IceMole - IceMole

Команда IceMole в аэропорту Понтрезина (Полевой эксперимент на леднике Мортерач, Швейцария, 2010 г.)

IceMole является автономный лед исследование зонд, включающий в себя наконечник для плавления льда нового типа для исследования полярные регионы, ледники, ледяные щиты и внеземные регионы, разработанные командой из FH Aachen, а Fachhochschule (Университет прикладных наук) в Аахен, Германия. Преимущество перед предыдущими датчиками заключается в том, что IceMole может изменять свое направление и может быть восстановлен после использования. Винт для льда позволяет зонду пробурить слои почвы и другие загрязнения во льду.

История

IceMole разрабатывается с использованием быстрое прототипирование. По состоянию на апрель 2011 г., зонд находится в своем первом прототипе и был разработан для проведения подземных исследований земных ледников и ледяных щитов. Планируется, что будущие версии зонда будут подходящим образом адаптированы для исследования внеземного льда, например на полярных шапках Марс, то Джовиан луна Европа, или же Сатурн луна Энцелад.[1]

Робот появился в результате студенческого проекта в Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik (Факультет Аэрокосмическая техника ) в больнице Аахена под руководством профессора д-ра Бернда Дахвальда.[2][3] Земляные работы ведутся как путем бурения, так и плавления льда. В чистом ледяном керне зонд может анализировать окружающий лед с помощью измерительных приборов.[3] Во время бурения окружающий лед не биологически загрязненный.[2]

По состоянию на 2011 г., цели проекта представлены как:[3]

Цели:
  • Наземные приложения
    • Через 2–3 года: в ледниках и ледовых щитах.
    • Через 4–6 лет: во льдах и подледных озерах в Антарктида
  • Внеземные приложения

В требованиях проекта также подчеркивалась необходимость максимальной надежности, прочности, мобильности, экологической безопасности и автономности.[3]

IceMole 1

Наконечники с подогревом в зондах использовались с 1960-х годов, но зонды могли бурить только прямо вниз, не могли быть извлечены из глубоких интрузий и были остановлены накоплением грязи и отложений, которые не позволяли передавать тепло. Чтобы решить эти проблемы, IceMole сочетает в себе шнек с плавильным наконечником.[1]

Первый прототип IceMole представляет собой аппарат в форме карандаша, который предназначен для автономного развертывания и погружения в лед. Это квадратная трубка 225 см.2 (34,9 кв. Дюйма) в поперечном сечении. Он имеет плавильную головку мощностью 3 кВт (4,0 л.с.) на конце, которая имеет дифференциальный нагрев в разных частях. Робот приводится в действие генератором энергии на поверхности и крепится с помощью кабеля, который передает сигналы питания, связи и данных. В IceMole используется винт длиной 6 см (2,4 дюйма) на нагретой головке, который поддерживает плотный контакт во время бурения с растапливаемым льдом. IceMole имеет отдельно управляемые нагревательные элементы, которыми можно управлять для получения дифференциального нагрева. Дифференциальный нагрев позволяет плавно изменять направление.[1][2][3]

Внутренний вид датчика плавления IceMole1

Ледобур расположен на конце плавильной головки и создает движущую силу, которая прижимает плавильную головку ко льду. Это позволяет IceMole проникать в почву и грязь, а также обеспечивает хорошую теплопроводность при контакте со льдом. В термически изолированный ледобур переносит лед в зонд, где его можно проанализировать на месте. Планируется, что в зонд будут встроены приборы, которые будут анализировать лед и отправлять на поверхность только результаты.[1][2]

Технические характеристики IceMole1 приведены ниже:

Технические характеристики IceMole1:
  • Скорость плавления: макс. 0,3 м (1 фут 0 дюймов) / час
  • Нагревательные элементы: 4 × плавильная головка
  • Нагревательные элементы с высокой производительностью: 2200 Вт (3,0 л.с.)
  • Средняя тепловая мощность: 1000 Вт (1,3 л.с.)
  • Мощность приводного двигателя: 25 Вт (0,034 л.с.)
  • Вес: 30 кг (66 фунтов)
  • Внешние размеры: 150 мм (5,9 дюйма) x 150 мм (5,9 дюйма) x 870 мм (34 дюйма)
  • Полезная нагрузка: бортовая цифровая камера

