ДТО «ПОЛИТЕХНИКА»
Мобильный аппарат для геологической разведки на Луне
Последние три десятилетия человечество волнует вопрос, получится ли добывать на Луне или на астероидах и доставлять на Землю ресурсы или полезные ископаемые.
Исследованиями в области добычи полезных ископаемых в космосе сейчас активно занимаются учёные как в России, так и в других странах. В целом такие ресурсы можно разделить на две категории. Первая – это ископаемые, которые либо отсутствуют на Земле, либо их объёмы ограничены. Такие соединения можно доставлять с других планет на Землю. Вторая – это ресурсы, которые будут необходимы космонавтам во время колонизации других планет. Именно они представляют наибольший интерес.
Разработка технологий их добычи и хранения на поверхности Луны – это главная задача, которую предстоит решить учёным. Такие исследования уже ведутся, в том числе в России. Только если человечество получит эти технологии, мы сможем начать освоение дальнего космоса. Можно сказать, что Луна – первая ступень к этому.
Кроме того, лунные материалы могли бы способствовать дальнейшему исследованию самой Луны, способствовать научной и экономической деятельности в непосредственной близости как от Земли, так и от Луны.
Луна – это такой же геологический объект, как Земля, Марс и другие планеты. И поэтому, прежде чем начать добычу материалов на Луне, нужно ответить на вопрос: зачем, где добывать и на какой глубине. Это этап тематической геологической съемки и предварительной разведки, который, кроме необходимого комплекса фундаментальных научных данных, должен обеспечить сведения о концентрации, локализации и структуре залегания летучих и других компонентов, представляющих практический интерес для промышленного использования.
Актуальность освоения Луны и, при этом, объективная проблема необходимости разведки ископаемых, представляющих интерес для промышленного использования, определили выбор темы моего проекта «Мобильный аппарат для геологической разведки на Луне».
Для достижения этой цели мне пришлось решать следующие задачи: изучение принципа работы гамма-спектрометров, как самых перспективных приборов для геологической разведки в условиях разреженной атмосферы Луны и Марса, изучение особенностей конструкций ходовой части современных луноходов и марсоходов, определение необходимых источников энергии для работы мобильного аппарата, разработка концептуальной конструкции мобильного аппарата.
Ученые Института космических исследований РАН разработали лабораторный прототип прибора, предназначенного для поиска полезных ископаемых на других планетах. Во время перемещения прибор сможет регистрировать наличие основных породообразующих элементов на глубине от нескольких десятков сантиметров до метра, вести геологоразведку с целью поиска редкоземельных или благородных металлов. Устройство создано при поддержке Российского научного фонда. Его испытания на ускорителе протонов в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) прошли успешно.
Ученые предложили новую концепцию гамма-спектрометра, который можно устанавливать на борту мобильного аппарата для изучения состава вещества Луны, Марса и других небесных тел без атмосферы или с тонкой атмосферой на основе метода меченых заряженных частиц галактических космических лучей. Предложенная методика позволяет практически полностью исключить фон гамма-излучения от мобильного космического аппарата, на борту которого установлен прибор.
Все страны стремятся организовать колонию именно на Южном полюсе Луны. Чем хорош Южный полюс? С одной стороны, там есть вечно затемненные кратеры с запасами водяного льда. С другой — эти области постоянно освещаются Солнцем, то есть там можно разместить солнечные энергетические станции. Но Южный полюс Луны — это топографически сложный регион, характеризующийся наличием кратеров, постоянно затененных областей и пересеченной местностью. Эта местность может оказаться проблематичной для исследовательских экипажей, выполняющих выходы в области, расположенные вдали от посадочных площадок и жилых модулей. Значит, луноход (марсоход) должен обладать хорошей проходимостью на такой пересеченной местности.
Пока что все успешные луноходы и марсоходы были колёсными: советские «Луноход-1» и «Луноход-2», китайские «Нефритовые зайцы» и «Чжужун», а также целая плеяда марсоходов NASA от «Соджорнера» до «Персеверанса».
Колёсная техника хороша на бездорожье, но даже её возможности не безграничны. Можно предположить, что у гусеничного планетохода проходимость была бы лучше. Но у любой гусеничной техники есть одно неприятное свойство — гусеничная лента может соскочить с катков или просто порваться, из-за чего дорогостоящий аппарат намертво встанет в миллионах километрах от Земли, а помочь ему надеть гусеницу астронавтам в скафандрах будет тяжело. Поэтому от гусеничного шасси отказались еще в период создания первого лунохода, поскольку оно тяжелое и конструктивно сложнее колеса.
Итак, опыт существующих луноходов однозначно указывает, что луноход должен быть колесным. Но какова должна быть его конструкция, количество колес, система поворота и т.п.?
Мы нашли в средствах массовой информации интересный пример конструкции ходовой части лунохода, удовлетворяющий требованиям работы в условиях Луны и Марса. Это луноход создан командой инженеров из Германии Part-Time Scientists при поддержке компании Audi и ряда учёных и компаний из различных стран в 2015 году.
Правда, он так и не полетел на Луну, и его вес всего 35 кг. А разрабатываемая мною машина будет тяжелой. Но более важным для миссии является способность аппарата преодолевать неровную поверхность Луны. Интересная конструкция ходовой части этого лунохода может быть применена и в тяжелом луноходе для геологических исследований на Луне и на Марсе.
Луноход оснащен четырьмя электрическими мотор-колесами. Подвеска на перечных рычагах и система поворота каждого колеса на 360 градусов и обеспечивают хорошую проходимость.
В качестве источника энергии в светлое время могут служить солнечные панели, желательно, чтобы их площадь была не менее 2 кв. метров. А во время лунной ночи – радиоизотопный генератор, который позволит нашему луноходу работать более 10 лет.
Для поиска необходимых элементов луноход должен быть оснащен гамма-детектором для определения состава вещества, совмещённый с детектором частиц космических лучей.
Но этот прибор, предложенный для установки на российском роботе-геологе, может определять элементный состав поверхности только в полосе шириной около 30 сантиметров вдоль своего движения. Это узкая полоса. А совершить несколько проходов планируемой длиной 500 км луноходод-геолог не сможет.
Мои инновации. Для расширения полосы исследования более, чем в 3 раза я предлагаю установить необходимый комплекс гамма-детекторов на вращающуюся крышку барабана, диаметром около 1 метра. Тогда гамма-лучи лучи будут достаточно плотно спиралеобразно «прочесывать» поверхность по ходу движения лунохода в полосе шириной около 1 метра. Если весовые характеристики лунохода и финансовые возможности позволят, то на барабан можно будет установить два комплекта гамма-детекторов. Возможно, что это позволит увеличить статистические данные и можно будет обойтись без остановок лунохода. А это в свою очередь увечит длину трассы лунохода.
Функциональные возможности модели
1. Движение модели вперед и назад с помощью электроприводов.
2. Поворот модели влево и вправо с помощью электроприводов.
3. Вращение с помощью электроприводов крышки барабана вместе с установленными лазерными указками, лучи которых при включении имитируют гамма-лучи.
4. Подъем и опускание правой и левой солнечной панелей с помощью электроприводов.
5. Поворот в любую сторону антенны и панорамной видеокамеры с помощью электроприводов.
Модель выполнена из картона толщиной 1 мм, некоторые детали – в несколько слоев. Окрашена акриловыми красками. Модель имеет пульт управления.