Γιατί είναι τόσο δύσκολο να κάνεις γεωτρήσεις έξω από τη Γη;

Το ρόβερ Curiosity της NASA σήκωσε τον ρομποτικό βραχίονα με το τρυπάνι στραμμένο προς τον ουρανό, ενώ εξερευνούσε την κορυφογραμμή Vera Rubin στη βάση του όρους Sharp μέσα στον κρατήρα Gale - με φόντο το μακρινό χείλος του κρατήρα. Αυτό το μωσαϊκό κάμερας navcam ράφτηκε από ακατέργαστες εικόνες που τραβήχτηκαν στο Sol 1833, 2 Οκτωβρίου 2017 και χρωματίστηκε. Από NASA/JPL/Ken Kremer/kenkremer.com/Marco Di Lorenzo

Οι άνθρωποι σκάβουν υπόγεια για χιλιετίες στη Γη. Εκεί εξάγουμε μερικούς από τους πιο πολύτιμους πόρους μας που έχουν προχωρήσει την κοινωνία. Για παράδειγμα, δεν θα υπήρχε Εποχή του Χαλκού χωρίς τον κασσίτερο και τον χαλκό - και τα δύο βρίσκονται κυρίως κάτω από το έδαφος. Αλλά όταν σκάβουμε κάτω από το έδαφος σε ουράνια σώματα, περνάμε σε πολύ πιο δύσκολες καταστάσεις. Αυτό θα πρέπει να αλλάξει εάν ελπίζουμε ποτέ να χρησιμοποιήσουμε τους πιθανούς πόρους που είναι διαθέσιμοι κάτω από την επιφάνεια. Μια εργασία από τους Dariusz Knez και Mitra Kahlilidermani του Πανεπιστημίου της Κρακοβίας εξετάζει γιατί είναι τόσο δύσκολο να τρυπήσεις στο διάστημα - και τι μπορούμε να κάνουμε γι 'αυτό.

Στην εργασία τους του 2021, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Energies, οι συγγραφείς περιγράφουν λεπτομερώς δύο κύριες κατηγορίες δυσκολιών κατά τη γεώτρηση εκτός κόσμου - τις περιβαλλοντικές και τις τεχνολογικές προκλήσεις. Ας βουτήξουμε πρώτα στις περιβαλλοντικές προκλήσεις.

Μια προφανής διαφορά μεταξύ της Γης και των περισσότερων άλλων βραχωδών σωμάτων στα οποία θα θέλαμε ενδεχομένως να ανοίξουμε τρύπες είναι η έλλειψη ατμόσφαιρας. Υπάρχουν μερικές εξαιρέσεις - όπως η Αφροδίτη και ο Τιτάνας, αλλά ακόμη και ο Άρης έχει μια αρκετά λεπτή ατμόσφαιρα που δεν μπορεί να υποστηρίξει ένα θεμελιώδες υλικό που χρησιμοποιείται για τη γεώτρηση εδώ στη Γη - τα υγρά.

Εάν έχετε δοκιμάσει ποτέ να ανοίξετε μια τρύπα σε μέταλλο, πιθανότατα έχετε χρησιμοποιήσει κάποιο ψυκτικό υγρό. Εάν δεν το κάνετε, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα είτε το τρυπάνι σας είτε το τεμάχιο εργασίας σας να θερμανθεί και να παραμορφωθεί σε σημείο όπου δεν μπορείτε πλέον να τρυπήσετε. Για να περιορίσουν αυτό το πρόβλημα, οι περισσότεροι μηχανικοί ψεκάζουν απλώς λίγο λιπαντικό στην οπή του τρυπανιού και συνεχίζουν να πιέζουν. Μια μεγαλύτερης κλίμακας εκδοχή αυτού συμβαίνει όταν οι κατασκευαστικές εταιρείες τρυπάνε στο έδαφος, ειδικά στο υπόβαθρο - χρησιμοποιούν υγρά για να ψύχουν τα σημεία όπου τρυπούν.

