Att bygga en ubåt blir svårt när temperaturen sjunker till -300 Fahrenheit och havet är gjort av metan och etan.

Washington State University forskare arbetar med NASA för att avgöra hur en ubåt kan fungera på Titan, den största av Saturnus många månar och den näst största i solsystemet. Rymdorganisationen planerar att skjuta upp en riktig ubåt i Titans hav under de kommande 20 åren.

Forskarna återskapade ett Titanhav i ett laboratorium. De har publicerat ett papper om sitt arbete i tidningen, Vätskefasjämvikter .

Titan är särskilt intressant för forskare eftersom det liknar jorden på ett viktigt sätt, den håller vätska. Till skillnad från nästan någon annanstans i solsystemet, månens yta inkluderar hav, floder och moln, och som på jorden, det kan regna. Men, istället för vatten, den hydrologiska cykeln är baserad på metan.

På grund av de möjliga lärdomarna det kan ge här på jorden, NASA har studerat Saturnus och dess månar i mer än ett decennium med data som samlats in från rymdfarkosten Cassini.

Ubåten som byrån designar kommer att behöva fungera autonomt. Det kommer att behöva studera atmosfäriska och havsförhållanden, flytta runt havsbottnar, och sväva på eller under ytan. Tekniken är ännu svårare eftersom, till skillnad från det nästan homogena vattnet i jordbaserade hav, koncentrationen av etan och metan kan variera dramatiskt i Titanhaven och förändra vätskans densitetsegenskaper.

NASA-inbjudan

Ian Richardson, en tidigare doktorand vid School of Mechanical and Materials Engineering, fick chansen att ta itu med hur NASA kan bygga en ubåt för de extrema förhållandena. I WSU:s kryogena labb, som studerar material vid mycket kalla temperaturer, Richardson återskapade Titans atmosfär och testade hur en liten uppvärmd maskin kan fungera under sådana förhållanden.

Richardson, som har en kandidatexamen i maskinteknik från WSU, har haft ett långvarigt intresse för rymd- och rymdutforskningsteknik. Han var WSU:s första mottagare av ett NASA Space Technology Research Fellowship, som inkluderade en praktikplats vid NASA:s Glenn Research Center i Cleveland, Ohio. Det var när han arbetade som praktikant på ett separat problem som en NASA-forskare kontaktade honom med problemet med att designa en ubåt för Titan.

"Min forskning tog bara en högersväng, och jag gick med det, " sa Richardson. "Det är ett galet experiment, och jag trodde aldrig att jag skulle ha fått den här möjligheten. Det har varit ett väldigt roligt och utmanande experimentellt designproblem."

Simulerar Titan hav

WSU-forskargruppen byggde en testkammare som inhyste vätskeblandningen vid mycket kalla temperaturer för att simulera Titans hav. De lade till en tvåtums, cylinderformad patronvärmare som skulle approximera värmen som en ubåt skulle skapa.

En av de största utmaningarna för forskare var att förstå bubblor i Titanhaven. Lägg till en ubåt som drivs av en värmeproducerande maskin i den mycket kalla Titan-vätskan, och kvävebubblor bildas. För många bubblor skulle göra det svårt att manövrera fartyget, ser, ta data och hantera ballastsystem.

Spelar in video vid -300 grader

Nästa stora problem, sa Richardson, fick en video under svåra förhållanden. Deras studie genomfördes vid 60 pund per kvadrattum av tryck och nästan -300 grader Fahrenheit. Richardsons grupp konstruerade en lösning med hjälp av en optisk enhet som kallas borescope och videokamera som kunde motstå de låga temperaturerna och höga trycken för att visualisera vad som pågick i testkammaren.

"Det är inte de vänligaste förutsättningarna, " sade han. "Du måste komma med kreativa lösningar."

Forskarna lyckades och tog videofilmer av etan-metanregn och snö. Gruppen studerade också frystemperaturerna för metan- och etansjöar och fastställde att på grund av en liten mängd kväve i vätskan, sjöarna fryser vid lägre temperaturer än förväntat:75 Kelvin, eller -324 grader Fahrenheit, istället för 90,5 Kelvin.

"Det är en stor sak, '' sa Richardson. "Det betyder att du inte behöver oroa dig för isberg."

Forskarna vill fortsätta arbetet med NASA för att uppdatera Titan Submarine -designen.