Люди уже тысячелетиями копают под землёй — по всей Земле. Именно там мы добываем некоторые из наших самых ценных ресурсов, которые двигают общество вперёд. Например, не было бы бронзового века без олова и меди, которые в основном находятся под землёй. Но раскопки под поверхностью небесных тел вести гораздо труднее. Эту ситуацию нужно изменить, если мы надеемся использовать потенциальные ресурсы, доступные под поверхностью планет. В работе Дариуша Кнеза и Митры Калилидермани из Краковского университета рассматривается вопрос о том, почему так трудно бурить в космосе — и что мы можем с этим сделать.
В статье авторы подробно описывают две основные категории трудностей при бурении в открытом космосе — проблемы со средой и технологические трудности. Давайте сначала разберёмся с проблемами первого типа.
Одно из очевидных различий между Землёй и большинством других скалистых тел, в которых мы потенциально могли бы просверлить отверстия, — это отсутствие атмосферы. Есть некоторые исключения — например, Венера и Титан, но даже на Марсе есть атмосфера.
Если вы когда-нибудь пытались просверлить отверстие в металле, то наверняка использовали охлаждающую жидкость. В противном случае велика вероятность того, что либо сверло, либо заготовка нагреются и деформируются до такой степени, что вы больше не сможете сверлить. Чтобы решить эту проблему, большинство специалистов просто распыляют немного смазки в просверлённое отверстие и продолжают сверлить. Более масштабную версию этого процесса используют строительные компании, когда бурят землю, особенно коренные породы — они используют жидкости для охлаждения.
На небесном теле без атмосферы это невозможно. По крайней мере, при использовании традиционных технологий бурения. Любая жидкость в условиях отсутствия атмосферы немедленно сублимируется, практически не оказывая охлаждающего воздействия на рабочую зону. А учитывая, что многие операции по бурению выполняются автономно, сам бур — обычно прикреплённый к марсоходу или посадочной платформе — должен знать, когда следует свернуть процесс бурения, пока коронки не расплавились. Это дополнительный уровень сложности, который пока не нашёл решения во многих разработках.
Аналогичная проблема с жидкостью ограничила внедрение повсеместно используемой на Земле технологии бурения — гидравлики. Экстремальные перепады температур, подобные тем, что наблюдаются на Луне во время цикла день/ночь, делают крайне сложным обеспечение гидравлической системы жидкостью, которая не замерзала бы в холодные ночи и не испарялась в палящие дни. Поэтому гидравлические системы, используемые почти во всех крупных буровых установках на Земле, крайне ограничены при использовании в космосе.
Smarter Every Day подробно рассматривает бур, используемый на Марсе.
Могут возникнуть и другие проблемы, такие как абразивный или цепкий реголит, например, отсутствие магнитного поля при ориентации бура. В конечном счёте, эти проблемы окружающей среды можно преодолеть с помощью того же, что люди всегда используют для их решения, независимо от того, на каком планетарном теле они находятся, — технологии.
Однако и для бурения за пределами планеты существует множество технологических проблем. Самая очевидная из них — ограничение по весу, что крайне важно для работы в космосе. Большие буровые установки используют тяжёлые материалы, такие как стальные оболочки, для поддержки пробурённых скважин, но их запуск будут непомерно дорогим при использовании имеющихся у нас технологий.
Кроме того, размер самой буровой системы является ограничивающим фактором для силы бурения — как говорится в статье, "максимальное усилие, передаваемое на сверло, не может превышать вес всей буровой системы". Эта проблема усугубляется тем, что типичные буры для марсоходов выдвигаются на роботизированной руке, а не размещаются непосредственно под ней, где можно было бы приложить максимальный вес. Это ограничение силы также ограничивает тип материала, через который может пройти бур — например, ему будет сложно пробурить какой-нибудь значительный валун. Хотя перепроектирование роверов с учётом расположения бура могло бы быть полезным, здесь снова вступает в игру ограничение веса запуска.
Curiosity использует уникальную технику бурения, о которой рассказывается в этом видеоролике JPL.
Ещё одна технологическая проблема — недостаток энергии. Большинство крупных буровых установок на Земле работают от двигателей, работающих на углеводородном топливе. За пределами Земли это невозможно, поэтому система должна питаться от солнечных батарей и аккумуляторов, которые они обеспечивают. Эти системы также страдают от той же тирании ракетного уравнения, поэтому они обычно имеют относительно ограниченные размеры, что не позволяет буровым системам использовать некоторые преимущества полностью электрических систем по сравнению с углеводородными — например, более высокий крутящий момент.