Αυτό δεν είναι δυνατό σε ένα ουράνιο σώμα χωρίς ατμόσφαιρα. Τουλάχιστον χωρίς χρήση παραδοσιακών τεχνολογιών γεώτρησης. Οποιοδήποτε υγρό εκτεθεί στην έλλειψη ατμόσφαιρας θα εξαχνωθεί αμέσως, παρέχοντας ελάχιστη έως καθόλου επίδραση ψύξης στην περιοχή εργασίας. Και δεδομένου ότι πολλές εργασίες γεώτρησης πραγματοποιούνται αυτόνομα, το ίδιο το τρυπάνι -συνήθως προσαρτημένο σε ένα ρόβερ ή κατά την προσεδάφιση- πρέπει να γνωρίζει πότε να υποχωρήσει στη διαδικασία γεώτρησης πριν λιώσουν τα κομμάτια. Αυτό είναι ένα πρόσθετο επίπεδο πολυπλοκότητας και όχι τέτοιο που πολλά σχέδια έχουν βρει ακόμη μια λύση.

Ένα παρόμοιο πρόβλημα ρευστού έχει περιορίσει την υιοθέτηση μιας πανταχού παρούσας τεχνολογίας τρυπανιών που χρησιμοποιείται στη Γη - τα υδραυλικά. Οι ακραίες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, όπως αυτές που παρατηρούνται στο φεγγάρι κατά τη διάρκεια του κύκλου ημέρας/νύχτας, καθιστούν εξαιρετικά δύσκολη την παροχή ενός υγρού για χρήση σε ένα υδραυλικό σύστημα που δεν παγώνει τις κρύες νύχτες ή εξατμίζεται κατά τη διάρκεια των καυτών ημερών. Ως εκ τούτου, τα υδραυλικά συστήματα που χρησιμοποιούνται σχεδόν σε κάθε μεγάλο γεωτρύπανο στη Γη είναι εξαιρετικά περιορισμένα όταν χρησιμοποιούνται στο διάστημα.

Άλλα προβλήματα όπως ο λειαντικός ή ο προσκολλημένος ρεγόλιθος μπορεί επίσης να εμφανιστούν, όπως η έλλειψη μαγνητικού πεδίου κατά τον προσανατολισμό του τρυπανιού. Τελικά, αυτές οι περιβαλλοντικές προκλήσεις μπορούν να ξεπεραστούν με τα ίδια πράγματα που χρησιμοποιούν πάντα οι άνθρωποι για να τις ξεπεράσουν, ανεξάρτητα από το πλανητικό σώμα που βρίσκονται - την τεχνολογία.

Ωστόσο, υπάρχουν πολλές τεχνολογικές προκλήσεις για τη γεώτρηση εκτός κόσμου. Το πιο προφανές είναι ο περιορισμός βάρους, ένα κρίσιμο στοιχείο για να κάνετε οτιδήποτε στο διάστημα. Οι μεγάλες εξέδρες γεώτρησης χρησιμοποιούν βαριά υλικά, όπως χαλύβδινα περιβλήματα, για να υποστηρίξουν τις γεωτρήσεις που ανοίγουν, αλλά αυτά θα ήταν απαγορευτικά ακριβά χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες τεχνολογίες εκτόξευσης.

