NASA planlægger at sende de første helikoptere til overfladen af Marte inden udgangen af 2028, men den røde planets spinkle atmosfære pålægger flyet alvorlige fysiske begrænsninger. En ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature afslører de udfordringer, som helikoptere vil møde i miljøer med drastisk reduceret atmosfærisk tæthed.
Skyfall-missionen vil bære tre små helikoptere ombord på Reator Espacial-1 Freedom for at udforske mulige menneskelige landingssteder på Mars-overfladen. Projektet repræsenterer en milepæl i planetarisk udforskning, men disse maskiners levedygtighed afhænger af forståelsen af, hvordan fremdrift fungerer under ekstremt anderledes atmosfæriske forhold end Terra.
Como helikopter fremdrift fungerer
Helicópteros er grundlæggende afhængig af et miljø for at bevæge sig. De roterende blade skubber luften omkring dem i den modsatte retning, hvilket skaber løft og fremdrift. Den typiske hastighed opnået af luften omkring knivene når hundreder af meter i sekundet.
Bevarelsen af lineært momentum sætter en kritisk grænse: For at en helikopter kan bevæge sig fremad med en hastighed på 100 meter i sekundet, skal den skubbe en luftmasse, der kan sammenlignes med dens egen masse. Como lufttæthed ved havoverfladen er hundredvis af gange lavere end den gennemsnitlige tæthed af en helikopter, flyet skal behandle en luftmængde mindst hundrede gange større end dens egen kropsvolumen.
Esse-princippet definerer, om et fly kan flyve eller ej i enhver atmosfære. Tættere Atmosferas’er gør fremdriften nemmere, fordi de tilbyder mere masse for knivene at behandle med hver rotation. Sjældent Atmosferas kræver stigende mængder gas for at producere tilsvarende tryk.
De specifikke udfordringer ved Marte
Mars-atmosfæren, der består af 95 % kuldioxid, har en massetæthed svarende til kun 1,6 % af Jordens atmosfære ved havoverfladen. En helikopter i Marte skal behandle et volumen af omgivende gas omkring 60 gange større end i Terra for at opnå sammenlignelig tryk.
Hvis fugle havde udviklet sig ved at indånde CO2 i Mars atmosfære, ville de have brug for vinger, der var cirka 8 gange større end deres terrestriske modstykker for at flyve med samme hastighed. Den lavere Marcina-tyngdekraft, svarende til 38% af Jordens tyngdekraft, ville give en vis aerodynamisk fordel, hvilket letter løft.
Apesar disse forhindringer udviklede NASA teknologi specifik for Mars-operationer. Ingenuity-helikopteren, der blev testet i Marte mellem 2021 og 2024, beviste, at flyvning er mulig selv under sådanne ugunstige vejrforhold. De næste helikoptere på Skyfall-missionen vil inkorporere forbedringer baseret på disse tests.
Atmosferas endnu mere ekstrem tilføjelse til Marte
Cinturão af Kuiper rummer genstande med radikalt svagere atmosfære. Objekt 2002 XV93, opdaget med en diameter på cirka 500 kilometer, har en atmosfære 10 millioner gange mindre tæt end Jordens atmosfære. Essas delikate atmosfære stammer sandsynligvis fra vulkanudbrud eller kometnedslag.
I sådan en sart atmosfære ville en helikopter stå over for den praktiske umulighed at behandle tilstrækkelig luftmasse til fremdrift. Mængden af gas ville være utilstrækkelig, hvilket gør ethvert forsøg på at flyve upraktisk med konventionel teknologi.
Conforme atmosfærisk tæthed falder, størrelsen af bladene skal øges proportionalt. På et kritisk tidspunkt ville strukturer blive fysisk umulige at bygge og vedligeholde under drift.
Den interstellare grænse
Det interstellare rum repræsenterer et virkelig fjendtligt miljø for helikoptere. Den gennemsnitlige tæthed af interstellar gas er 10^21 gange lavere end Jordens atmosfære. En helikopter ville være nødt til at krydse hele Via Láctea’s skive, før den finder nok gasmasse til at fremdrive sin krop med 100 meter i sekundet.
Tal’s rejse ville forbruge mere tid end Universo’s nuværende alder. Intergalaktiske Helicópteros er endnu mere upraktiske, da det intergalaktiske medium har en tæthed en million gange lavere end det interstellare medium. I gennemsnit indeholder Universo en enkelt proton pr. kubikmeter.
Foguetes som et levedygtigt alternativ
Enquanto helikoptere er afhængige af det omgivende miljø for fremdrift, raketter fungerer anderledes. Eles udstøder brændt brændstof gennem udstødningsrør og er ikke afhængig af atmosfæren for at bevæge sig. Et sådant forældet interstellar rum giver en fordel ved, at ingen raket vil blive væsentligt bremset af friktion med mediet.
Foguetes interstellarer kan nå enhver destination i kosmos uden relevant atmosfærisk modstand. Millimetertykke Membranas kan ligesom solsejl krydse hele Via Láctea uden at støde på væsentlig modstand under rejsen.
NASAs Mars-helikoptere repræsenterer derfor et særligt tilfælde: de opererer levedygtigt på Marte, fordi den planet bevarer tilstrækkelig atmosfære. Além fra Marte, de fleste kosmiske miljøer gør fremdrift af bladrotation umulig. Det teknologiske valg til udforskning af det dybe rum er stadig på linje med raketter og sejl, ikke helikoptere.