Polska koparka na Księżyc przeszła próbę w warunkach mikrograwitacji

Krajowy prototyp urządzenia górniczego, które w przyszłości ma służyć do pozyskiwania księżycowego regolitu, przeszedł swój pierwszy poważny sprawdzian poza laboratorium. Naukowcy z Centrum Badań Kosmicznych PAN wraz z partnerami zbadali zachowanie maszyny w sztucznym pyle księżycowym podczas lotów parabolicznych organizowanych przez Europejską Agencję Kosmiczną, gdzie na krótko udaje się odtworzyć warunki mikrograwitacji. To istotny krok na drodze do stworzenia lokalnych instalacji wydobywczych przy przyszłych bazach na Księżycu.

Polacy testują koparkę w sztucznej księżycowej grawitacji

Sercem przedsięwzięcia jest specjalistyczna maszyna do zbierania regolitu z powierzchni Księżyca, a nad projektem pracuje konsorcjum łączące kilka polskich instytucji naukowych oraz firmę z branży kosmicznej. Zespół tworzą Centrum Badań Kosmicznych PAN, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie oraz spółka Spacive. Eksperymenty odbyły się w ramach 88. kampanii lotów parabolicznych ESA – podczas tych lotów samolot wykonuje serię charakterystycznych łuków, a na jego pokładzie przez kilkadziesiąt sekund panuje stan zbliżony do nieważkości lub obniżonej grawitacji.

To właściwie jedyna metoda, by już na Ziemi zweryfikować, jak grunt i urządzenia zachowają się w warunkach zbliżonych do księżycowego przyciągania. Na Księżycu grawitacja jest około sześciokrotnie słabsza niż ziemska, co diametralnie zmienia zachowanie materiału sypkiego – inaczej przebiega osypywanie, inaczej dochodzi do klinowania się grudek, a także zmienia się siła potrzebna do zdejmowania kolejnych warstw pyłu.

Do tego dochodzą ograniczenia dotyczące masy i mocy sprzętu, a także skrajne warunki termiczne oraz próżnia. Z tego powodu testy podczas lotu parabolicznego uznaje się za kluczowy etap pośredni, poprzedzający właściwą misję kosmiczną.

Rotary Clamshell Excavator – serce projektu DIGGER

Podstawą polskiego rozwiązania jest urządzenie nazwane Rotary Clamshell Excavator (RCE) – mechaniczny próbnik służący do wycinania i pobierania próbek regolitu, czyli wierzchniej, pylistej warstwy pokrywającej powierzchnię Księżyca. Powstała ona z rozdrobnionych skał, które ulegały rozbiciu pod wpływem uderzeń mikrometeoroidów. W tym materiale obecne są między innymi tlen związany w minerałach, krzem, żelazo, wapń, tytan, glin i magnez – pierwiastki, które w przyszłości mogłyby posłużyć do wytwarzania materiałów budowlanych, paliw oraz tlenu dla załóg.

Zespół badawczy zaznacza, że RCE osiągnął poziom gotowości technologicznej TRL 6, co oznacza, że urządzenie wyszło już poza fazę czysto koncepcyjną. Mamy tu do czynienia z działającym prototypem, który przeszedł testy środowiskowe sprawdzające między innymi jego odporność na drgania towarzyszące startowi, na pył oraz na skrajne temperatury. Wciąż jednak brakowało próby w warunkach zbliżonych do rzeczywistej grawitacji panującej na Księżycu, dlatego zdecydowano się na udział w kampanii ESA i sprawdzenie działania sprzętu w mikrograwitacji.

PETER – miniaturowy poligon dla księżycowego pyłu

By w pełni wykorzystać krótkie chwile mikrograwitacji dostępne podczas lotu parabolicznego, polscy badacze zbudowali dedykowany zestaw eksperymentalny o nazwie PETER (Planetary Excavation Technology vERification system). To rodzaj niewielkiego stanowiska badawczego zamkniętego w szczelnej obudowie, która chroni zarówno urządzenia, jak i załogę samolotu przed rozprzestrzenianiem się pyłu.

