Европа, спутник Юпитера, и Энцелад, спутник Сатурна, — два мира, скрывающих под своими ледяными оболочками жидкие океаны. Они, возможно, дадут нам ответ на вопрос о существовании жизни за пределами Земли. Чтобы исследовать спутники, NASA разрабатывает роботизированные системы, способные пробурить лед и добраться до воды.

Одна из них — робот для посадки на Европу, прототип которого уже прошел испытания на леднике Матануска на Аляске. Давайте разберем, как он устроен, какие вызовы стоят перед инженерами и почему этот проект может изменить наше представление о жизни во Вселенной. Поехали!

Почему Европа и Энцелад?

Эти два спутника — главные цели для астробиологов. Они считаются одними из самых перспективных мест поиска жизни в Солнечной системе. Почему?

Под ледяной коркой Европы, толщина которой достигает 10–25 км, скрывается океан, возможно, превосходящий по объему все земные.

Энцелад еще более интригующий: его гейзеры, вырывающиеся через «тигровые полосы», выбрасывают в космос воду, соли и органические молекулы — потенциальные признаки биологической активности.

Миссия Europa Clipper, запущенная в октябре 2024 г., прибудет к Европе в апреле 2030 года. Аппарат несколько раз пролетит мимо нее, собирая данные о составе поверхности и подледного океана. Если Clipper найдет признаки обитаемости, следующим шагом станет посадочный модуль с роботом, способным пробурить лед и искать биосигнатуры — химические или физические следы жизни.

Робот для Европы: инженерный прорыв

Команда Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) под руководством планетолога Кевина Хэнда создала прототип робота, способного действовать в экстремальных условиях Европы. Это комплексная автономная система. Ее сделали устойчивой к радиации, холоду, а еще она умеет работать без связи с Землей.

Робот построен с учетом непредсказуемой поверхности Европы, где лед может быть твердым, как бетон, или рыхлым, как снег. Его конструкция включает адаптивные «конечности», которые обеспечивают устойчивость на любом рельефе. Они автоматически регулируются, чтобы робот мог стоять или перемещаться, если нужно сменить место бурения. Для навигации используется стереокамера с LED-подсветкой. Она работает в паре с алгоритмами компьютерного зрения, схожими с теми, что применяются в марсоходе Perseverance. Камера создает 3D-модель поверхности, позволяя роботу ориентироваться в темноте или при слабом освещении, вызванном расстоянием до Солнца. Алгоритмы анализируют рельеф, избегая трещин и выбирая безопасные зоны для работы.

Сердце системы — манипулятор с семью степенями свободы, что делает его очень маневренным. В каждом суставе установлены датчики давления и крутящего момента — они реагируют на нагрузку и предотвращают повреждение оборудования при бурении твердого льда. «Рука» управляет инструментом ICEPICK — буром, разработанным специально для Европы. ICEPICK проникает в лед на глубину до 20–27 см, извлекая образцы для анализа встроенными спектрометрами и хроматографами, которые ищут органику или другие биосигнатуры. Бур оптимизирован для работы с ледяной поверхностью, она при температурах от -160 °C до -220 °C становится твердой, как бетон.

Энергию робот получает благодаря радиоизотопным термоэлектрическим генераторам (RTG): солнечные панели неэффективны на том удалении, где находится Европа. Корпус защищен алюминиевым экраном толщиной 7,6 мм, который снижает воздействие радиации, достигающей 5,4 Мрад в год. В электронной схеме применяются компоненты, выдерживающие дозы до 150 крад — в 1 000 раз больше безопасного уровня для человека. Для дополнительной защиты критические системы дублированы, а программное обеспечение включает механизмы самовосстановления, чтобы перезапускать сбои без вмешательства с Земли.

Автономность — ключевой аспект, так как связь с Землей доступна менее половины 85-часового дня Европы. У робота два уровня «самостоятельности» — высокий и низкий. Высокоуровневая система планирует задачи, учитывая ограниченный запас энергии, решает, где бурить, и выбирает, какие данные отправить на Землю. Она анализирует образцы и определяет, стоит продолжать работу на текущем месте или искать новое. Низкоуровневая управляет движением руки и бура, оптимизируя энергопотребление и избегая повреждений. Например, если бур встречает твердый участок, датчики сообщают об этом, и робот корректирует давление или угол бурения. Задержка сигнала до Земли (около 45 минут) делает такую автономность жизненно важной.

