Nowa koncepcja lasera może zrewolucjonizować sposób, w jaki badamy zamarznięte światy naszego Układu Słonecznego.
Kiedy naukowcy marzą o zbadaniu ukryte oceany pod lodowymi skorupami księżyców takich jak Jowisz Europy lub Saturna Enceladus — lub w innych obszarach lodowych, takich jak stale zacienione kratery na Księżycu lub gleby zawierające lód w pobliżu biegunów Marsa — na przeszkodzie stoi jeden poważny problem: wiercenie w lodzie.
Tradycyjne wiertła i sondy do topienia są ciężkie, złożone i zużywają ogromne ilości energii. Teraz naukowcy z Instytutu Inżynierii Lotniczej na Technische Universität Dresden w Niemczech opracowali nowe, obiecujące rozwiązanie — laserowe wiertło do lodu, które może wiercić głębokie, wąskie kanały w lód przy jednoczesnym zachowaniu niskiego zapotrzebowania na masę i energię.
„Stworzyliśmy wiertło laserowe, które umożliwia głęboki, wąski i energooszczędny dostęp do lodu bez zwiększania masy instrumentu – czego nie mogą osiągnąć wiertarki mechaniczne i sondy topiące” – powiedział Space.com w e-mailu Martin Koßagk, główny autor badania.
Wiertarki mechaniczne stają się coraz cięższe wraz z głębokością, gdy pręty wysuwają się w dół, a sondy topiące opierają się na długich, energochłonnych kablach. Wiertarka laserowa pozwala uniknąć obu problemów, utrzymując wszystkie instrumenty na powierzchni. Technologia ta wysyła skoncentrowaną wiązkę do lodu, która powoduje jego odparowanie, a nie stopienie – jest to proces znany jako sublimacja.
Powstała para ulatnia się w górę przez wąski otwór wiertniczy, wystarczająco szeroki, aby można było pobrać próbki gazu i pyłu. Instrumenty na powierzchni mogą następnie analizować te próbki pod kątem składu chemicznego i gęstości, dostarczając cennych wskazówek na temat właściwości termicznych i historii powstawania badanego ciała kosmicznego.
Chociaż lasery nie są najbardziej energooszczędnymi narzędziami, wiązka odparowuje zaledwie małą dziurkę lodu, co oznacza, że wiertło zużywa znacznie mniej energii całkowitej niż grzejniki elektryczne. Działa również szybciej w warstwach bogatych w pył, co spowalnia tradycyjne sondy do topienia, umożliwiając znacznie głębsze wiercenie bez dodatkowej masy i energii.
Dlatego instrument laserowy „sprawia, że eksploracja podpowierzchniowych księżyców staje się bardziej realistyczna, umożliwiając analizę składu i gęstości lodu w wysokiej rozdzielczości, ulepszając modele transportu ciepła i głębokości oceanów na ciałach takich jak Europa i Enceladus oraz wspierając badania nad tworzeniem się skorupy” – powiedział Koßagk. “NA księżyc Lub Marswiertło laserowe może również wydobywać materiał podpowierzchniowy, taki jak pył, z kraterów lub gleby zawierającej lód, umożliwiając rekonstrukcję geologiczną poza warstwami powierzchniowymi”.
Koncepcja wiertła laserowego opracowana przez zespół działa przy mocy około 150 watów (W), a przewidywana masa wynosi około 9 funtów (4 kilogramy) i pozostaje stała niezależnie od głębokości — 33 stóp (10 metrów) lub 6 mil (10 kilometrów). Jednakże Koßagk zauważył, że spektrometr mas do analizy gazu oraz przyrządy do oddzielania i analizy pyłu zwiększyłyby zapotrzebowanie na moc i masę.
Wczesne testy są obiecujące. Prototyp przewiercił próbki lodu o długości około 20 centymetrów w warunkach próżniowych i kriogenicznych podczas eksperymentów laboratoryjnych oraz na większych głębokościach podczas testów terenowych w Alpach i Australii. Arktycznyosiągając w śniegu głębokość ponad metra. W testach z mocą lasera 20 watów system osiągnął prędkość wiercenia w pobliżu 1 metra na godzinę i do 3 metrów na godzinę w luźnym lub zapylonym lodzie.
Koncepcja oparta na laserze nie jest pozbawiona ograniczeń. W kamieniu lub warstwach pyłu, w których nie ma lodu, który mógłby odparować, proces wiercenia zostałby zatrzymany. W takich przypadkach konieczne byłoby wywiercenie nowego odwiertu z powierzchni omijającej przeszkodę.
„Dlatego ważne jest, aby używać wiertarki laserowej w połączeniu z innymi przyrządami pomiarowymi” – powiedział Koßagk Space.com. „Instrumenty radarowe mogłyby zajrzeć w lód i zlokalizować większe przeszkody, które wiertło laserowe mogłoby następnie przewiercić”.
Wyzwaniem byłyby również szczeliny wypełnione wodą. Podczas wiercenia wiertło laserowe będzie musiało wypompowywać napływającą wodę, zanim będzie mogło kontynuować wiercenie głębiej. Jednak wiercenia w tych obszarach mogą pomóc w określeniu składu chemicznego potencjalnych siedlisk w przeszłości lub teraźniejszości życie mikrobiologiczne. Jeśli bakterie kiedykolwiek istniały, ich pozostałości można by wykryć w próbkach pobranych z wywierconego laserowo odwiertu.
Aby umożliwić tego typu wiertarkę laserową, następnymi krokami będzie miniaturyzacja systemu, opracowanie jednostki oddzielającej pył i ukończenie testów kwalifikacji kosmicznej. Wersja o kompaktowym udźwigu mogłaby pewnego dnia polecieć na pokładzie lądownika do lodowy księżycprzybliżając naukowców do rozszyfrowania tajemnic zamrożonych pod obcą powierzchnią, powiedział Koßagk.
Tymczasem wróć Ziemiato samo narzędzie mogłoby nawet pomóc w przewidywaniu lawiny. Testy terenowe przeprowadzone we współpracy z Austriackim Centrum Badań nad Lasami i Departamentem Zagrożeń Naturalnych w Alpach i Arktyce wykazały, że wiertło laserowe może mierzyć gęstość śniegu bez konieczności kopania dołu, a zamontowane na dronie może zbierać dane z niebezpiecznych zboczy, po których ludzie nie mogą bezpiecznie dotrzeć, powiedział Koßagk.
Czy to na Ziemi, czy w głębokim kosmosie, cel jest ten sam: zajrzeć pod powierzchnię i zrozumieć, co kryje się pod lodem.
Wstępne ustalenia zespołu były następujące opublikowany 8 września w czasopiśmie Acta Astronautica.
