Zdjęcia kół Curiosity z głębokimi rozdarciami i wybitymi fragmentami poszycia stały się symbolem tego, jak bezlitosne potrafi być obce środowisko wobec nawet najlepiej zaprojektowanej maszyny.
Nic więc dziwnego, że od lat inżynierowie próbują odpowiedzieć na jedno pozornie proste pytanie: jak zbudować koło, które da się łatwo złożyć na czas lotu, będzie lekkie, nie zużyje się po kilku kilometrach i nie zakopie się przy pierwszej większej przeszkodzie? Odpowiedzi na to szukano w egzotycznych stopach, materiałach z pamięcią kształtu i inspirowanych origami strukturach przestrzennych. Teraz do tej układanki dołączył południowokoreański zespół, proponując rozwiązanie wyglądające jak skrzyżowanie zwijanej miary, samonośnego mostu Leonarda da Vinci i futurystycznej felgi łazika.
Ich bezpowietrzne koło potrafi ponad dwukrotnie zwiększyć średnicę, bo “urosnąć” od około 23 do 50 centymetrów i zachować przy tym sztywność tam, gdzie jest potrzebna i ulegnąć kontrolowanej deformacji tam, gdzie konstrukcja musi się dopasować do terenu. W połączeniu z wysoką odpornością na uszkodzenia daje to coś, czego dotąd brakowało misjom – realną szansę na budowę małych, zwinnych łazików zdolnych dotrzeć tam, gdzie dziś nie mamy żadnego pojazdu, bo choćby na dno księżycowych jam.
Dlaczego koła w kosmosie są aż tak wielkim problemem?
Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że w świecie zaawansowanych napędów jonowych, lądowników autonomicznie wybierających miejsce lądowania i spektrometrów wielkości pudełka po butach, koło jest elementem wręcz banalnym. W praktyce to właśnie ono musi jednocześnie spełniać wiele sprzecznych wymagań. Ma być lekkie, bo każdy gram ładunku kosztuje fortunę, a zarazem tak wytrzymałe, by znosić tysiące cykli obciążenia na podłożu, którego nikt wcześniej na żywo nie badał. Ma być elastyczne, by chłonąć wstrząsy, i sztywne, by zachować przyczepność oraz nie deformować się pod ciężarem całego łazika.
Czytaj też: Nagrali zjawisko, którego specjaliści nie potrafią wytłumaczyć. Teraz utrzymują je w sekrecie
Dodatkowym utrudnieniem są warunki środowiskowe, które na Ziemi niemal nie występują w takim natężeniu. Księżycowy i marsjański pył jest niezwykle ostry, silnie abrazyjny i potrafi klinować się w szczelinach, blokując ruchome elementy zawieszenia. W próżni dochodzi z kolei do zjawiska tzw. zimnego zgrzewania, kiedy to metaliczne powierzchnie mogą się z czasem trwale połączyć, jeśli mają ze sobą zbyt intensywny kontakt. To właśnie dlatego wiele wcześniejszych koncepcji kół o zmiennej średnicy, opartych na zestawach zawiasów i mechanicznych przegubów, okazywało się ryzykownych w kontekście długotrwałej pracy na Księżycu.
W tym świetle pomysł południowokoreańskiego zespołu zyskuje dodatkowy wymiar. Zamiast budować kinematykę złożoną z dziesiątek współpracujących części, badacze zaprojektowali całą strukturę w taki sposób, by zmiana średnicy była efektem naturalnej, ciągłej deformacji łuku złożonego z taśm stalowych. Mniej przegubów oznacza mniej miejsc potencjalnej awarii, a to w realiach misji, gdzie nie ma serwisu ani możliwości wymiany części, bywa argumentem ważniejszym niż sama wydajność.
Sekret konstrukcji. Inspiracja mostem Leonarda da Vinci
Klucz do sukcesu leży w genialnie prostej, a zarazem pomysłowej budowie. Inżynierowie wykorzystali elastyczne paski ze stali węglowej SK5, czyli tego samego materiału, z którego produkuje się zwykłe taśmy miernicze. Ułożyli je jednak w specyficzny, pleciony i spiralny wzór. Działa on na zasadzie podobnej do słynnego, samonośnego mostu zaprojektowanego przez Leonarda da Vinci, gdzie poszczególne elementy wzajemnie się podpierają, równomiernie rozkładając naprężenia.
To fundamentalne odejście od dotychczasowych koncepcji. Zamiast polegać na ruchomych przegubach czy miękkich materiałach, nowe koło opiera się na ciągłej deformacji, napędzanej mechanizmem zwijania. Wykazuje przy tym tak zwane zachowanie anizotropowe. Oznacza to, że do jego zwinięcia na potrzeby transportu lub przechowywania potrzeba minimalnej energii, lecz jednocześnie konstrukcja skutecznie przeciwstawia się deformacjom pod pionowym obciążeniem i doskonale tłumi wstrząsy podczas jazdy.
Czytaj też: Odkrycie, które zmieni komputery kwantowe. Klastry złota osiągnęły 40% polaryzacji spinowej
Prototypowe koło przeszło serię wymagających prób, które miały symulować trudności prawdziwej misji. Bez problemu przetrwało upadek z wysokości przekraczającej cztery metry. Nie zrobił na nim wrażenia także bezpośredni kontakt z ogniem, a podczas jazdy testowej na specjalnym manekinie łazika, w środowisku imitującym grunt księżycowy, pokonało duże przeszkody i wspięło się na nachylenie o kącie 34 stopni.
Nowa technologia a plany księżycowe
Opracowana technologia wydaje się szczególnie obiecująca w kontekście planowanej eksploracji Księżyca. Przyszłe łaziki będą musiały radzić sobie z piaszczystym, bardzo nierównym terenem i docierać do miejsc niedostępnych dla dużych lądowników. Szczególnym celem są tzw. księżycowe jamy, czyli zagłębienia odkryte w 2009 roku. Badania finansowane przez NASA wykazały, że zacienione części tych formacji utrzymują stałą, względnie przyjemną temperaturę około 17°C, co stanowi ewenement w porównaniu z powierzchnią, gdzie wahania sięgają 300 stopni Celsjusza.
Około szesnaście z ponad dwustu znanych zagłębień to prawdopodobnie zapadnięte korytarze lawowe, powstałe miliardy lat temu. Stabilna temperatura panuje tam dzięki nawisom skalnym, które w ciągu dnia ograniczają nagrzewanie, a nocą zapobiegają utracie ciepła. Takie środowisko mogłoby zapewnić naturalną ochronę przed szkodliwym promieniowaniem i mikrometeorytami dla przyszłych baz.
Co dalej z elastycznymi kołami?
Zespół badawczy ma nadzieję, że ich projekt zostanie zintegrowany z przyszłymi systemami łazików. Dużą zaletą jest wspomniana elastyczność materiałowa, bo zamiast stali węglowej SK5 można zastosować stal nierdzewną, wytrzymałe polimery czy inne metale lepiej dostosowane do konkretnych warunków panujących na innych ciałach niebieskich. Jednocześnie technologia ta, choć brzmi niezwykle obiecująco, wciąż pozostaje w fazie prototypu. Jej ewentualne wdrożenie wymagałoby długotrwałych testów w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Niemniej, sama koncepcja oferuje ciekawe możliwości.