С какими бы трудностями ни столкнулись эти буровые системы, они будут жизненно важны для успеха любой будущей программы исследований, в том числе с экипажем. Если мы когда-нибудь захотим создать на Луне пещерные города из лавы или пробиться сквозь ледяной щит Энцелада к океану внутри него, нам понадобятся более совершённые технологии и методы бурения. К счастью, в настоящее время ведётся множество разработок, направленных на их создание.
В статье подробно описаны четыре различные категории конструкций буров:
Поверхностные буры — глубина менее 10 см.
Буры малой глубины — глубина менее 1 м.
Буры средней глубины — глубина от 1 до 10 м
Буры большой глубины — глубина более 10 м.
Для каждой категории в статье приводится несколько проектов на разных стадиях завершённости. Многие из них содержат новые идеи относительно того, как проводить бурение, например, использование червячной передачи или ультразвука.
Но пока бурение за пределами планеты, особенно на астероидах и кометах, которые имеют свои собственные гравитационные проблемы, остаётся трудной, но необходимой задачей. По мере того как человечество будет набираться опыта, мы, несомненно, станем делать это лучше. Учитывая, насколько важен этот процесс для грандиозных планов исследователей космоса, время, когда мы сможем эффективно бурить любое скалистое или ледяное тело в Солнечной системе, наступит ещё не скоро.
Комментарии (22)
darum12
10.04.2024 08:46+2Любая жидкость в условиях отсутствия атмосферы немедленно сублимируется, практически не оказывая охлаждающего воздействия на рабочую зону.
Сублимация это же вроде переход из твёрдой фазы в газообразную, минуя жидкую.
jar_ohty
10.04.2024 08:46Автор имел в виду переход жидкости в пар и твердую фазу, если давление ниже тройной точки. Но если мы имеем дело не с водой, а с жидостью с низким давлением пара (много таких жидкостей используется в вакуумной технике -- насосах, затворах, для работающих в вакууме гидродинамических подшипников, для передачи вращения внутрь вакуума, и т.п.), даже если мы уйдем ниже тройной точки, этот процесс окажется очень медленным и скорее всего, неосуществимым.
A_Green
10.04.2024 08:46+1Глядя на Curiosity не покидает ощущение, что вот эти сломавшиеся упоры в первую очередь были нужны чтобы выдёргивать бур из грунта. Сам бур сильно напоминает перовое сверло по дереву - и если таким пером глубоко засверливаться, обратно лёгким движением оно не извлекается. Непонятная схема аппарата: длинная трубка из которой выглядывает бур - защита от пыли?
Странно выглядит и способ бурения (сверления): мы на земле, для бурения камнеподобных структур, применяем спиральное тело бура для отвода продуктов бурения из отверстия.
Ну и у Curiosity проблем с весом, чтобы прижать инструмент, быть не должно.
shteyner
10.04.2024 08:46Ну, варианты уже есть - лазерный и плазменный буры. Для мест где нет атмосферы больше подойдёт лазерный, который будет банально испарять породу.
А остальное решит старшип, уменьшив стоимость вывода и дав возможность запускать аппараты заметно большей массы.
Kahelman
10.04.2024 08:46А накачек лазера чем будем делать?
Энергии нет на месте в достаточном количестве.
Но есть вариант: два солдата из стройбата заменяют экскаватор :)
Кстати, туннели часто не бурят а делают с помощью взрыва.
А «кило тротила» легче привезти чем кило. Солярки и кпд будет больше.
Но что делать если ракета при запуске аварию потерпит. …
shteyner
10.04.2024 08:46Сейчас даже в гаражных мастерских можно встретить полупроводниковый лазер для удаления ржавчины с метала. Да, довольно дорогой, но доступный. Так что по аналогии. Запасать энергию в аккумуляторах и установка за пару месяцев пробурит сколько-то метров, спешить то некуда, что бы еще и охлаждать всё успевало + копило местный воздух для пневматики, которая будет удалять материал.
Для того что бы было больше энергии делаем аппарат побольше, всё же вывод аппаратов становится дешевле, а как только старшип полетит, к тому же Марсу можно будет тонн 40 запустить в один заход.
Скафандр для Луны по массе 100кг, для марса +- столько же т.е 40кг веса будет в нём, в таком будет очень не удобно копать + к людям туда придется к их 100кг вести еще 20-30 тонн жизнеобеспечения и запасов.
