|
Лазеры могут эффективно расплавлять внеземной лед
|
|
|
|
Лазеры полезны не только для развлечения кошек или демонстрации особенностей слайдов PowerPoint. Они также могут сверлить отверстия на ледяных внеземных телах — от комет до полярных шапок Марса - по крайней мере, согласно новой статье, опубликованной в журнале Acta Astronautica исследователями из Технического университета Дрездена, которые описывают новый лазерный бур для использования на ледяных поверхностях по всей нашей Солнечной системе.
|
|
|
|
Проблема, которую пытается решить система, проста — сверление отверстий во льду на других планетах и кометах обычно выполняется с помощью "криобота" — по сути, горячей палочки, предназначенной для расплавления льда при тепловом контакте. У этой системы есть несколько проблем, одной из самых серьезных из которых является потребляемая мощность. Криобот может потреблять киловатты энергии. Радиоизотопный тепловой генератор обычного посадочного модуля может выдавать всего несколько сотен ватт. Установить энергосистему киловаттного уровня где-нибудь в другом месте Солнечной системы чрезвычайно сложно и дорого.
|
|
|
|
Есть и другие проблемы. Чтобы погрузиться по—настоящему глубоко в лед, потребуется более длинная кочерга и, следовательно, больше материала. Хранить все эти материалы сложно, и это также увеличивает общий вес спускаемого аппарата. Даже сама окружающая среда не позволяет использовать этот метод. Поскольку большая часть бурения будет производиться в полном вакууме, лед будет сублимироваться в водяной пар, а не переходить в жидкость, что делает тепловой контакт между криоботом и льдом, который он пытается растопить, в лучшем случае незначительным.
|
|
|
|
|
|
|
Так почему бы вместо этого не обработать лед лазером? Лазеры решают многие проблемы, с которыми сталкиваются криоботы. Они физически малы и могут быть очень маломощными. Они не требуют физического взаимодействия со льдом, так как лазер может быть направлен на любую поверхность. И что еще лучше, сублимированная вода может выплывать из скважины и доставлять захваченные частицы в посадочный модуль для анализа, не увязая в громоздком металлическом зонде.
|
|
|
|
Чтобы подтвердить эту идею, исследователи под руководством Мартина Косагка из Института аэрокосмической инженерии провели тестовый эксперимент в вакуумной камере с инфракрасным лазером длиной волны 1550 нм. Они выбрали эту длину волны, потому что она особенно сильно поглощается льдом, что позволяет передавать больше энергии непосредственно расплавляемому материалу".
|
|
|
|
Они провели эксперименты с тремя различными типами льда, представляющими различные виды льда, которые, как ожидается, будут найдены по всей Солнечной системе. Первым типом был стандартный "чистый" лед, и они смогли достичь скорости сверления примерно 1 метр в час при мощности лазера чуть менее 20 Вт. Все эти измерения глубины проводились с помощью дальномера видимого света, который был установлен на одной линии с лазером.
|
|
|
|
Их следующей целью был "гранулированный" лед — это скорее крупинки льда, чем твердые блоки, которые более типичны для того, что мы ожидали бы найти на замерзших спутниках, таких как Энцелад. В таких условиях лазер работал еще лучше: скорость сверления составляла 1,7 м/ч, а потребляемая мощность - всего 12,7 Вт. Такое повышение скорости, вероятно, связано с меньшей плотностью зерен по сравнению с объемным льдом.
|
|
|
|
Последним, еще более впечатляющим испытанием была серия испытаний с использованием "пылевидного" льда, где "пыль" (т.е. нелетучий материал, такой как камень) составляла 50% или более образца. Поскольку лазер требовался только для сублимации ледяной части образца, и эта сублимация привела бы к принудительному удалению большей части необходимого материала обратно в скважину, система смогла добиться гораздо более быстрых результатов с этим типом образца. При 50%-ном содержании пыли система могла развивать скорость около 3,1 м/ч при мощности около 10 Вт.
|
|
|
|
Это впечатляющая скорость, особенно если учесть, что система может работать постоянно, что относительно быстро приводит к образованию глубоких отверстий. Тем не менее, есть некоторые недостатки и необходимо провести дополнительную работу.
|
|
|
|
Ширина пробуренной скважины составляла всего около 6,15 мм — не очень много места для того, чтобы опустить какой-либо зонд или что-либо еще под поверхность льда. Существует также риск того, что давление на дне глубокой ямы может вырасти настолько, что лед начнет таять, а не сублимироваться, что снизит его эффективность, поскольку, по сути, будет нагреваться талая вода, а не непосредственно лед.
|
|
|
|
Известно, что скважины на Земле "сжимаются" после достижения определенной глубины, и, хотя это остается потенциальной проблемой на других планетах, их более низкая гравитация, вероятно, означает, что они будут оставаться открытыми дольше, чем обычно на Земле. Однако у одного из преимуществ системы — удаления пыли из скважины — есть и обратная сторона. Пыль может покрывать зеркала, используемые для наведения лазера, снижая их эффективность. Для любой полностью масштабируемой системы потребуется метод, позволяющий уменьшить это загрязнение.
|
|
|
|
В конечном счете, это большой шаг в новом направлении для глубокого изучения ледяных тел по всей нашей Солнечной системе. Хотя на самом деле это был всего лишь небольшой шаг — они успешно пробурили всего около 25 сантиметров. В долгосрочной перспективе для исследований ледяных тел в будущем потребуется какая-то скважинная система, и лазер, по-видимому, является весьма приемлемым вариантом, требующим дальнейшего тестирования и доработки. В скором времени лазер, возможно, проплавит себе путь сквозь поверхность одного из самых интересных обитателей Солнечной системы. К сожалению, там, вероятно, не будет кошек, которые могли бы за ним погнаться.
|
|
|
|
Источник
|
