Okazuje się, że cały problem tkwi w podejściu inżynierów do symulowania warunków pozaziemskich. Naukowcy dotąd koncentrowali się na takich parametrach, jak wpływ niższej grawitacji na sam pojazd. Tymczasem wszystko wskazuje na to, że równie istotny jest wpływ niższej grawitacji na właściwości gruntu na powierzchni Księżyca czy Marsa.
Kluczowy błąd w testach kosmicznych
Zespół naukowców z University of Wisconsin-Madison wykrył poważną lukę w metodologiach testowych stosowanych zarówno przez NASA, jak i Chińską Narodową Agencję Kosmiczną. Jak donoszą naukowcy w artykule opublikowanym w periodyku Journal of Field Robotics, agencje od lat mogły błędnie szacować możliwości swoich łazików.
Krótko mówiąc, agencje kosmiczne, w tym NASA i Chińska Narodowa Agencja Kosmiczna, skupiały się na wpływie niższej grawitacji na łazik i zaniedbywały wpływ niższej grawitacji na glebę, pył i piasek innych ciał Układu Słonecznego
Uwięzienie łazika Spirit
Łazik Spirit utknął w miękkim piasku marsjańskim po przebiciu kołami delikatnej skorupy, która utworzyła się na powierzchni. Choć misja zakończyła się niepowodzeniem, unieruchomiony pojazd dokonał ważnych obserwacji, potwierdzając, że jeszcze stosunkowo niedawno woda z topniejącego śniegu wsiąkała w głąb gruntu marsjańskiego.
Analiza wykazała, że względnie nierozpuszczalne minerały występowały blisko powierzchni, podczas gdy bardziej rozpuszczalne siarczany żelazowe przemieściły się w głąb wraz z wodą. To wskazuje na okresową obecność ciekłej wody w marsjańskich cyklach klimatycznych.
Czytaj także: Zobacz wschód Słońca na Marsie oczami łazika. To będą widzieli pierwsi astronauci na Czerwonej Planecie
Dotychczasowe testy polegały głównie na redukcji masy prototypów. Przykładowo, podczas prób łazika Curiosity zmniejszono jego masę z 907 kg do 340 kg, by przetestować go w warunkach marsjańskich. Kłopot w tym, że ziemski grunt ma większą wytrzymałość na ścinanie z powodu silniejszej grawitacji. Może zatem utrzymać większe obciążenia nie ulegając odkształceniom, co prowadzi do zbyt optymistycznych ocen mobilności samego łazika w takim terenie. To dość zaskakujące, że tak fundamentalny czynnik był pomijany przez całe dekady.
Przełom przyniosło wykorzystanie zaawansowanego symulatora fizycznego Project Chrono, stworzonego na University of Wisconsin-Madison. To otwarte oprogramowanie modeluje złożone interakcje między pojazdami a podłożem w różnych warunkach grawitacyjnych.
Szokujące wyniki symulacji VIPER
Podczas prac nad obecnie wstrzymaną misją VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover), zespół odnotował drastyczne różnice. Łazik pokonujący zbocze na Ziemi doświadczał około 42% poślizgu, podczas gdy na Księżycu wartość ta sięgała 85%.
To kluczowa rozbieżność – poślizg powyżej 80% istotnie zwiększa ryzyko ugrzęźnięcia łazika w piasku. Łazik VIPER miał badać złoża lodu wodnego na południowym biegunie Księżyca, wspierając przyszłe załogowe loty w ramach programu Artemis. Okazało się, że grawitacja Ziemi silniej spaja piasek niż grawitacja na Marsie czy Księżycu. U nas podłoże jest bardziej sztywne i stabilne, podczas gdy powierzchnia Księżyca przypomina „puch” łatwo ulegający przemieszczeniom.
Czytaj także: Ludzkość śmieci już nie tylko na Ziemi. Poznaliśmy dane dotyczące Marsa
To zasadniczo zmienia dynamikę ruchu łazików. Mniejsza przyczepność oznacza większe trudności w przemieszczaniu się i wyższe ryzyko utknięcia, co tłumaczy problemy dotychczasowych misji.
Co to oznacza dla przyszłych misji?
Badanie formułuje konkretne zalecenia dla kolejnych projektów. Kluczowe staje się wykorzystanie modeli terramechanicznych opartych na fizyce zamiast tradycyjnych metod empirycznych. Jednym z zaskakujących wniosków było stwierdzenie, że łaziki testowane na Ziemi z pełną masą mogą dostarczać wiarygodnych danych, jeśli wyniki odpowiednio przetłumaczy się na warunki pozaziemskie.
Sugeruje to, że podczas testów nie należało redukować masy łazika, bowiem procedura ta wypaczała wyniki. Lepsze rezultaty osiąga się poprzez testy pojedynczych kół i wykorzystanie zaawansowanych symulacji. To całkiem sensowne podejście, choć wymagające więcej zasobów obliczeniowych.
Era zaawansowanych symulacji
Project Chrono wyznacza nowy kierunek w badaniach terramechanicznych. Wykorzystanie mocy obliczeniowej GPU przyspiesza symulacje, umożliwiając modelowanie skomplikowanych scenariuszy niedostępnych dla tradycyjnych metod. Te efekty dynamiczne – jak odrzucanie gruntu czy proces zagłębiania się kół – są kluczowe dla przyszłych misji wymagających zaawansowanych operacji terenowych, takich jak kopanie czy równanie terenu na Księżycu.
Odkrycie badaczy z Wisconsin może znacząco wpłynąć na przygotowania przyszłych misji kosmicznych. Lepsze zrozumienie fizyki powierzchni innych globów niż Ziemia daje nadzieję na uniknięcie kosztownych niepowodzeń.