Δοκιμή δύο υλικών ως πιθανών αναλόγων κομητών και αστεροειδών

Η έλευση του χώρου των εφημερίδων και του εμπορικού χώρου (SpaceX, Blue Origin, κ.λπ.) στις αρχές της δεκαετίας του 2000 έφερε την αναβίωση της ιδέας δεκαετιών της απόκτησης πολύτιμων πόρων από το διαστημικό περιβάλλον. Γνωστή στη διαστημική κοινότητα ως ISRU (in situ χρησιμοποίηση πόρων) και ευρύτερα ως «διαστημικοί πόροι», η ιδέα περιλαμβάνει την εξόρυξη ορυκτών, στοιχείων (άνθρακα, οξυγόνο κ.λπ.) και άλλων πολύτιμων μετάλλων και πτητικών από τις επιφάνειες των πλανητικών σωμάτων. που μπορεί να συναντήσει η ανθρωπότητα.

Η ανάκτηση αυτών των υλικών στο διαστημικό περιβάλλον μειώνει την ανάγκη εκτόξευσης πόρων από τη γη, μειώνοντας δραματικά το κόστος εκτόξευσης, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής των διαπλανητικών αποστολών και ανακουφίζοντας τον αντίκτυπο της εξόρυξης πόρων στη γη.

Για να συλλέξουμε αυτά τα πολύτιμα αντικείμενα, πρέπει να έχουμε γνώση των φυσικών ιδιοτήτων τους, όπως η δύναμη και η συνοχή (παρόμοια με τη γεώτρηση για πετρέλαιο ή το σκάψιμο σε ένα σώμα μεταλλεύματος στη γη). Ο σχεδιασμός του εξοπλισμού εξόρυξης βασίζεται στην προσδοκία αυτών των ιδιοτήτων και οι περιορισμοί στη διαθέσιμη ισχύ και ενέργεια εκτός της γης, καθώς και το υψηλό κόστος εκτόξευσης μάζας από τον πλανήτη μας, θέτουν περιορισμούς σε αυτά τα σχέδια. Χωρίς σωστή γνώση της αντοχής των επιφανειών που είναι πιθανό να συναντήσουμε, ο κίνδυνος αποτυχίας της αποστολής αυξάνεται δραματικά, όπως αποδεικνύεται από την αποτυχία της συσκευής MUPUS-PEN στο προσεδάφιο Philae να διεισδύσει στην επιφάνεια του Comet 67P το 2014 (Biele et. al., 2015).

Ως ένα βήμα προς τη μείωση του κινδύνου μελλοντικών αποστολών καθώς και την παροχή πληροφοριών για τις επιφανειακές διεργασίες των κομητών και των αστεροειδών στο ηλιακό μας σύστημα, οι ερευνητές του MIT Jared Atkinson, Sara Seager και William Durham προσπάθησαν να χαρακτηρίσουν την κρυογονική συμπεριφορά δύο επίγειων πετρωμάτων - Bishop tuff και ασβεστόλιθος Indiana – ως πιθανά ανάλογα κομητών και αστεροειδών, αντίστοιχα. Εργαστηριακές μετρήσεις της αντοχής αστοχίας (υπό πίεση συμπίεσης) αποξηραμένων και πλήρως κορεσμένων σε νερό δειγμάτων σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 77 K έως 295 K και σε περιοριστικές πιέσεις (για τα περισσότερα) 5 MPa παρέχουν μια εκπληκτική ματιά στη συμπεριφορά των κορεσμένων με πάγο υλικά που μπορεί να βρεθούν σε εξωγήινες επιφάνειες και κάτω.

Κάτω από το σημείο πάγου (0C ή 273 K), η ισχύς των κορεσμένων με πάγο αναλόγων αυξάνεται δραματικά με τη μείωση της θερμοκρασίας, σε τέτοιο βαθμό που ο παγωμένος βράχος είναι ισχυρότερος είτε από τον ξηρό βράχο μόνο του είτε από τον πάγο που γεμίζει τους πόρους του (Εικόνα 1). Γενικά, οι συνδυασμοί υλικών έχουν ιδιότητες που αντιστοιχούν σε κάποιο μέσο όρο των μεμονωμένων ιδιοτήτων του υλικού, αλλά εδώ το ξηρό πέτρωμα ενισχύεται σημαντικά από τον πάγο των πόρων μέσω αυτού που είναι γνωστό ως «ενέματα». Ο πάγος σχηματίζει ένα δομικό στοιχείο μέσα στον πόρο, αντικαθιστώντας ουσιαστικά το ασθενές αέριο στο χώρο των πόρων (αέρας, τυπικά) με ένα σκληρό στερεό. Καθώς ο πάγος ενισχύεται με τη μείωση της θερμοκρασίας (Durham et al., 1992) λόγω της επιβράδυνσης ορισμένων θερμικά ενεργοποιημένων διεργασιών (π.χ. ερπυσμός εξάρθρωσης) εντός της κρυσταλλικής δομής του πάγου, το παγωμένο πέτρωμα ενισχύεται ομοίως.

Το μέγεθος της ενισχυτικής επίδρασης του πάγου σε πορώδη βράχο σε κρυογονικές θερμοκρασίες είναι εντυπωσιακό (Εικόνα 1). Ο κορεσμένος ασβεστόλιθος σημείωσε τετραπλάσια αύξηση της αντοχής του, ενώ ο τοφός ενισχύθηκε σχεδόν δέκα φορές. Παρόμοια αποτελέσματα σκλήρυνσης σε κοκκώδεις προσομοιωτές κομητών αναφέρθηκαν από τους Kochan et al., 1989 κατά τη διάρκεια των λεγόμενων πειραμάτων «KOSI», ενώ οι Mellor (1971) και Podnieks et al. (1968) παρατήρησε ακριβώς μια τέτοια ενίσχυση παρόμοιου ασβεστόλιθου σε συνθήκες απεριόριστης πίεσης.

