https://bodybydarwin.com
Slider Image

Disse sjøfarende robotene vil søke etter livet på tvers av solsystemet

2021

Vi anerkjenner Jorden som den blå planeten, men det er ikke den eneste havverdenen i nabolaget vårt. Hav kan skjules under tykke iskorps på måner som kretser rundt Jupiter, Saturn og Neptune, og på dvergplanetene Pluto og Eris. Saturns måne Titan kan til og med skryte med flytende hav rett på overflaten, selv om de er fulle av metan i stedet for vann.

Hvis noe sted i solsystemet vårt har livstegn, er det sannsynligvis disse frigide verdenene. Forskere er fast bestemt på å utforske de fjerne havene i Titan og Jupiters måne Europa, og utformer is-gripende rover og ubåter for å ta steget ut i deres mystiske dyp. De vil måtte kjempe med bitter kulde, væsker som oppfører seg annerledes enn vannet vi er vant til på Jorden, og andre fiendtlige forhold.

Slik vil disse hardføre robotene utforske to veldig forskjellige typer fremmede hav.

Cruising gassy hav

I løpet av sin oppgave å utforske Saturn og dets måner, oppdaget romfartøyet Cassini hundrevis av små innsjøer på Titans overflate, samt tre hav som tilsvarer De store innsjøer i størrelse og dybde.

Titan har også vannis på overflaten og et vannhav sannsynligvis begravet under skorpen. Men metansjøene er spennende fordi de er en del av en prosess som ligner vannsyklusen vi har her på jorden. Som på vår egen planet fordamper væske på Titan fra havene, danner skyer og regner ned igjen. Forskere vil gjerne finne ut mer om hvordan denne metansyklusen fungerer. Dessuten er det rikelig med Titan; karbon- og nitrogenforbindelser som kan støtte liv. forskere håper å undersøke om en eller annen form for liv kan ha utviklet seg til å være avhengig av flytende metan slik som det jordiske livet er avhengig av vann.

NASA har vurdert å sende en bøye for å drive gjennom Titans hav. En ulempe er at denne kapselen vil være prisgitt vind og strøm. "Det er sannsynlig at en bøye som støter på [kysten] bare ville komme i strand og kan flyttes med tidevannet Ralph Lorenz, en planetforsker ved Johns Hopkins University Applied Physics Lab i Laurel, Maryland, sa i en e-post. Det er ingen garantier for at men det vil gjøre det tilbake til havet.

En ubåt derimot kunne sette sin egen kurs og vil kunne utforske under havoverflaten og prøve sedimenter på havbunnen. NASA håper å kunne sende en ubåt til Titan i løpet av de neste 20 årene. Generatoren — som vil bli drevet av varme fra forfallet av radioaktive materialer som plutonium vil være nøkkelen til å holde ubåtens elektronikk-toasty i Titans hav, som er omtrent -290 grader Fahrenheit.

Å håndtere de kryogene forholdene på Titan trenger nøye prosjektering, men ingen fysiske mirakler, sier Lorenz, som er ubåten s hoveddesigner. Avfallsvarmen fra en radioisotop kraftkilde er en essensiell del av det, sammen med uredelige valg av skumisolering.

En annen utfordring er at vi ikke kjenner den nøyaktige kjemiske sammensetningen av Titan s hav. De er hovedsakelig metan lik med flytende naturgass som finnes på jorden og en mindre mengde flytende etan og oppløst nitrogengass. Men det nøyaktige forholdet som disse ingrediensene vises i, er ikke klart, og kan variere ganske mye mellom Titan s hav. Prosjektet designer derfor en ubåt som kan navigere i en væskevidde hvis tetthet og viskositet ennå ikke er godt etablert.

Ingeniører er spesielt opptatt av nitrogenet i Titan s hav, som kan danne bobler som ville forstyrre ubåten s navigasjon. Dette kan skje når noe av spillvarmen fra fartøyets generator siver ut i miljøet. Den varmen er ikke nok til å koke den omkringliggende væsken, men vi tror det er nok til å forårsake det oppløste nitrogenet som i væsken kommer ut, sier Jason Hartwig, en kryogen fremdrift ingeniør ved NASA s Glenn Research Center i Cleveland.

Propellen selv kan også skape brus når den skiver gjennom væsken. Bak hvert blad er litt tomrom, sier Hartwig. Dette trykkfallet kan gi bobler en mulighet til å danne seg, likt hvordan en brus brus fiser opp når du åpner den.

Alle disse bittesmå boblene kan forårsake to store problemer. For det første kan de komme i veien for ubåten s vitenskapelige utstyr, noe som gjør det vanskeligere å måle dybde og andre forhold. Enda mer bekymringsfullt kan boblene hindre ubåten s propeller fra å fungere ordentlig.

