Люди тысячелетиями рыли землю под ногами. Именно здесь мы добываем некоторые из наших самых ценных ресурсов, которые двигают общество вперед. Например, бронзового века не было бы без олова и меди, которые в основном находятся под землей. Но когда мы копаем под землей на небесных телах, нам приходится гораздо труднее. Это должно измениться, если мы надеемся когда-нибудь использовать потенциальные ресурсы, доступные под поверхностью. В статье Дариуша Кнеза и Митры Халилидермани из Краковского университета рассматривается, почему так сложно бурить в космосе и что мы могли бы с этим сделать. В своей статье, опубликованной в журнале Energies в 2021 году, авторы подробно описывают две основные категории трудностей при бурении за пределами земли - экологические проблемы и технологические вызовы. Давайте сначала рассмотрим экологические проблемы.
Одним из очевидных отличий Земли от большинства других скалистых тел, в которых мы потенциально хотели бы просверлить отверстия, является отсутствие атмосферы. Есть некоторые исключения, такие как Венера и Титан, но даже у Марса достаточно тонкая атмосфера, чтобы она не могла поддерживать один из основных материалов, используемых для бурения здесь, на Земле, — жидкости. Если вы когда-либо пробовали сверлить отверстия в металле, то, вероятно, использовали охлаждающую жидкость. Если вы этого не сделаете, велика вероятность того, что либо ваше сверло, либо обрабатываемая деталь нагреются и деформируются до такой степени, что вы больше не сможете сверлить. Чтобы устранить эту проблему, большинство машинистов просто разбрызгивают немного смазки в отверстие для сверления и продолжают вдавливать ее. В более широком масштабе это происходит, когда строительные компании проводят бурение в грунте, особенно в коренных породах, — они используют жидкости для охлаждения мест, где они сверлят.
Это невозможно на небесном теле, не имеющем атмосферы. По крайней мере, при использовании традиционных технологий бурения. Любая жидкость, подвергшаяся воздействию атмосферы, немедленно испарится, практически не охлаждая рабочую зону. А учитывая, что многие операции по бурению выполняются автономно, сам бур, обычно прикрепленный к марсоходу или посадочному модулю, должен знать, когда следует прекратить процесс бурения, прежде чем расплавятся долота. Это дополнительный уровень сложности, решение которого пока не найдено во многих конструкциях. Аналогичная проблема с текучей средой ограничила внедрение широко распространенной технологии бурения, используемой на Земле, — гидравлики. Экстремальные перепады температур, подобные тем, что наблюдаются на Луне в течение цикла день/ночь, чрезвычайно затрудняют подачу жидкости для использования в гидравлической системе, которая не замерзала бы холодными ночами и не испарялась в жаркие дни. Таким образом, гидравлические системы, используемые практически на каждой крупной буровой установке на Земле, крайне ограничены при использовании в космосе.
Также могут возникать другие проблемы, такие как абразивный материал или прилипающий реголит, например, отсутствие магнитного поля при ориентации бура. В конечном счете, эти экологические проблемы можно решить с помощью тех же средств, которые люди всегда используют для их решения, независимо от того, на какой планете они находятся, — технологий. Однако при бурении за пределами планеты также возникает множество технологических проблем. Наиболее очевидной из них является ограничение по весу, что является важным фактором при выполнении любых работ в космосе. Крупные буровые установки используют тяжелые материалы, такие как стальные корпуса, для крепления скважин, которые они бурят, но при использовании современных технологий запуска это было бы непомерно дорого.
Кроме того, размер буровой установки сам по себе является фактором, ограничивающим усилие, с которым работает сверло — как указано в документе, "максимальное усилие, передаваемое на долото, не может превышать вес всей буровой установки". Эта проблема усугубляется тем фактом, что обычные буровые установки rover устанавливаются на роботизированную руку, а не непосредственно под ней, где может быть применен максимальный вес. Это ограничение силы также ограничивает тип материала, через который может проходить сверло — например, будет сложно просверлить какой-либо значительный валун. Хотя перепроектирование марсоходов с учетом местоположения буровой установки могло бы быть полезным, опять же, здесь играет роль ограничение веса при запуске.
Еще одной технологической проблемой является нехватка электроэнергии. Большинство крупных буровых установок на Земле работают на углеводородном топливе. За пределами Земли это невозможно, поэтому система должна питаться от солнечных элементов и аккумуляторов, которые они обеспечивают. Эти системы также страдают от той же тирании ракетного уравнения, поэтому они, как правило, относительно ограничены в размерах, что затрудняет буровым установкам использование некоторых преимуществ полностью электрических систем по сравнению с системами, работающими на углеводородном топливе, таких как более высокий крутящий момент.
Независимо от того, с какими трудностями сталкиваются эти буровые установки, они будут иметь жизненно важное значение для успеха любой будущей программы разведки, в том числе с участием экипажа. Если мы когда-нибудь захотим создать на Луне города в лавовых пещерах или пробиться сквозь ледяной покров Энцелада к океану, нам понадобятся более совершенные технологии бурения. К счастью, существует множество разработок, позволяющих их реализовать.
В статье подробно описаны четыре различные категории буровых установок:
- Поверхностные сверла — глубина менее 10 см
- Сверла малой глубины — глубина менее 1 м
- Сверла средней глубины — глубина от 1 до 10 м
- Сверла большой глубины - глубина сверления превышает 10 м
Для каждой категории в статье перечислены несколько конструкций, находящихся на разных стадиях разработки. Во многих из них есть новые идеи о том, как выполнять сверление, например, с помощью системы "inchworm" или ультразвука. Но на данный момент бурение за пределами планеты, особенно на астероидах и кометах, которые имеют свои собственные гравитационные проблемы, остается сложной, но необходимой задачей. По мере того, как человечество будет становиться более опытным в этом, мы, несомненно, будем совершенствоваться в этом. Учитывая, насколько важен этот процесс для грандиозных планов исследователей космоса во всем мире, время, когда мы сможем эффективно бурить скважины в любом скалистом или ледяном теле Солнечной системы, может наступить еще нескоро.
