarande kapacitet, forskning om hot-tip borrar, kärnkrafts smältsonder, och autonoma prov återhämtning fortsätter. Lärdomarna från kometariska provsamling kommer direkt att informera dessa ambitiösa ansträngningar.

Slutsats

Rymdskeppsteknik för provsamling på flyktiga rika kroppar är ett komplext samspel av termisk vetenskap, mekanisk design, föroreningskontroll och uppdragsarkitektur. Varje uppdrag - från Stardust och Rosetta till framtida Comet Interceptor och Enceladus sampling återvända - trycker gränserna för vad som är möjligt. Proverna de hämtar är inte bara stenar och is; de är tidskapslar från solsystemets gryning. Som dessa mogna, vi närmare att svara på grundläggande frågor om hur vatten och organisk molekylärt blommande livrörsar sig för att