150 tysięcy dolarów za pomysł, jak uziemić astronautę na Księżycu

Powrót ze spaceru po powierzchni Księżyca może nieść ze sobą ryzyko, o którym trudno pomyśleć na pierwszy rzut oka. Skafander noszony przez astronautę potrafi gromadzić ładunek elektryczny, a jego rozładowanie przy zetknięciu z lądownikiem grozi uszkodzeniem delikatnej elektroniki pokładowej. NASA uznała to zagrożenie za na tyle realne, że wystartowała z konkursem, w którym do wygrania jest 150 tys. dolarów.

Szczególnie niebezpiecznie robi się w rejonach, które nigdy nie widzą światła słonecznego, czyli w stale zacienionych obszarach południowego bieguna Księżyca - właśnie tam mają działać przyszłe ekipy misji Artemis. Według analiz prowadzonych przez agencję, potencjał elektryczny skafandra w takich warunkach może sięgnąć aż -100 tys. V. Celem konkursu jest znalezienie metody bezpiecznego odprowadzenia tego ładunku, zanim dojdzie do kontaktu człowieka ze statkiem.

Powrót do lądownika jako moment krytyczny. Iskra może przeskoczyć w najgorszym momencie

Zjawisko elektryczności statycznej dobrze znamy z codziennego życia - po przejściu po dywanie i dotknięciu metalowej klamki czujemy charakterystyczne ukłucie, będące efektem nagłego wyrównania różnicy potencjałów między ciałami.

Na Księżycu mechanizm działa podobnie, ale konsekwencje mogą być znacznie poważniejsze. Skafander naelektryzowuje się już w trakcie zetknięcia z gruntem, a naładowane cząstki unoszące się w otoczeniu dodatkowo zmieniają jego potencjał. W odróżnieniu od warunków ziemskich, pozbycie się nagromadzonego ładunku na Księżycu jest zadaniem znacznie trudniejszym.

Do najpoważniejszej sytuacji dochodzi w chwili, gdy astronauta podchodzi do lądownika. Pojazd stojący w miejscu nasłonecznionym może mieć delikatnie dodatni potencjał, a skafander osoby wracającej z cienia będzie mocno naładowany ujemnie. Tak duża różnica potencjałów prowadzi do nagłego wyładowania elektrostatycznego, czyli iskry zdolnej uszkodzić elektronikę, naruszyć warstwy ochronne ubrania kosmicznego, a w skrajnym przypadku zagrozić zdrowiu samego astronauty.

Skala zagrożenia w liczbach: do -100 tys. V na skafandrze

Wymagania konkursu Lunar Grounding Challenge dobrze oddają, jak poważnie NASA podchodzi do tematu. Agencja chce uzyskać mechanizm zdolny bezpiecznie rozładować astronautę, którego skafander znalazł się na potencjale -100 tys. V lub niższym, podczas gdy lądownik w tym samym scenariuszu ma potencjał rzędu +100 V.

Sama różnica napięć robi wrażenie, ale nie przesądza jeszcze o śmiertelnym zagrożeniu dla człowieka - decydują o tym także wielkość zgromadzonego ładunku, energia wyładowania oraz natężenie płynącego prądu.

Z tego powodu NASA sprecyzowała również dopuszczalne parametry przyszłego systemu zabezpieczającego. Prąd podczas kontrolowanego rozładowania nie może przekroczyć 1 mA (jednej tysięcznej ampera), a optymalnym celem jest ograniczenie go do 0,2 mA - poziomu poniżej progu wyczuwalnego przez człowieka w założonych warunkach.

Warto podkreślić, że te wartości to nie wyniki rzeczywistych pomiarów na astronautach, lecz założenia projektowe przyjęte z myślą o najbardziej niekorzystnym możliwym scenariuszu.

Najtrudniej tam, gdzie nie dociera światło słoneczne

Księżyc pozbawiony jest gęstej atmosfery, jaką znamy z Ziemi, więc jego powierzchnia bezpośrednio wystawiona jest na promieniowanie słoneczne i naładowane cząstki z przestrzeni kosmicznej. To sprawia, że potencjał elektryczny przedmiotów zmienia się w zależności od stopnia oświetlenia i warunków otoczenia.

Tam, gdzie dociera światło słoneczne, zachodzi emisja fotoelektronów - promieniowanie o odpowiedniej energii wybija elektrony z materiału, zmieniając jego ładunek.

W miejscach pogrążonych w głębokim cieniu ten proces praktycznie nie występuje. Skafander wciąż jednak może pochłaniać elektrony z otaczającej go plazmy, czyli bardzo rozrzedzonego gazu zawierającego naładowane cząstki, przez co jego potencjał staje się coraz bardziej ujemny.

Najbardziej wymagające warunki panują w kraterach w okolicach południowego bieguna Księżyca - niektóre ich fragmenty tkwią w cieniu niemal bez przerwy, a część nigdy nie dostaje bezpośredniego światła słonecznego.