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους πλανητικούς επιστήμονες και τους ερευνητές της ISRU είναι η συμπεριφορά των κορεσμένων αναλόγων σε αυτές τις κρυογονικές θερμοκρασίες. συγκεκριμένα η μετάβαση από συμπεριφορά που μοιάζει με κυρίαρχα όλκιμη σε κυρίαρχα εύθραυστη. Το Σχήμα 2 δείχνει μια σύγκριση συμπεριφοράς τουφ που κυμαίνεται από όλκιμο στους 240 K (που υποδεικνύεται από το διογκωμένο κέντρο του δείγματος) έως την εύθραυστη φύση της αστοχίας στους 150 K (που υποδεικνύεται από το μεγάλο κάταγμα και την έλλειψη διόγκωσης κατά μήκος του μήκος). Η μετάβαση μεταξύ αυτών των καταστάσεων συμβαίνει μεταξύ 150 K και 200 ​​K και είναι πολύ πιθανό να κυριαρχείται από τη μετάβαση του πάγου από εύθραυστο σε όλκιμο σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 180 K (Durham et al., 1983).

Οι ερευνητές του MIT προτείνουν ότι τα αποτελέσματα της μελέτης πρέπει να ληφθούν ως ανώτερο όριο για την αντοχή του κορεσμένου με πάγο υλικού που βρίσκεται σε αστεροειδείς ή κομήτες. Τόσο ο ασβεστόλιθος όσο και ο τάφφος είναι επίγεια πετρώματα και έχουν ιδιότητες που είναι απίθανο να βρεθούν σε κομήτες ή αστεροειδείς. Ο ασβεστόλιθος, συγκεκριμένα, είναι ένα τσιμεντοειδές ανθρακικό πέτρωμα αλλά έχει πυκνότητα και πορώδες παρόμοια με τους ανθρακούχους χονδρίτες (Britt et al., 1987). Οι επιφάνειες των κομητών και των αστεροειδών είναι απίθανο να είναι πλήρως κορεσμένες και οι επιφανειακές πιέσεις γενικά αναμένεται να είναι πολύ μικρότερες από 5 MPa.

Ωστόσο, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι σημαντικές αντοχές που υπερβαίνουν τουλάχιστον πολλά MPa θα πρέπει να αναμένονται από οποιαδήποτε αποστολή που αλληλεπιδρά με μια παγωμένη επιφάνεια σε κρυογονικές θερμοκρασίες. Με την αποστολή πολλαπλών δειγμάτων που έχει προγραμματιστεί για το εγγύς μέλλον και μια ισχυρή ώθηση στη διαστημική κοινότητα για να γίνει πραγματικότητα το ISRU, η αύξηση της αντοχής σε κρυογονικές θερμοκρασίες που δείχνει το MIT θα είναι κρίσιμο στοιχείο για τη διασφάλιση της επιτυχίας της αποστολής.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Η δύναμη των εξωγήινων αναλόγων πετρωμάτων κορεσμένων με πάγο, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Jared Atkinson, William B. Durham και Sara Seager από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης.

Αναφορές

• Biele, J., Ulamec, S., Maibaum, M., Roll, R., Witte, L., Jurado, E., Muñoz, P., Arnold, W., Auster, H., Casas, C., Faber, C., Fantinati, C., Finke, F., Fischer, H., Geurts, K., Güttler, C., Heinisch, P., Herique, A., Hviid, S., Kargl, G., Knapmeyer, M., Knollenberg, J., Kofman, W., Kömle, N., Kührt, E., Lommatsch, V., Mottola, S., Pardo de Santayana, R., Remetean, E., Scholten, F., Seidensticker, K.J., Sierks, H., Spohn, T., 2015. Η προσγείωση(ες) του Philae και τα συμπεράσματα σχετικά με τις μηχανικές ιδιότητες της επιφάνειας του κομήτη. Science 349 (6247), 9816-1 – 9816-6.
• Britt, D.T., Yeomans, D., Housen, Κ., Consolmagno, G.J., 1987. Αστεροειδής πυκνότητα, πορώδες και δομή, στο:Asteroids III. University of Arizona Press, σελ. 485–500.
• Durham, W.B., Heard, H.C., Kirby, S.H., 1983. Experimental Deformation of Polycrystalline H2O Ice at High Pressure and Low Temperature – Preliminary Results, in:Proceedings of the Fourteenth Lunar and Planetary Science Conference, Part.1. B377–B392.
• Durham, W.B., Kirby, S.H., Stern, L.A., 1992. Effects of Dispersed Particulates on the Rheology of Water Ice at Planetary Conditions. J. Geophys. Res. 97, 20.883-20.897. https://onlinelibrary.wiley.com/action/cookieAbsent
• Kochan, H., Roessler, K., Ratke, L., Heyl, M., Hellman, H., Schwehm, G., 1989. Αντοχή φλοιού διαφορετικών μοντέλων υλικών κομητών, στο:Physics and Mechanics of Cometary Υλικά.
• Mellor, M., 1971. Strength and Deformability of Rocks at Low Temperatures. Corps of Engineers, US Army, Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, NH.
• Podnieks, E.R., Chamberlain, P.G., Thill, R.E., 1968. Environmental Effects on Rock Properties, στο:Gray, K.E. (Επιμ.), Basic and Applied Rock Mechanics. σελ. 215–241.