Ученые хотят отправить робота, вдохновленного жуками-таблетками, для исследования крупнейших туннелей Солнечной системы. Робот, получивший название «неваляшка», будет нести тысячи маленьких дронов в форме одуванчиков, которые будут рассредоточены внутри марсианских пещер, чтобы составить карту их размеров. Идея исходит от Мостафы Хассаналиана, доцента Технологического университета Нью-Мексико, который разрабатывает технологии, основанные на биомиметике, концепции, согласно которой робототехника должна копировать решения, которыми уже владеет природа.
Лавовые трубы на Марсе огромны. Исследователи уже выявили системы туннелей длиной более 1200 километров, чего достаточно, чтобы покрыть в три раза длину континентальной части Соединенных Штатов. Некоторые из этих туннелей достигают ширины более 800 футов, что в восемь раз больше, чем вулканические пещеры северо-восточной Калифорнии на Земле. Но чем больше система туннелей, тем труднее ее исследовать с помощью современных технологий.
Ограничения марсианских марсоходов
Марсоходы Curiosity и Perseverance произвели революцию в исследовании Марса, но они достигли предела, когда дело дошло до входа в лавовые трубы. Хасаналян объясняет, что марсоходы размером со школьный автобус, что не позволяет им заходить во многие пещеры. Марсианская атмосфера также представляет собой экстремальную проблему. Скорость ветра может достигать 97 километров в час, на протяжении многих лет отрывая куски марсоходов.
Традиционные попытки разведки сталкиваются с непреодолимыми препятствиями. Гигантский марсоход не может перемещаться внутри узкого туннеля. Традиционные датчики не работают в условиях отсутствия солнечного света. Космической инженерии требовался совершенно иной подход, копирующий величайший секрет природы: легкость и эффективность в микроскопическом масштабе.
Как работает неваляшка-робот
Концепция начинается с реализации робота на основе жука-таблетки, который при угрозе сворачивается в клубок. Этот неваляшка-робот будет оснащен парашютом и будет запускаться через отверстие в потолке пещеры. Спустившись на пол пещеры, робот выпускал внутри себя тысячи маленьких биомиметических дронов, «дронов-одуванчиков».
Дроны-одуванчики созданы для того, чтобы приводить в движение сильные марсианские ветры. Они путешествовали по туннелям на многие мили, создавая карту всей системы и передавая данные по радиосигналам. Показания будут включать влажность, температуру и в конечном итоге создадут полную карту сети туннелей.
Хасаналян и его команда поняли, что натуральные семена одуванчика белые, потому что они отражают больше солнечного света, оставаясь прохладнее и светлее. Дроны будут окрашены в белый цвет по той же причине, чтобы путешествовать дальше. Биомимикрия лучше всего работает в микроскопическом масштабе, как признает сам Хасаналян: неудивительно, что самолеты не машут крыльями.
Технические проблемы до сих пор не решены
Одной из самых больших проблем является обеспечение достаточного количества ветра для зарядки дронов. Никакие искусственные объекты не проникли в марсианскую лавовую трубу, поэтому ученые не знают точно, какая скорость ветра будет внутри пещер. Исследователи полагают, что отверстия в потолке пещер естественным образом вентилируют туннели, создавая сильные ветры. В качестве меры предосторожности робот также оснащен мощным вентилятором.
Еще одним препятствием является отсутствие солнечного света. Солнечные панели, наиболее распространенный источник энергии для космических кораблей, не работают в полной темноте. Хасаналян решил эту проблему, сконструировав дроны, работающие на пьезоэлектричестве, генерируемом из гибкого полимера, который создает электрический заряд посредством механической деформации.
Дроны также должны непрерывно передавать данные во время полета. Радиопередача работает на Марсе, но для такого маленького устройства требуется достаточно мощности. Команда работает над оптимизацией систем связи без ущерба для веса дронов.
Глобальная гонка за исследование вулканических трубок
Хасаналян — не единственный учёный, преследующий эту границу. Группа европейских исследователей во главе с Лабораторией космической робототехники Университета Малаги в 2023 году начала серию испытаний лавовых трубок, найденных на острове Лансароте в Испании. Целью этих испытаний является картирование туннельных систем в рамках подготовки к возможной будущей миссии на Марс.
НАСА также продемонстрировало возможности воздушных исследований. Вертолет Ingenuity совершил 72 полета над поверхностью Марса, доказав потенциал дронов во внеземных средах. Однако Ingenuity был спроектирован для полетов на открытом воздухе, и у него никогда не было возможности исследовать лавовые трубы до его выхода из строя в 2024 году.
Планы дронов, разработанные НАСА, указывают на особый интерес к Арсии Монс, щитовому вулкану в районе Тарсис на Марсе. В этом регионе расположены крупнейшие вулканы Солнечной системы, в том числе гора Олимп — почти в три раза выше Эвереста. Гора Арсия особенно многообещающа, потому что в местах обрушения вулканической крыши видны дыры, образующие окна в обширную систему туннелей.
Почему марсианские лавовые трубы так важны
Термические показания вулканических отверстий показали, что температура внутри туннелей меняется не так резко, как на поверхности. Это вселяет надежду, что люди однажды смогут жить внутри этих пещер. Существует также предположение, что жизнь, обитающая на Марсе, могла выжить в этой защищенной среде.
Одна только область Тарсиса по размерам равна карликовой планете Церере. Когда образовался этот горб, он увеличил массу настолько, что, как полагают, Марс наклонился примерно на 20 градусов. Точная причина обсуждается учеными, но теории включают в себя массивное столкновение в начале марсианской истории или нестабильные мантийные шлейфы.
НАСА также изучает возможные пещеры на Луне Титане, крупнейшем спутнике Сатурна, выбрав космический корабль Джона Хопкинса «Стрекоза» для исследования его поверхности. Хотя пилотируемое исследование Марса не ожидается раньше начала 2030-х годов, разведывательные дроны могут иметь жизненно важное значение для долгосрочного выживания человечества на планете.
Следующие этапы исследования
Команда Хассаналяна в настоящее время находится на этапе проектирования и предварительных испытаний. Инженеры работают над усовершенствованием системы расселения дронов-одуванчиков, оптимизацией срока службы батарей и улучшением датчиков сбора данных. Испытания земных вулканических трубок продолжают предоставлять ценные данные.
Конкретные сроки запуска этой миссии пока не установлены. Однако сближение интересов нескольких космических агентств (НАСА, ЕКА (Европейское космическое агентство) и исследовательских университетов) указывает на то, что исследование марсианских лавовых труб перейдет от теоретической концепции к практической реальности менее чем за десять лет.
Дроны-одуванчики представляют собой сдвиг парадигмы в освоении космоса. Вместо того, чтобы выпускать все более крупные и сложные машины, ученые движутся в противоположном направлении: меньшие и более простые машины, вдохновленные природой. Такой подход не только решает практические проблемы исследования лавовых трубок, но и открывает возможности для исследования агрессивной среды по всей Солнечной системе.