Hvis vi prøver å flytte fra ett sted i sjøen til et annet, vil alle disse boblene samles i bakenden av ubåten? Hartwig sier. Du prøver å snurre propellene og kjøretøyet vil ikke bevege seg, det vil bare sitte og snurre. "

Dette hele brennevannsproblemet er en ikke-faktor for nedsenkbar jord på grunn av at mengden luft som kan bli oppløst i vann er veldig, veldig lav, fortsetter Hartwig. Trykket er høyere på Titan og fordi væsken er kaldere blir mer gass oppløst i væsken, noe som betyr at mer gass kan komme ut.

Siden vi ikke vet den nøyaktige kjemiske sammensetningen av Titan s hav, er det ikke sikkert hvor mye nitrogen de har. For å få en bedre følelse av hva en ubåt kan støte på, har Hartwig og hans kolleger ved Washington State University gjenskapt Titan s hav her på jorden. De fylte et testkammer med forskjellige blandinger av metan, etan og oppløst nitrogen ved temperaturer og trykk lignende de på Titan, og tilførte deretter et lite varmeelement for å etterligne varmen som ville stråle fra en faktisk ubåt.

Den gode nyheten: hvis en ubåt har sluttet å bevege seg for å samle inn prøver, trenger det kanskje ikke å bekymre seg. Det vil sannsynligvis ikke avgi nok varme til å skape mengden svimmelhet som trengs for å stimulere instrumentene, rapporterte teamet i februar i tidsskriftet Fluid Phase Equilibria . Vi har imidlertid fremdeles ikke utelukket propellproblemet som Hartwig sier. Han har til hensikt å gjenta eksperimentet med en propell i stedet for en varmeapparat for å finne ut hvor mye boblende fartøyet kan bli utsatt for når det reiser gjennom Titans hav.

Ubåten vi sender til Titan kunne ha den samme lange, slanke formen som vi er vant til å se på jorden. Denne typen kjøretøy ville veie rundt 2600 pund og være omtrent 20 fot lang, sier Hartwig. Imidlertid må den tilbake til havoverflaten for å kommunisere med Jorden. Det måtte også vente til 2040-årene for å komme, da Jorden vil være høy nok over Titans horisonter til å gi ubåten en direkte siktlinje (og kommunikasjon) tilbake til planeten vår.

NASA vurderer også å sende en mindre, skilpadde-formet ubåt. Denne "Titan Turtle" ville bli parret med en orbiter for å videresende informasjon til Jorden. Den kunne kommunisere mens den var nedsenket og potensielt kunne lanseres noen år tidligere fordi den ikke ville trenge å stole på Jordens posisjon på himmelen.

Titan er unik blant verdenshavene, sier Hartwig. Ingen andre steder i solsystemet er flytende hav så lett å nå. Men en Titan-ubåt kan inspirere design for fremtidige fartøy som vil utforske hav gjemt under isskorpen på andre kropper. "Jeg har alltid sett på Titan som en stifinner, " sier Hartwig.

Under isen

Et av disse mindre tilgjengelige havene finnes på Europa. Mens månens overflate er surret med stråling fra Jupiters magnetfelt og er en dyster -280 grader Fahrenheit, er havet under beskyttet av en ismur som er gjennomsnittlig 15 til 15 mil tykk. Fordi dette havet er laget av vann, er det et spennende sted å se etter livet og studere hvilke kjemiske forhold som kan være nødvendig for at det skal dannes.

For å komme seg gjennom Europas iskalde barrikade, tester forskere roboter som ville smelte eller kutte seg ned mot havet. Disse robotene kunne frakte ubåter, rover for å kjøre langs isens underside, eller til og med landere som ville synke til havbunnen. Når de treffer vannet, vil disse probene sannsynligvis møte svake temperaturer rundt 32 grader Fahrenheit. "Det er faktisk et ganske behagelig miljø for elektronikken vår, sier Andy Klesh, ingeniør ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, California." Det som er litt mer plagsomt, er saltvannet. "

Europas hav kan være så myldrende som eller egne og kan til og med være betydelig saltere, sier Kevin Hand, planetforsker ved Jet Propulsion Laboratory. "Som en ekstra utfordring er det sannsynligvis noe svovelsyre i blandingen, " sier han. Dette betyr at sondens elektronikk vil være i fare for korrosjon. Roboten ville også møte formidable trykk da den våget seg dypere i havet. På havbunnen ville trykket være på samme måte som på bunnen av Mariana-grøften på jorden.