Επιπλέον, το ίδιο το μέγεθος του συστήματος γεώτρησης είναι ο περιοριστικός παράγοντας της δύναμης του τρυπανιού - όπως αναφέρεται στο έγγραφο, «η μέγιστη δύναμη που μεταδίδεται στο μύτη δεν μπορεί να υπερβαίνει το βάρος ολόκληρου του συστήματος γεώτρησης». Αυτό το πρόβλημα επιδεινώνεται από το γεγονός ότι τα τυπικά τρυπάνια με ρόβερ χρησιμοποιούνται σε έναν ρομποτικό βραχίονα αντί να τοποθετούνται ακριβώς κάτω από όπου μπορεί να εφαρμοστεί το μέγιστο βάρος. Αυτός ο περιορισμός δύναμης περιορίζει επίσης τον τύπο του υλικού από το οποίο μπορεί να περάσει το τρυπάνι - για παράδειγμα, θα είναι δύσκολο να τρυπηθεί μέσα από οποιονδήποτε σημαντικό ογκόλιθο. Ενώ ο επανασχεδιασμός των ρόβερ με γνώμονα τη θέση του τρυπανιού θα μπορούσε να είναι χρήσιμος, και πάλι, ο περιορισμός του βάρους εκτόξευσης παίζει εδώ.

Ένα άλλο τεχνολογικό πρόβλημα είναι η έλλειψη ενέργειας. Οι κινητήρες με υδρογονάνθρακες τροφοδοτούν τα περισσότερα μεγάλα γεωτρύπανα στη Γη. Αυτό δεν είναι εφικτό εκτός Γης, επομένως το σύστημα πρέπει να τροφοδοτείται από ηλιακά κύτταρα και τις μπαταρίες που παρέχουν. Αυτά τα συστήματα υποφέρουν επίσης από την ίδια τυραννία της εξίσωσης των πυραύλων, επομένως είναι συνήθως σχετικά περιορισμένα σε μέγεθος, γεγονός που καθιστά δύσκολο για τα συστήματα γεώτρησης να επωφεληθούν από ορισμένα από τα πλεονεκτήματα των εξ ολοκλήρου ηλεκτρικών συστημάτων έναντι των υδρογονανθρακικών συστημάτων - όπως η υψηλότερη ροπή .

Ένα παρόμοιο πρόβλημα ρευστού έχει περιορίσει την υιοθέτηση μιας πανταχού παρούσας τεχνολογίας τρυπανιών που χρησιμοποιείται στη Γη - τα υδραυλικά. Οι ακραίες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, όπως αυτές που παρατηρούνται στο φεγγάρι κατά τη διάρκεια του κύκλου ημέρας/νύχτας, καθιστούν εξαιρετικά δύσκολη την παροχή ενός υγρού για χρήση σε ένα υδραυλικό σύστημα που δεν παγώνει τις κρύες νύχτες ή εξατμίζεται κατά τη διάρκεια των καυτών ημερών. Ως εκ τούτου, τα υδραυλικά συστήματα που χρησιμοποιούνται σχεδόν σε κάθε μεγάλο γεωτρύπανο στη Γη είναι εξαιρετικά περιορισμένα όταν χρησιμοποιούνται στο διάστημα.

Άλλα προβλήματα όπως ο λειαντικός ή ο προσκολλημένος ρεγόλιθος μπορεί επίσης να εμφανιστούν, όπως η έλλειψη μαγνητικού πεδίου κατά τον προσανατολισμό του τρυπανιού. Τελικά, αυτές οι περιβαλλοντικές προκλήσεις μπορούν να ξεπεραστούν με τα ίδια πράγματα που χρησιμοποιούν πάντα οι άνθρωποι για να τις ξεπεράσουν, ανεξάρτητα από το πλανητικό σώμα που βρίσκονται — την τεχνολογία.

Ωστόσο, υπάρχουν πολλές τεχνολογικές προκλήσεις για τη γεώτρηση εκτός κόσμου. Το πιο προφανές είναι ο περιορισμός βάρους, ένα κρίσιμο στοιχείο για να κάνετε οτιδήποτε στο διάστημα. Οι μεγάλες εξέδρες γεώτρησης χρησιμοποιούν βαριά υλικά, όπως χαλύβδινα περιβλήματα, για να υποστηρίξουν τις γεωτρήσεις που ανοίγουν, αλλά αυτά θα ήταν απαγορευτικά ακριβά χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες τεχνολογίες εκτόξευσης.