System PETER obejmuje: moduł RCE, komorę, w której ostrze przecina warstwę symulowanego regolitu, obrotowy bęben pozwalający zbadać kąt usypu, czyli naturalne nachylenie, przy którym materiał sypki przestaje się osuwać, a także zestaw symulantów regolitu o zróżnicowanych właściwościach. Taka konstrukcja umożliwia naukowcom porównanie, jak zachowuje się księżycowy materiał o różnej granulacji i spoistości oraz jak wpływa to na skuteczność pracy koparki.

Projekt PETER-PFC koncentruje się na kilku istotnych zagadnieniach: ustaleniu podstawowych parametrów geotechnicznych regolitu, ocenie wydajności samego RCE oraz porównaniu wyników uzyskanych w warunkach ziemskiej grawitacji z tymi z warunków księżycowych. Chodzi nie tylko o sprawdzenie jednego urządzenia, ale też o zbudowanie bazy danych niezbędnej do planowania większych operacji wydobywczych na Srebrnym Globie.

ISRU, Artemis i Terrae Novae. Po co nam ta koparka?

Prowadzone badania wpisują się w szerszą koncepcję In Situ Resource Utilisation (ISRU), czyli wykorzystywania lokalnych zasobów bezpośrednio w miejscu prowadzenia misji kosmicznej. Idea polega na tym, by zamiast transportować z Ziemi wszystko – od materiałów konstrukcyjnych po paliwo – możliwie dużo zdobywać na miejscu. W przypadku Księżyca takim zasobem jest właśnie regolit, który można przetworzyć na materiały budowlane, składniki paliw rakietowych lub źródło tlenu.

Nad technologiami ISRU pracują dziś najważniejsze agencje kosmiczne na świecie. NASA rozwija je w ramach programu Artemis, którego celem jest powrót ludzi na Księżyc oraz budowa tam stałej infrastruktury, a ESA realizuje analogiczne cele w ramach inicjatywy Terrae Novae. Polski projekt DIGGER wpisuje się w ten kierunek, dowodząc, że rodzime ośrodki potrafią tworzyć nie tylko instrumenty naukowe, lecz także sprzęt typowo górniczy, niezbędny do funkcjonowania przyszłych baz księżycowych.

Dla polskiej nauki i przemysłu to szansa na wejście w łańcuch dostaw technologii, które za kilka lat mogą stać się standardem w międzynarodowych misjach kosmicznych. Jeżeli prototyp koparki przejdzie pomyślnie kolejne fazy testów, może stać się jednym z elementów rzeczywistych operacji wykorzystania regolitu w ramach przyszłych misji załogowych.

Kampania „wypadła znakomicie”. Dane trafią do otwartej nauki

Podsumowując przebieg kampanii lotów parabolicznych, kierownicy projektu wskazują, że udało się osiągnąć wszystkie kluczowe cele badawcze. W czasie epizodów mikrograwitacji koparka RCE działała w symulowanym regolicie, wykonywano pomiary parametrów geotechnicznych – w tym kąta usypu i cech wytrzymałościowych materiału – a jednocześnie szkolono operatorów obsługujących urządzenie w zmiennych, dynamicznych warunkach lotu. To cenne doświadczenie inżynierskie, operacyjne i organizacyjne, które ma zaowocować podczas kolejnych kampanii.

Bardzo dobrze oceniono również samo przygotowanie zestawu testowego – kluczowe funkcje, od procesu kopania po przywracanie właściwości symulantu przed kolejną próbą, działały zgodnie z założeniami. Zebrane dane w najbliższych miesiącach zostaną poddane szczegółowej analizie, a następnie udostępnione w modelu otwartej nauki. To korzystna wiadomość nie tylko dla polskich zespołów badawczych, ale i dla całej międzynarodowej społeczności dążącej do tego, by Księżyc przestał być wyłącznie celem prestiżowych misji, a stał się miejscem rzeczywistej działalności opartej na lokalnych zasobach.

Źródło: Spider's Web