Alt i alt vil en reise til Europas hav bli en ganske tøff tur. "Vi har utfordringene med leting etter dypt rom sammen med utfordringene med utforskning av dyphavet, " sier Klesh. “Vi har et vakuum i verdensrommet; vi har høyt trykk under isen. Og vi har stråling på vei der ute ... vi er beskyttet mot det under isen, men da prøver miljøet å korrodere oss underveis. ”

Det enkleste stedet å besøke vil være undersiden av Europas ishylle, sier han. Klesh, Hand og kollegene deres jobber med en rover som skulle kjøre rundt på bunnen av isen. En rover eller dyphavsonde vil ikke bli buffet av strømmer, som sannsynligvis ville skjedd med en ubåt. "Disse roverne [og] disse landsmennene er kanskje den beste måten å utforske i en veldig kontrollert sak og ikke bli kastet om eller banket inn i andre ting, " sier Klesh. Isens underside er også et spesielt godt sted å søke etter livet. På jorden liker alger og mikrober å forankre seg under isen. Hvis livet eksisterer i Europa, kan det også trekkes mot denne typen terreng.

Klesh og teamet hans er ivrige etter å begynne jakten. De har testet roveren sin - for tiden kjent som BRUIE (Buoyant Rover for Under-Ice Exploration) - i Alaskas frysesjøer. Hjulene har både sirkelsagblader og små paneler som fungerer som truger, og fordeler roverens vekt over isen. Dette forhindrer at BRUIE skjærer seg i isen og setter seg fast på plass.

Versjonen av BRUIE som til slutt vil besøke Europa, vil sannsynligvis bli ført gjennom isen av roboten som er ansvarlig for å grave seg ned til sjøen. Det betyr at den må være ganske liten, sannsynligvis 18 tommer eller mindre i lengde, sier Klesh. Om to uker planlegger han å teste sammenleggbare hjul på BRUIE, noe som vil tillate det å bli mer kompakt og bærbart. Teamet håper også å kunne sende BRUIE på sitt mest ambisiøse oppdrag ennå - en tur nesten 1 000 fot under sjøis uten tier.

Ideelt sett vil en rover på Europa også være untethered. "Vi har hatt en tendens til å ende opp med å skive bindingen minst en gang i løpet av nesten hver tur når vi har vært der ute, " sier Klesh. Men til tross for risikoen for sammenfiltring den representerer, kan det være nødvendig med en ledning for å gi strøm og kommunisere med utstyr på overflaten.

Klesh og teamet hans leter også etter enklere måter å nå havet på. De har brukt nedsenkbare biler for å utforske moulins steep, oversvømte sjakter som dannes inne i breer i Alaska. I fjor sommer reiste roboten deres rundt 160 fot dypt under isen, og klarte å finne forbindelsespunkter mellom forskjellige tunneler. Det er mulig at Europa også har moulins i isskallet som en rover eller nedsenkbar kan bruke for å reise deler av veien ned til vannet.

Det er fortsatt en lang vei å gå før en rover er klar til å gjøre kløften til Jupiter s måner eller utover. Forhåpentligvis, sier Klesh, vil de planlagte oppdragene Europa Clipper og Europa Lander bane vei for en sonde som skal sendes under isen.

I mellomtiden kan roverne som en dag vil utforske Europa lære oss noen få ting om vår egen planet. BRUIE brukes allerede til å omfatte hvordan tining av permafrost frigjør metan i arktiske innsjøer. Og i høst vil den utrulige roveren ta en tre eller fire måneder lang opphold i det kalde vannet.

Det vitenskapelige målet er å forlate roveren under innsjøen, for å se på sesongforandringene når isen dannes og tykner over disse metanrike innsjøene når solen går ned og vinteren blir mørk, sier Hand. Dette kan avsløre hvordan en rover kan bli frossen på plass når isen rundt den tykner. Det er også en sjanse til å lære mer om et miljø som er for straffende for at mennesker kan observere på egen hånd.

Den største havverdenen er rett her på jorden, sier Klesh. Teknikkene vi bruker for å begynne å se på å utforske Europa, vi søker her om å utforske regioner som vi aldri har vært i stand til å besøke før.

53 prosent av en pute med minneskum og andre drømmende avtaler som skjer i dag

53 prosent av en pute med minneskum og andre drømmende avtaler som skjer i dag

Vil sprekker i kne mine gi meg leddgikt?

Vil sprekker i kne mine gi meg leddgikt?

#DoesItFart er det brennende vitenskapsspørsmålet du aldri visste at du hadde

#DoesItFart er det brennende vitenskapsspørsmålet du aldri visste at du hadde