To właśnie te rejony wzbudzają szczególne zainteresowanie naukowców, ponieważ mogą kryć lód wodny przydatny w przyszłości dla załóg stacjonujących na Księżycu. Oznacza to, że astronauci i tak będą zmuszeni wchodzić w obszary niosące największe ryzyko elektrostatyczne.

Księżycowy pył dodatkowo komplikuje sprawę

Kolejnym czynnikiem utrudniającym sytuację jest regolit - warstwa pyłu i drobnych odłamków skalnych pokrywająca powierzchnię Księżyca, powstała w wyniku miliardów lat bombardowania meteoroidami. Jego drobiny mają zwykle ostre, nieregularne kształty.

Pył z łatwością przywiera do skafandrów, narzędzi i sprzętu. Portal Spider's Web opisywał już, jak dużym wyzwaniem będzie usuwanie elektrostatycznego pyłu z przyszłych baz na Księżycu. Problem nie dotyczy jednak wyłącznie zabrudzenia wyposażenia.

NASA zwraca uwagę, że unoszące się drobiny pyłu, a także jego grube warstwy osadzające się na skafandrach, mogą zwiększać dystans, na jaki przeskakuje wyładowanie elektryczne. W praktyce oznacza to, że iskra może pojawić się jeszcze zanim astronauta fizycznie dotknie elementu konstrukcji lądownika.

Ryzyko jest tym poważniejsze w sąsiedztwie podzespołów elektronicznych oraz sprzętu podtrzymującego życie. Wewnątrz skafandra panuje atmosfera bogata w tlen, więc wszelkie potencjalne źródła zapłonu są tam wyjątkowo niepożądane. Pojedyncza iskra nie musi od razu oznaczać pożaru, ale zagrożenie jest na tyle poważne, że musi zostać uwzględnione już na etapie projektowania zabezpieczeń.

150 tys. dolarów nagrody za skuteczne rozwiązanie

Amerykańska agencja kosmiczna ogłosiła konkurs Lunar Grounding Challenge, w ramach którego szuka sposobu na kontrolowane wyrównanie potencjałów elektrycznych między astronautą a lądownikiem. Chodzi o metodę, która pozwoli bezpiecznie usunąć niebezpieczny ładunek bez ryzyka gwałtownego wyładowania iskrowego.

Postawione warunki są bardzo rygorystyczne. Urządzenie ma ważyć poniżej 20 kg, zużywać minimalną ilość energii i pracować prawidłowo mimo gwałtownych wahań temperatury. Musi też wytrzymać do 4 spacerów księżycowych w ciągu 10 dni.

NASA zakłada, że zarówno skafandry, jak i lądowniki zostaną wyposażone w specjalne punkty umożliwiające podłączenie takiego zabezpieczenia. Jeśli potrzebne będzie zasilanie, miałoby ono pochodzić ze statku, przy czym pobierana moc nie może przekroczyć 40 W.

Zgłoszenia do konkursu przyjmowane są do 15 stycznia 2027 r. Łączna pula nagród to 150 tys. dolarów, a całe przedsięwzięcie podzielono na dwa etapy - najpierw uczestnicy prezentują same koncepcje, a następnie maksymalnie pięciu finalistów będzie mogło dopracować swoje projekty na podstawie uwag ekspertów.

Na obecnym etapie NASA nie oczekuje jeszcze działającego prototypu. Priorytetem jest znalezienie koncepcji, które będzie można dalej rozwijać i testować w warunkach zbliżonych do panujących na Księżycu.

Kolejna przeszkoda na drodze programu Artemis

Nowo zidentyfikowane zagrożenie pokazuje, z iloma trudnościami wiąże się planowany powrót ludzi na Księżyc. NASA musi zadbać nie tylko o rakiety i lądowniki, ale też o wyposażenie gwarantujące bezpieczeństwo podczas wielogodzinnych wypraw po powierzchni.

Spider's Web pisał już wcześniej o nowych skafandrach tworzonych przez Axiom Space we współpracy z Pradą, które mają zapewnić większą swobodę ruchu, skuteczniejszą ochronę przed księżycowym pyłem oraz nowocześniejsze systemy podtrzymywania życia. Zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi to kolejny element układanki, który trzeba dopracować w całym systemie.

NASA planuje w ramach programu Artemis ponowne lądowanie ludzi na Księżycu, a region bieguna południowego ma stać się jednym z kluczowych miejsc przyszłych misji. W odróżnieniu od krótkich wypraw programu Apollo, nowe misje mają docelowo pozwolić na coraz dłuższe pobyty astronautów i regularne prace badawcze na powierzchni.

To oznacza więcej spacerów po powierzchni, częstsze operacje przy lądownikach i rosnącą liczbę sytuacji, w których człowiek będzie stykał się z urządzeniami elektrycznymi. Problem gromadzenia ładunków elektrostatycznych może więc mieć ogromne znaczenie dla całej przyszłej infrastruktury księżycowej.