13.07.2022. - Рой плавающих роботов будет искать жизнь подо льдом Европы

Рой плавающих роботов будет искать жизнь подо льдом Европы

Когда Галилей направил свой телескоп на Юпитер 400 лет назад, он увидел три светящихся пятна вокруг гигантской планеты, которые он сначала принял за неподвижные звезды. Он продолжал смотреть и, в конце концов, заметил четвертую каплю и заметил, что капли движутся. Открытие Галилеем объектов, вращающихся не вокруг Земли, — которые мы называем галилеевыми спутниками в его честь — нанесло удар по птолемеевскому (геоцентрическому) мировоззрению того времени. Галилей не мог предвидеть эпоху освоения космоса, в которой мы живем сейчас. Перенесемся на 400 лет вперед, и вот мы здесь. Мы знаем, что Земля не занимает никакой центральной точки. Мы открыли тысячи других планет, и у многих из них будут свои спутники. Галилей был бы поражен этим. Что он подумает о роботизированных миссиях по исследованию одного из пятен света, которые он заметил?

Спутник Юпитера Европа — самая привлекательная цель в поисках жизни в нашей Солнечной системе. Европа покрыта ледяной оболочкой толщиной от 15 до 25 километров (от 9 до 15 миль). Подо льдом находится океан толщиной от 75 до 85 километров (от 46 до 53 миль). Это означает, что на этой луне, самой маленькой из четырех галилеевых лун, может быть в три раза больше воды, чем на Земле. Вода теплая и соленая, а это значит, что на Европе может быть простая жизнь. НАСА отправляет долгожданный Europa Clipper на замерзшую Луну в 2024 году (запланировано), чтобы исследовать ее потенциал жизнеобеспечения. Он не отправит зонд на поверхность и фактически не будет вращаться вокруг самой Европы; вместо этого он облетит Юпитер и совершит серию облетов Европы. Но однажды мы отправим робота-исследователя на поверхность Европы.

И единственное, что может быть лучше, чем отправить одного робота для исследования Европы, — это отправить для этого рой роботов. Эта идея лежит в основе концепции «Ощущение с помощью независимых микропловцов» (SWIM). Инженер-робототехник из Лаборатории реактивного движения НАСА получил 600 000 долларов финансирования от программы НАСА для разработки концепции. Инженером является Итан Шалер, и это второй раунд финансирования, который ему предоставила компания NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). На первом этапе программы NIAC он получил 125 000 долларов. Основная идея, лежащая в основе концепции SWIM, заключается в расширении охвата миссии по сбору данных на Европе и увеличении размера выборки.

Концепция SWIM Шалера описывает, как космический корабль, отправленный на Европу или в другое подобное место назначения, например, на спутник Сатурна Энцелад, может использовать рой роботов для большей эффективности. Посадочный модуль достигнет поверхности и запустит криобота, предназначенного для путешествия через ледяную оболочку в океан. Оказавшись там, криобот развернет около четырех десятков крошечных роботов размером с мобильный телефон. В криоботе будет место для этих независимых роботов, а также достаточно места для размещения собственных инструментов, которые будут собирать данные во время длительного спуска сквозь лед и в океане.

Криобот будет подключен к посадочному модулю через кабель связи, а стационарный наземный посадочный модуль станет точкой связи для наземных диспетчеров миссии. Но меньшие по размеру SWIM-боты будут независимыми. По словам Шалера, независимые боты решают некоторые проблемы, связанные с миссией на Европу, путем сбора более надежных данных. «Моя идея заключается в том, где мы можем взять миниатюрную робототехнику и применить ее новыми интересными способами для исследования нашей Солнечной системы?» — сказал Шалер. «С роем небольших плавающих роботов мы можем исследовать гораздо больший объем океанской воды и улучшить наши измерения, имея несколько роботов, собирающих данные в одной и той же области».

Группа независимых SWIM-ботов должна была решить еще одну задачу, связанную с исследованием покрытых льдом океанских миров. Единственный возможный способ преодолеть 15–25-километровую ледяную оболочку Европы — это тепло. Криобот проложит себе путь через весь этот лед с помощью горячего ядерного источника энергии. Из-за ограничений конструкции и миссии криобот, скорее всего, не продвинулся бы дальше точки, где он пробил дно льда и достиг океана. Ядерный источник тепла криобота нагревал бы воду поблизости от криобота, а химические реакции изменяли бы природу воды, загрязняя данные и снижая их ценность. Независимые SWIM-боты могли бы избежать этого теплового пузыря и собрать более точную картину океана Европы.

