Właśnie opublikowaliśmy 12 odcinek podcastu Coopernicus!
Artykuł - zdjęcie główne
Elastyczna odpowiedź na kosmiczne wyzwania: jak zaprojektować gumę na Marsa?

Słysząc o tym, że człowiek eksploruje Marsa, niejeden z nas na pewno zadaje sobie pytanie, jak to w ogóle możliwe, że wybudowane przez nas urządzenia w tym właśnie momencie jeżdżą po powierzchni innej planety. Zastanawiamy się zapewne, jak można wysłać cokolwiek tak daleko, przy jednoczesnym utrzymaniu łączności? Co zrobić, aby wysłane urządzenie nie uległo awarii? I jak w ogóle działają cuda techniki, które umożliwiły nam badanie odległej planety? Sprawa staje się jeszcze bardziej fascynująca, jeżeli zdamy sobie sprawę, że te wszystkie pytania, które przychodzą nam do głowy to jedynie ułamek kwestii, które trzeba rozważyć udając się w kosmiczną podróż. Mówimy bowiem o wyzwaniu tak skomplikowanym i wieloaspektowym, że każdy, nawet najdrobniejszy szczegół musi być doskonale dopracowany, aby całość mogła sprawnie funkcjonować.

Wie to dr Rafał Anyszka, który razem z innymi naukowcami w ramach projektu RED 4 MARS wziął sobie na cel ustalenie, jaki materiał będzie najlepszy do zastosowania w kołach łazików marsjańskich. [3] Być może brzmi dość specyficznie, ale nie dajmy się zwieść pozorom. Bowiem to zagadnienie tylko z pozoru może wydawać się nazbyt szczegółowe. W przypadku pojazdów jeżdżących po Marsie niebywale istotne jest, aby, no cóż, jeździły. Liczy się tu wiele czynników, pośród których można wymienić zarówno prędkość, do której dostosowane są elementy zbudowane z danego tworzywa, jak i wytrzymałość oraz lekkość materiałów. Jeśli chodzi o pierwszą z tych kwestii, to oczywiście celem naukowców nie jest urządzanie marsjańskich wyścigów, niemniej obecne łaziki, które dziennie przemieszczają się o około 100 metrów, [2] nie poruszają się z przesadnie dużą prędkością. Dla porównania, leniwiec lub żółw morski mógłby przegonić je bez problemu.

Oprócz tego materiały muszą być trwałe, aby mogły radzić sobie z marsjańskim terenem, który z zasady jest raczej trudny. Ostre skały i odłamki czynią pojazd wysoce podatnym na uszkodzenia „podwozia”, co z kolei może znacząco utrudnić dalszą eksplorację. Ponadto sam łazik waży prawie tonę, tak więc koła muszą być wykonane z takich składników, które udźwigną ten ciężar. Jednak materiał nie może być jednocześnie zbyt ciężki, ponieważ na powierzchnię Marsa mogą być dostarczone tylko urządzenia nieprzekraczające określonej wagi [2]. To  nie wszystko, bowiem należy także wziąć pod uwagę specyfikę warunków panujących na Marsie, chociażby takich jak temperatury wahające się od -120 °C do 30 °C czy też, a może przede wszystkim, wysokie promieniowanie kosmiczne, które dociera na powierzchnię Marsa ze względu na brak magnetosfery otaczającej tą planetę. [2] Te wszystkie pokazują, jak skomplikowane jest wysłanie misji na Marsa, a przecież to jedynie część zagadnień związanych z zaledwie jednym z aspektów planowania misji!

Wróćmy jednak do przedmiotu badań dr Rafała Anyszki. Zwraca on uwagę, że dotychczasowe rozwiązania, czyli stosowanie stopów aluminium wykazało istotne ograniczenia, takie jak chociażby podatność na różnego rodzaju deformacje w kontakcie ze skalistym podłożem Marsa. Naukowiec wskazuje, że większe łaziki potrzebują bardziej wytrzymałego materiału, nie mówiąc już o pojazdach używanych przy przyszłej kolonizacji, które dodatkowo będą musiały osiągać większe prędkości. Widząc niedoskonałości dotychczasowych rozwiązań, proponuje on użycie gumowych opon. Nie może być to jednak zwyczajna guma, będzie bowiem wystawiona na ekstremalne warunki i, delikatnie mówiąc, ograniczoną możliwość serwisowania. Przejdźmy więc po kolei wyżej wspomnianą listę wyzwań, którym czoło stawić musi przyszły materiał.

Kwestię prędkości, szczególnie istotną w przypadku pojazdów służących do planowanej kolonizacji, rozwiązuje zastosowanie opon, które dzięki swojej elastyczności zdecydowanie lepiej nadają się do jazdy po trudnym i wyboistym terenie. Wgniecenie, które powstałoby w metalu na skutek trwałego kontaktu z bardzo chropowatym podłożem zwykle może zostać zaabsorbowane przez sprężystość gumy. Pozwala ona również na lepszą amortyzację, która w tym wypadku jest o tyle istotna, że łazik przewozi w sobie delikatną aparaturę.