Разработка началась более 10 лет назад, тогда Europa Clipper была названа приоритетной миссией. Прототип прошел три этапа тестирования: симуляции для отработки алгоритмов, лабораторные тесты в условиях, имитирующих холод и вакуум Европы, и полевые испытания на леднике Матануска на Аляске в июле-августе 2022 года. Там робот был опущен на лед с вертолета, имитирующего посадочный модуль. Тесты проводились на трех участках разной сложности, включая наклонный склон с углом 8–12 градусов. Робот успешно пробурил лед, собрал образцы и выполнил дополнительные задачи, такие как анализ поверхности и выбор новых мест для бурения, доказав свою готовность к реальной миссии.

Проблемы, конечно, тоже есть, ведь работа на Европе — инженерный вызов мирового уровня. Вот главные препятствия:

• Жесткая радиация: магнитосфера Юпитера создает радиацию до 5,4 Мрад в год, которая разрушает электронику. Даже с защитой робот должен работать быстро.

• Отсутствие инфраструктуры: у Европы нет орбитальных спутников для ретрансляции сигналов, а имеющиеся у ученых снимки поверхности имеют разрешение лишь 0,5 м/пиксель для отдельных участков, что усложняет посадку.

• Энергия: солнечные панели неэффективны, а элементы питания ограничивают время работы.

• Экстремальный холод: температуры от -160 °C до -220 °C делают лед твердым, как бетон, усложняя бурение.

• Неизвестный рельеф: поверхность Европы может быть покрыта трещинами, гребнями или рыхлым снегом, что делает посадку и передвижение рискованными.

Другие проекты: Cryobot, BRUIE и EELS

NASA разрабатывает и альтернативные технологии для исследования ледяных миров, включая Энцелад, где радиация менее агрессивна, а гейзеры облегчают доступ к подледной воде.

Криобот плавит лед с помощью тепла, проплавляет себе ход в корке и погружается в подледный океан. Он оснащен радиоизотопными тепловыми генераторами (RTG), которые нагревают корпус, позволяя аппарату проходить через лед толщиной до десятков километров. Cryobot несет спектрометры и другие датчики для анализа подледной воды. Основные инженерные вызовы — обеспечение энергией и стабильная связь через километры льда. Исследовательские группы JPL экспериментируют с оптоволоконными кабелями, которые разматываются за роботом и передают данные на поверхность. Для миссий на Европу или Энцелад аппарат нуждается в доработках — особенно в части защиты системы связи и адаптации к радиации и вакууму внешней среды.

BRUIE (Buoyant Rover for Under-Ice Exploration) — плавучий ровер, который движется по нижней стороне ледяной корки. Благодаря плавучести и шипованным колесам он «прилипает» ко льду, исследуя границу между ним и водой. BRUIE прошел испытания в Антарктиде. Его компактная конструкция позволяет нести камеры и датчики для анализа воды, а энергопотребление минимально за счет использования течений. На Европе BRUIE мог бы работать в связке с cryobot, исследуя океан после проникновения через лед.

EELS (Exobiology Extant Life Surveyor) — змееподобный робот NASA, созданный для исследования труднодоступных участков, таких как трещины и гейзеры Энцелада. Его сегментированное гибкое тело позволяет перемещаться по неровной и ледяной поверхности. Робот оснащен стереокамерами, лидаром и автономными системами навигации. Испытания проводились на леднике Атабаска в Канаде и на склонах в Калифорнии. Разработчики адаптировали алгоритмы, ранее использованные в роботах для Европы, но сам EELS рассчитан на более мягкие условия Энцелада.

Что дальше?

К сожалению, миссия посадочного модуля на Европу исключена из приоритетов NASA на 2023–2032 годы, в том числе из-за экстремальной радиации на спутнике и высокой технической сложности. Тем не менее разработанные для нее технологии могут быть использованы в будущих миссиях к Энцеладу или другим ледяным мирам, таким как Титан. Но остается Europa Clipper, важный этап в поиске внеземной жизни: собранные ею данные помогут определить потенциальные места для посадки.

В целом каждый новый проект, будь то бур ICEPICK, змеевидный EELS или плавучий BRUIE, приближает нас к ответу на вопрос: одиноки ли мы во Вселенной? Так что ждем результатов.