Curiosity-rovern har gjort några otroliga upptäckter under de fem år den har opererat på Mars yta. Och under loppet av sin forskning, rovern har också samlat på sig en del rejäla körsträcka. Dock, det kom verkligen som en överraskning när under en rutinundersökning 2013, medlemmar av vetenskapsteamet Curiosity noterade att dess hjul hade slitits i deras slitbanor (följt av avbrott som rapporterades 2017).

Med blicken mot framtiden, forskare vid NASA:s Glenn Research Center hoppas kunna utrusta nästa generations rovers med ett nytt hjul. Det är baserat på "Vårdäcket", som NASA utvecklade med Goodyear redan i mitten av 2000-talet. Dock, snarare än att använda lindade ståltrådar vävda i ett nätmönster (som var en del av den ursprungliga designen) har ett team av NASA-forskare skapat en mer hållbar och flexibel version som kan revolutionera rymdutforskningen.

När det kommer till kritan, månen, Mars, och andra kroppar i solsystemet har hårda, straffa terräng. När det gäller månen, huvudfrågan är regoliten (aka. måndamm) som täcker större delen av dess yta. Detta fina damm är i huvudsak taggiga bitar av månsten som spelar förödelse för motorer och maskinkomponenter. På Mars, situationen är lite annorlunda, med regolit och vassa stenar som täcker större delen av terrängen.

Under 2013, efter bara ett år på ytan, Curiosity-roverns hjul började visa tecken på slitage på grund av att den korsade oväntat hård terräng. Detta fick många att oroa sig för att rovern kanske inte skulle kunna slutföra sitt uppdrag. Det ledde också till att många vid NASA:s Glenn Research Center ompröva en design som de hade arbetat med nästan ett decennium tidigare, som var avsedd för förnyade uppdrag till månen.

För NASA Glenn, utveckling av däck har varit i fokus för forskning i ungefär ett decennium nu. I det här avseendet, de återvänder till en anrik tradition av NASA-ingenjörer och forskare, som började redan på Apollo-eran. Just då, både de amerikanska och ryska rymdprogrammen utvärderade flera däckdesigner för användning på månens yta. Övergripande, tre huvuddesigner föreslogs.

Först, du hade hjulen speciellt designade för Lunokhod rover, ett ryskt fordon vars namn bokstavligen översätts till "moon Walker". Hjuldesignen för denna rover bestod av åtta stela fälg, trådnätsdäck som var kopplade till sina axlar med ekrar av cykeltyp. Metallklackar var också monterade på utsidan av däcket för att säkerställa bättre grepp i måndammet.

Sedan var det NASAs koncept för en modulariserad utrustningstransportör (MET), som utvecklades med stöd av Goodyear. Denna omotoriserade vagn kom med två kvävefyllda, släta gummidäck för att göra det lättare att dra vagnen genom månens jord och över stenar. Och så var det designen för Lunar Roving Vehicle (LRV), som var det sista NASA-fordonet som besökte månen.

Detta bemannade fordon, som Apollo-astronauter använde för att köra runt på den utmanande månytan, förlitade sig på fyra stora, flexibla trådnätshjul med styva innerramar. Under mitten av 2000-talet när NASA började planera för att montera nya uppdrag till månen (och framtida uppdrag till Mars), de började omvärdera LRV-däcket och införlivade nya material och teknologier i designen.

Frukten av denna förnyade forskning var vårdäcket, som var verk av mekanisk forskningsingenjör Vivake Asnani, som arbetade nära Goodyear för att utveckla den. Designen krävde en luftlös, kompatibla däck som består av hundratals lindade ståltrådar, som sedan vävdes till ett flexibelt nät. Detta säkerställde inte bara låg vikt, men gav också däcken förmågan att bära hög belastning samtidigt som de anpassade sig till terrängen.

För att se hur vårdäcket skulle klara sig på Mars, ingenjörer vid NASA:s Glenn Research Center började testa dem i Slope-labbet, där de sprang dem genom en hinderbana som simulerade Marsmiljön. Även om däcken i allmänhet fungerade bra i simulerad sand, de fick problem när trådnätet deformerades efter att ha passerat över taggiga stenar.