Kolejną kwestią jest wytrzymałość. Nie może jednak być tu mowy o zwyczajnie rozumianej wytrzymałości, jako że warunki, jakich stosowany będzie materiał zdecydowanie nie należą do zwyczajnych. Każdy elastomer, w tym również guma, posiada temperaturę zeszklenia, czyli w tym wypadku temperaturę, w której materiał traci swoje elastyczne właściwości i staje się kruchy oraz łamliwy. [2,5] Jak wspomniano powyżej, na Marsie występują wahania temperatur przekraczające nawet 150 stopni Celsjusza, których dolne wartości wynoszą nawet -120 stopni, tak więc zastosowany materiał musi być pod tym względem bardzo odporny, tj. mieć niską temperaturę zeszklenia. Warunki te spełniają gumy butadienowe oraz silikonowe. Dr Rafał Anyszka sugeruje, że najefektywniejszym rozwiązaniem byłoby odpowiednie zmieszanie obydwu tych substancji.

Pozostaje jeszcze jedno wyzwanie, które śmiało można określić jako nieziemskie. Otóż Mars, w przeciwieństwie do Ziemi, nie posiada magnetosfery ani warstwy ozonowej, co oznacza, że jego powierzchnia jest o wiele bardziej narażona na promieniowanie kosmiczne. [2,4] Na skutek tego materiał działający na Marsie jest bardzo podatny na takie promieniowanie, które znacząco wpływa na wchodzące w jego skład makrocząsteczki. Z tego względu mogą one stwardnieć lub stać się bardziej miękkie, co w obu przypadkach oznacza utratę pożądanych właściwości materiału.

Wskazano tu dwa możliwe typy rozwiązań. Pierwszym z nich jest dodanie do substancji cząsteczek, które istotnie obniżałyby ilość zachodzących reakcji, co można odlegle porównać z zastosowaniem kremu do opalania z filtrem, choć koniecznie trzeba zaznaczyć, że jest tu jedynie dalekie i głównie obrazowe podobieństwo. Natomiast drugą z opcji jest zastosowanie materiałów, które same mogą odbudowywać swoją strukturę. Brzmi to, nomen omen, nieziemsko i poruszamy się tutaj jeszcze po nie do końca zbadanym obszarze, niemniej niektóre z opracowywanych metod zostały uznane przez naukowca za „obiecujące”. [2] W celu dalszego zgłębienia tej kwestii zapraszamy na stronę projektu na portalu ResearchGate, dostępnej pod linkiem oznaczonym numerem 1.

Jak wspomniano powyżej, wszystkie te kwestie są jedynie drobną częścią wyzwań, przed jakimi stoją naukowcy zajmujący się eksplorowaniem Marsa. Co więcej, wspomniane problemy opisane zostały tu bardzo pobieżnie w porównaniu z ogromem badań, na których opiera się nasza wiedza na temat Marsa. Siłą rzeczy nasuwa się więc pytanie, jak to możliwe, że człowiekowi w ogóle udało się podjąć tak ogromny wysiłek; lub raczej jak niesamowite jest to, że ów wysiłek ma szansę zakończyć się sukcesem?

Bibliografia:

  1. Projekt RED 4 MARS na stronie ResearchGate: https://www.researchgate.net/project/Rubber-Elastomer-Development-for-MArtian-enviRonmental-applicationS-RED-4-MARS
  2. Anyszka,  Blume, Elastometer blends for Mars tires, September 2021 https://www.researchgate.net/publication/354495074_Elastomer_blends_for_Mars_tires
  3. Anyszka, Rubber and Elastomer Development for Martian Environmental Applications (RED 4 MARS) https://www.utwente.nl/en/et/ms3/research-chairs/ete/research/current-projects/red-4-mars/
  4. Nowa Encyklopedia Powszechna PWN, Warszawa 1995, tom 2, str. 221
  5. Nowa Encyklopedia Powszechna PWN, Warszawa 1995, tom 4, str. 28
Dr Rafał Anyszka
Bio:

Dr Rafał Anyszka aktualnie pracuje nad opracowaniem wytrzymałej na Marsie gumy, w ramach projektu RED 4 MARS na łamach Marie Skłodowska-Curie Action. Projekt realizowany jest we współpracy
pomiędzy Uniwersytetem w Twente i Uniwersytetem w Akron.

Dr Rafał Anyszka doktoryzował się w 2014 roku na m.in.
Politechnice Łódzkiej projektując ceramifikowalne kompozyty elastomerowe do systemów ochrony przeciwpożarowej. Następnie zajmował się rozwojem polimerów pochodnych siarki oraz siarkowych betonów.

W 2017 roku rozpoczął projekty Postdoc na Uniwersytecie w Twente projektując molekularne układy rzepowe do łączenia krzemionki z gumą oraz, funkcjonalizowaną powierzchniowo nanokrzemionkę do wysokonapięciowych
polipropylenowych kompozytów izolacyjnych. Jego doświadczenie obejmuje kompozyty gumowe i funkcjonalizację powierzchniową wypełniaczy mineralnych. Jego pasją jest eksploracja kosmosu i projektowanie nowych materiałów do zastosowań pozaziemskich.

Filip Kuczyński-Piech
Redaktor
Bio:

Student prawa na Uniwersytecie Warszawskim. WSPÓŁORGANIZATOR PROJEKTU ACTION DIPLOMACY 2022 ORAZ ACADEMIC POLISH MODEL UNITED NATIONS 2022. Wielokrotny uczestnik konferencji Model UN, finalista konkursu Warsaw Moot Court 2020. Miłośnik literatury i sztuki, zainteresowany także stosunkami międzynarodowymi. W wolnym czasie zajmuje się fotografią analogową.

Napisany przez:

Filip Kuczyński-Piech

Dodaj komentarz