Επιπλέον, το ίδιο το μέγεθος του συστήματος γεώτρησης είναι ο περιοριστικός παράγοντας της δύναμης του τρυπανιού - όπως αναφέρεται στο έγγραφο, «η μέγιστη δύναμη που μεταδίδεται στο μύτη δεν μπορεί να υπερβαίνει το βάρος ολόκληρου του συστήματος γεώτρησης». Αυτό το πρόβλημα επιδεινώνεται από το γεγονός ότι τα τυπικά τρυπάνια με ρόβερ χρησιμοποιούνται σε έναν ρομποτικό βραχίονα αντί να τοποθετούνται ακριβώς κάτω από όπου μπορεί να εφαρμοστεί το μέγιστο βάρος. Αυτός ο περιορισμός δύναμης περιορίζει επίσης τον τύπο του υλικού από το οποίο μπορεί να περάσει το τρυπάνι - για παράδειγμα, θα είναι δύσκολο να τρυπηθεί μέσα από οποιονδήποτε σημαντικό ογκόλιθο. Ενώ ο επανασχεδιασμός των ρόβερ με γνώμονα τη θέση του τρυπανιού θα μπορούσε να είναι χρήσιμος, και πάλι, ο περιορισμός του βάρους εκτόξευσης παίζει εδώ.

Ένα άλλο τεχνολογικό πρόβλημα είναι η έλλειψη ενέργειας. Οι κινητήρες με υδρογονάνθρακες τροφοδοτούν τα περισσότερα μεγάλα γεωτρύπανα στη Γη. Αυτό δεν είναι εφικτό εκτός Γης, επομένως το σύστημα πρέπει να τροφοδοτείται από ηλιακά κύτταρα και τις μπαταρίες που παρέχουν. Αυτά τα συστήματα υποφέρουν επίσης από την ίδια τυραννία της εξίσωσης των πυραύλων, επομένως είναι συνήθως σχετικά περιορισμένα σε μέγεθος, γεγονός που καθιστά δύσκολο για τα συστήματα γεώτρησης να επωφεληθούν από ορισμένα από τα πλεονεκτήματα των εξ ολοκλήρου ηλεκτρικών συστημάτων έναντι των υδρογονανθρακικών συστημάτων - όπως η υψηλότερη ροπή .

Το έγγραφο περιγράφει λεπτομερώς τέσσερις διαφορετικές κατηγορίες σχεδίων τρυπανιών:

Επιφανειακά τρυπάνια—βάθος μικρότερο από 10 cm

Τρυπάνια μικρού βάθους—βάθος μικρότερο από 1 m

Τρυπάνια μεσαίου βάθους—από 1m έως 10m βάθος

Τρυπάνια μεγάλου βάθους—βάθος μεγαλύτερο από 10 μέτρα

Για κάθε κατηγορία, το έγγραφο παραθέτει πολλά σχέδια σε διάφορα στάδια πληρότητας. Πολλά από αυτά έχουν καινοτόμες ιδέες για το πώς να κάνουν τη διάτρηση, όπως η χρήση ενός συστήματος "inchworm" ή η χρήση υπερήχων.

Αλλά προς το παρόν, η γεώτρηση εκτός κόσμου, και ειδικά σε αστεροειδείς και κομήτες, που έχουν τις δικές τους βαρυτικές προκλήσεις, παραμένει ένα δύσκολο αλλά απαραίτητο έργο. Καθώς η ανθρωπότητα γίνεται πιο έμπειρη σε αυτό, αναμφίβολα θα γίνουμε καλύτεροι σε αυτό. Δεδομένου του πόσο σημαντική είναι αυτή η διαδικασία για τα μεγάλα σχέδια των παντού εξερευνητών του διαστήματος, η στιγμή που μπορούμε να τρυπήσουμε αποτελεσματικά σε οποιοδήποτε βραχώδες ή παγωμένο σώμα στο ηλιακό σύστημα δεν μπορεί να έρθει αρκετά σύντομα.

Γεωδίφης με πληροφορίες από το Universe Today