För att ta itu med detta, Colin Creager och Santo Padua (en NASA-ingenjör och materialforskare, respektive) diskuterade möjliga alternativ. I tid, de kom överens om att ståltrådarna skulle ersättas med nickeltitan, en formminneslegering som kan behålla sin form under tuffa förhållanden. Som Padua förklarade i ett NASA Glenn-videosegment, inspirationen till att använda denna legering var väldigt överdådig:

"Jag råkade bara vara borta i byggnaden här, där Slope-labbet är. Och jag var här för ett annat möte för det arbete jag gör i formminneslegeringar, och jag råkar stöta på Colin i hallen. Och jag tänkte "vad gör du tillbaka och varför är du inte över i effektlabbet?" – för att jag kände honom som student. Han sa, 'väl, Jag har tagit examen, och jag har jobbat här på heltid ett tag... Jag jobbar i Slope."

Trots att jag arbetat på JPL i 10 år, Padua hade inte sett Slope-labbet tidigare och tackade ja till en inbjudan för att se vad de arbetade med. Efter att ha gått in i labbet och tittat på fjäderdäcken som de testade, Padua frågade om de hade problem med deformation. När Creager erkände att de var, Padua föreslog en lösning som bara råkade vara hans expertområde.

"Jag hade aldrig ens hört talas om termen formminneslegeringar tidigare, men jag visste att [Padua] var en materialvetenskapsingenjör, " sa Creager. "Och så, sedan dess har vi samarbetat kring dessa däck med hjälp av hans materialexpertis, speciellt i formminneslegeringar, att komma med detta nya däck som vi tror verkligen kommer att revolutionera planetariska roverdäck och potentiellt även däck för jorden också."

Nyckeln till att forma minneslegeringar är deras atomära struktur, som är sammansatt på ett sådant sätt att materialet "minns" sin ursprungliga form och kan återgå till den efter att ha utsatts för deformation och belastning. Efter att ha byggt formminnesdäcket, Glenns ingenjörer skickade den till Jet Propulsion Laboratory, där den testades i Mars Life Test Facility.

Övergripande, däcken presterade inte bara bra i simulerad marssand, men kunde utan svårighet tåla att gå över bestraffning av klipphällar. Även efter att däcken deformerats ända ner till sina axlar, de kunde behålla sin ursprungliga form. De lyckades också göra detta samtidigt som de bar en betydande nyttolast, vilket är ytterligare en förutsättning vid utveckling av däck för prospekteringsfordon och rovers.

Prioriteringarna för Mars Spring Tire (MST) är att erbjuda större hållbarhet, bättre grepp i mjuk sand, och lättare vikt. Som NASA anger på MST-webbplatsen (en del av Glenn Research Centers webbplats), det finns tre stora fördelar med att utveckla högpresterande däck, som Spring Wheel:

"Först, de skulle tillåta rovers att utforska större delar av ytan än vad som för närvarande är möjligt. För det andra, eftersom de anpassar sig till terrängen och inte sjunker lika mycket som styva hjul, de kan bära tyngre nyttolaster för samma givna massa och volym. Slutligen, eftersom de kompatibla däcken kan absorbera energi från stötar vid måttliga till höga hastigheter, de kan användas på bemannade utforskningsfordon som förväntas röra sig i hastigheter som är betydligt högre än de nuvarande Mars-rovers."

Den första tillgängliga möjligheten att testa dessa däck är bara några år bort, när NASA:s Mars 2020 Rover kommer att skickas till ytan av den röda planeten. Väl där, Rover kommer att fortsätta där Curiosity och andra rovers slutade, letar efter tecken på liv i Mars hårda miljö. Rovern har också till uppgift att förbereda prover som så småningom kommer att returneras till jorden av ett besättningsuppdrag, som förväntas ske någon gång under 2030-talet.