Сэмюэл Хауэлл — ученый NASA/JPL, участвовавший в миссии Europa Clipper. Он также является частью команды, разрабатывающей концепцию SWIM. «Что, если после стольких лет, которые ушли на то, чтобы попасть в океан, вы пройдете через ледяной панцирь не в том месте? Что, если признаки жизни будут там, а не там, где вы вошли в океан?» — сказал Хауэлл. «Взяв с собой эти полчища роботов, мы сможем заглянуть «туда», чтобы исследовать гораздо больше нашей среды, чем позволил бы один криобот». Хауэлл указал на сходство между SWIM и Ingenuity, маленьким вертолетом, который отправился на Марс с марсоходом Perseverance. «Вертолет расширяет возможности марсохода, а изображения, которые он отправляет обратно, являются контекстом, помогающим марсоходу понять, как исследовать окружающую среду», — сказал он. «Если бы у вас была куча вертолетов вместо одного, вы бы знали намного больше об окружающей среде. В этом и заключается идея SWIM».

Шалер говорит, что при желании отдельные боты могут действовать вместе в стае, как это делают стаи рыб. Этот маневр может сыграть решающую роль в поисках жизни, определяя градиенты энергии или солености. Градиенты энергии считаются критически важными для развития жизни, потому что жизнь в основном питается от них. Жизнь использует энергетические градиенты, чтобы создавать все более и более совершенные копии себя, которые распространяются в окружающей среде в поисках других энергетических градиентов, которые можно было бы использовать. (На самом деле, с одной стороны, жизнь существует для выравнивания градиентов энергии и распространения энтропии до тех пор, пока во Вселенной не исчезнет порядок, но это немного не по теме. Прочтите это, если вам любопытно: «Физика, жизнь, и всего хорошего").

«Если существуют градиенты энергии или химические градиенты, именно так может начать возникать жизнь. Нам нужно подняться вверх по течению от криобота, чтобы почувствовать их», — сказал Шалер. У каждого SWIM-бота будут приборы для измерения температуры и солености. Они также будут измерять кислотность и давление, и у каждого будут свои собственные двигательные установки и системы связи. Концепция SWIM — это увлекательный шаг в попытке исследовать Европу. В нем рассматриваются некоторые проблемы, связанные с исследованием океана, погребенного подо льдом, будь то на Европе или на одном из других океанских спутников Солнечной системы с ледяной оболочкой. Но есть и другие препятствия для изучения этих спутников, и некоторые из них может быть чрезвычайно трудно преодолеть.

На Европе есть океан только из-за ее близости к Юпитеру. Когда Луна вращается вокруг газовой планеты, приливные колебания нагревают Европу настолько, что вода остается в жидком состоянии. Но за эту близость и колебания приливов приходится платить: Юпитер излучает мощное излучение. На самом деле настолько мощное, что миссия НАСА «Юнона» к Юпитеру хранит свои чувствительные инструменты в титановом хранилище для защиты. Он также следует по полярной орбите, что помогает ему избежать наихудшего излучения. Но с каждой орбитой титановый свод разрушается радиацией до тех пор, пока инструменты не будут повреждены настолько, что миссия фактически завершится. Любая миссия на Европу должна будет каким-то образом бороться с этим излучением, хотя ледяной барьер обеспечит некоторую защиту для криобота и SWIM-ботов.

Еще одна проблема — безопасно доставить космический корабль на поверхность Европы. На изображениях видна изломанная поверхность, покрытая глыбами льда в некоторых местах. Другие районы изрезаны трещинами. В экваториальной области Европы могут преобладать пенитентес, ледяные шипы высотой до 15 метров (49 футов). Маневрирование к месту посадки может быть очень трудным. В отличие от Марса, где марсоходы детально изучают поверхность и могут помочь планировщикам миссий найти безопасные и ценные с научной точки зрения точки посадки, поверхность Европы плохо нанесена на карту. Это также не так хорошо понято. Поверхность может быть настолько твердой или настолько мягкой, что сложно сконструировать космический корабль, который сможет успешно приземлиться на ледяную поверхность.

Но в то время как концепция SWIM на данный момент является всего лишь концепцией, Europa Clipper ею не является. Ученые надеются, что Clipper сможет составить карту поверхности Европы так же, как Mars Reconnaissance Orbiter сделал для Марса. Данные с Clipper должны помочь спускаемому аппарату справиться с поверхностью Европы. Будем надеяться, что весь интеллектуальный капитал, потраченный на изучение Европы, принесет свои плоды. Сам Europa Clipper даже не выйдет на орбиту вокруг Юпитера до 2030 года. Так что нам придется долго ждать, прежде чем миссия когда-либо достигнет поверхности Европы. А в первой наземной миссии может даже не быть криобота, чтобы протыкать лед и изучать океан. Но однажды, если не произойдет коллапс общества или что-то еще апокалиптическое, мы отправим туда космический корабль и будем исследовать. Если вы достаточно молоды, когда читаете это, возможно, вы будете живы, чтобы услышать крики «Эврика!» как взволнованные ученые объявляют об открытии микробов в огромном океане Европы.

Источник