Sarjin
10.04.2024 08:46так испаряя камень Вы явно ничего из этого не найдете
Determine the nature and inventory of organic carbon compounds
Investigate the chemical building blocks of life (carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, phosphorus, and sulfur)
Identify features that may represent the effects of biological processes (biosignatures and biomolecules)
jar_ohty
10.04.2024 08:46+1Он отнюдь не полупроводниковый, а твердотельный с ПП накачкой. И он выдает в луч сотни ватт в среднем (в импульсе -- на много порядков больше), потребляя при этом киловатт 6. При этом -- бурить он не может. Даже сварочный лазер киловатта на три (25 кВт потребления плюс водяное охлаждение) разве что на десяток сантиметров в скальную мишень забурится, дальше проблемы начнутся. Ну и бурение -- это вообще-то не самоцель, у нас задача не нефть добывать. Нужен керн, причем, по возможности, максимально нетронутый, а его можно получить только механическим путем.
shteyner
10.04.2024 08:46Действительно, как оказалось самый мощный полупроводниковый лазер 50ватт и то лабораторный. Мне почему-то казалось что удешевление как раз с этим связано, не разбирался.
Бурение - не самоцель, но нам нужен керн не с поверхности, а из недр, на Земле жизнь находили на глубине в 5км, так что копать на том же Марсе до глубины в десятки метров может быть очень даже интересно. + при испарении мы можем получать химический состав испаряемого грунта.
shaseer
10.04.2024 08:46пещерные города из лавы
в оригинале это lava cave cities, города в лавовых пещерах
ChilliPer45
10.04.2024 08:46Для меня вообще любые манипуляции вне нашей планеты - что-то из области фантастики, не понимаю как все это возможно при совершенно других условиях, ведь все, что мы знаем и имеем было создано исходя из нашего давления, силы гравитации и тд.
Zenitchik
10.04.2024 08:46Ага. А всё, что внутри нас самих создано в условиях гидростатического равновесия и избытка морской воды вокруг. Но это не помешало нашим предкам выйти на сушу.
alexhott
10.04.2024 08:46+2Думал что-то интересное будет со случаями из практики, а тут реферат третьеклассника по природоведению.
Во первых речь не про бурение в "открытом космосе" а про бурение на других планетах и объектах солнечной системы - сильно большая разница. тут тебе и гравитация как никак и где-то атмосфера(ну астероиды с гравитацией и атмосферой отстают).А в принципах ничего там сложного и особо отличающего нет, можно той же установкой с гидробурением даже обычной водой прекрасно забуриться, вода в бур подается под давлением в десятки атмосфер (а то до сотни) и кипеть начнет только в скважине - а там и на руку - будет прекрасно удалять породу из ствола(есть и пневмобурение, тоже отработанная технология).
Охлаждать вода при этом будет на порядок лучше. (даже если испарять внутри бура, то охлаждение будет прекрасным "Сублимируясь" вода не телепортируется в соседнее измерение, а прекрасно в другом виде продолжает существовать). Тут даже скорее подогревать воду придется чтобы где-то внутри в лед не превратилась.
По твердости породы на других телах сопоставимы с теми, что уже научились прекрасно бурить на земле.
Проблема одна - ВЕС.
Javian
Написать столько текста и не ответить на тему заголовка "Почему на других планетах так сложно бурить" - "Потому что!".
jar_ohty
Правда? По-моему, основные причины описаны:
Отсутствие возможности использовать охлаждающую жидкость (указанная причина этого спорна: можно использовать высококипящие с низким давлением пара, типа вакуумного масла или диоктилсебацината, скорее проблема в том, что ее надо привезти "на себе", а еще, как правило, хочется добыть интактные образцы без земных примесей)
Нехватка нагрузки на бур (сам аппарат легкий, так еще и гравитация чаще всего хиленькая)
Нехватка энергии.
katok535
про охлаждающую жидкость тоже искренне не понял. Именно скважину кажется несложным грубо загерметизировать при бурении, чтобы жидкость оставалась жидкостью достаточное время для отвода тепла. Где её брать, как охлаждать – это уже другой вопрос.
Nick0las
Жидкость нужно привезти с собой, зерметизировать ствол чтобы она не утекала, и фильтровать. Я подозреваю что варианты есть но машина для бурения получается очень ненадежной, да еще и с гермитизацией скважины проблемы. Вдруг через трещину вся жидкость уйдет, что тогда делать? Поэтому конструктора решили бурить насухую. Хотя возможно для облегчения процесса есть смысл подавать жидкость даже не переиспользуя ее, примерно как при сверлении стали можно подливать масло в отверстие. Но еще всегда остается вопрос что остатки жидкости будут загрязнять образцы.
Javian
Отсутствие воды не мешало бурить на Луне:
jar_ohty
Сравните с километрами на Земле.
Javian
Километры на Земле бурят после геологоразведки и очень сомнительно что на Луне есть природный газ и нефть. А геологоразведка - это тысячи неглубоких скважин для взятия кернов, сейсморазведочных работ.