Команда IceMole разработала автомобиль без учета конкретной полезной нагрузки. В автомобиле есть внутренняя камера, в которой могут размещаться датчики и другие приборы. В своих недавних тестах[когда? ] IceMole нес готовую камеру. Команда также разрабатывает флуоресценция биосенсорный детектор, который может искать органические молекулы во льду.[1][2]

IceMole 2

Внешний вид нового дизайна IceMole2

С октября 2010 года IceMole-Team работает над редизайном первого IceMole. Улучшения включают, среди прочего, оптимизацию плавильной головки и полностью новую конструкцию редуктора. Новая плавильная головка имеет 12 отдельно управляемых нагревательных элементов. Эти 12 патронных нагревателей расположены кольцом внутри плавильной головки. Кроме того, он имеет по 2 настенных обогревателя с каждой стороны в задней части датчика. С этим дополнением маневренность IceMole2 улучшилась по сравнению с его предшественником. Новый механизм был специально разработан для этого зонда. Таким образом, трансмиссия имеет более высокий КПД и более легкий вес. Тестирование IceMole2 планируется летом 2012 года.[2]

Планируемые технические характеристики IceMole2:[нужна цитата ]

Технические характеристики IceMole2:
  • Скорость плавления: макс. 1 м (3 фута 3 дюйма) / час
  • Нагревательные элементы: 12 × плавильная головка, по 2 на каждую боковую стенку
  • Нагреватель Мощность: макс. 2400 Вт (3,2 л.
  • Мощность обогрева каждой боковой стены: макс. 600 Вт (0,80 л.
  • Мощность приводного двигателя: 25 Вт (0,034 л.с.)
  • Вес: 25 кг (55 фунтов)
  • Внешние размеры: 150 мм (5,9 дюйма) x 150 мм (5,9 дюйма) x 1200 мм (47 дюймов)
  • Полезная нагрузка: флуоресцентный биосенсор

Зонд также был разработан для перетаскивания серии контейнеров с датчиками, которые можно сбрасывать по команде и постоянно размещать в определенных местах во льду. Команда надеется в конечном итоге работать с другими исследователями, которые будут использовать IceMole для опускания датчиков глубоко в ледяной среде. Хотя питание для первых полевых испытаний на леднике обеспечивалось внешним генератором энергии на поверхности, также планируется, что мощность нагрева будет обеспечиваться от бортового источника питания.[1][3]

Испытания

Первые полевые испытания проводились в районе Ледник Мортерач в Швейцария летом 2010 года. Во время испытаний на леднике были успешно выполнены следующие испытания на проникновение:[1]

  • плавление под 45 ° вверх на 1,5 м (4 фута 11 дюймов) против силы тяжести;
  • плавление по горизонтали на 5 м (16 футов);
  • тает под 45 ° вниз на 3 м (9,8 фута), тем самым преодолевая три препятствующих слою без льда (грязь и песок на леднике) и проехав по кривой радиусом 10 м (33 фута).

  • Транспортировка оборудования на ледник Мортерач на вертолете.

  • IceMole перемещается на 45 ° вверх против силы тяжести.

  • Видно, что канал плавления направлен вверх.

В то время как IceMole двигалась со скоростью 30 см (12 дюймов) в час во время первого пробного запуска, оптимальные условия могли позволить аппарату двигаться более чем в три раза быстрее. Скорость проникновения будет увеличена для следующего прототипа.[1][2]

Результаты испытаний показывают, что концепция IceMole - это жизнеспособный подход для доставки научных инструментов в глубокий лед и их последующего восстановления. Еще одно преимущество IceMole по сравнению с бурением заключается в том, что биологическое загрязнение можно свести к минимуму, а процесс можно сделать в высшей степени автономным, так что нет необходимости в операторе на поверхности.[1][2]

Результаты были доложены на симпозиуме по антарктической науке в 2011 г. Мэдисон, Висконсин и Европейский союз геонаук 2011 проходил в Вена, Австрия.[2] Следующий пробный запуск планировалось провести в Северное полушарие лето 2012 года.[2]

Сценарий миссии на 2012 год: выкопать вертикаль «U»

Запланированные задачи полевого эксперимента на 2012 г. приведены ниже.[нужна цитата ]

Профиль миссии 2012:

1.) Продемонстрировать возможность восстановления IceMole и его полезной нагрузки.
2.) Копать горизонтальную "П"
3.) Копать вертикальную "П"
4.) Пройти расстояние ~ 40 м.
5) Работать в течение 50 - 150 часов

6) Отстыковать тросовые контейнеры

2014 тест на Кровавый водопад

Кровавый водопад был использован в качестве мишени для тестирования IceMole в ноябре 2014 года. Этот необычный поток талой воды из-под ледника дает ученым доступ к окружающей среде, которую они в противном случае могли бы исследовать только путем бурения (что также может привести к ее загрязнению). Его источник - подледниковый бассейн неизвестного размера, который иногда переполняется. Биогеохимический анализ показывает, что изначально вода была морской. Одна из гипотез состоит в том, что его источником могут быть остатки древнего фьорда, который занимал долину Тейлор в третичный период. Двухвалентное железо, растворенное в воде, окисляется, когда вода достигает поверхности, делая воду кроваво-красной.[4]

В ходе теста был получен чистый подледный образец из канала оттока из Кровавого водопада.[5]

Подледниковые среды Антарктиды нуждаются в протоколах защиты, аналогичных межпланетным миссиям.[6] и зонд был стерилизован согласно этим протоколам с использованием перекиси водорода и УФ-стерилизации. Кроме того, пробы жидкой воды непосредственно отбирались только на кончике зонда.[4][7]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я Дахвальд, Бернд; Чаншэн Сюй; Фельдманн, Марко; Плешер, Энгельберт (2011). «Разработка нового подземного ледового зонда и испытание первого прототипа на леднике Мортерач» (PDF). Рефераты по геофизическим исследованиям. Генеральная ассамблея Европейского союза геонаук, 2011 г., Вена, Австрия (3-8 апреля 2011 г.). 13.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j «IceMole приходит - новый дизайн может помочь исследовать замороженные окрестности на Земле и за ее пределами». Новости природы. Издательская группа "Природа". 30 апреля 2011 г. Дои:10.1038 / новости.2011.261.
  3. ^ а б c d е ж Команда IceMole (1 мая 2011 г.). «Зонд ледовых исследований IceMole (перевод с немецкого)». Студенческие проекты - Luft- und Raumfahrttechnik. Hochschule Aachhen. Архивировано из оригинал 25 июля 2011 г.. Получено 27 апреля 2011.
  4. ^ а б Дахвальд, Бернд; Микуки, Джилл; Тулачик, Славек; Дигель, Илья; Эспе, Клеменс; Фельдманн, Марко; Francke, Gero; Ковальски, Юлия; Сюй, Чаншэн (2014). «IceMole: маневренный зонд для чистого анализа на месте и отбора проб подземного льда и подледных водных экосистем». Анналы гляциологии. 55 (65): 14–22. Дои:10.3189 / 2014AoG65A004. ISSN  0260-3055.
  5. ^ Брабау, Касандра (7 апреля 2015 г.). «Буровая установка IceMole, созданная для исследования ледяной луны Сатурна Энцелад, прошла ледниковые испытания». Space.com.
  6. ^ «Кодекс поведения СКАР при исследовании и изучении подледниковой водной среды» (PDF). XXXIV Консультативное совещание по Договору об Антарктике, Буэнос-Айрес, 20 июня - 1 июля 2011 г. 7. Протоколы разведки должны также предполагать, что подледниковая водная среда содержит живые организмы, и следует принимать меры предосторожности для предотвращения любых необратимых изменений биологии (включая внедрение чужеродных видов) или свойств среды обитания этих сред.

    28. Буровые растворы и оборудование, которые попадут в подледниковую водную среду, должны быть очищены, насколько это практически возможно, и должны вестись записи тестов на стерильность (например, подсчет бактерий с помощью флуоресцентной микроскопии на буровой площадке). В качестве временного ориентира для общей чистоты эти объекты не должны содержать больше микробов, чем содержится в эквивалентном объеме льда, который пробуривается для достижения подледной среды. Этот стандарт следует пересмотреть, когда появятся новые данные о подледниковых водных микробных популяциях.
  7. ^ АНДЕРСОН, ПОЛ СКОТТ (29 февраля 2012 г.). «Предлагается новая захватывающая миссия« Исследователь Энцелада »для поиска жизни». Вселенная сегодня.

внешняя ссылка