MoonRanger, en liten robotrover som utvecklas av Carnegie Mellon University och dess spinoff Astrobotic, har slutfört sin preliminära designgranskning som förberedelse för ett uppdrag 2022 för att söka efter tecken på vatten vid månens sydpol.

Huruvida begravd is finns i användbara mängder är en av de mest angelägna frågorna vid månutforskning, och MoonRanger kommer att vara den första att söka bevis på det på marken. Om den hittas i tillräcklig koncentration på tillgängliga platser, is kan vara den mest värdefulla resursen i solsystemet, sa William "Red" Whittaker, Universitetsgrundarna forskningsprofessor vid Robotics Institute.

"Vatten är nyckeln till mänsklig närvaro på och användning av månen, " förklarade Whittaker, som leder utvecklingen av MoonRanger. "Rymdbyråer runt om i världen är inriktade på att undersöka det."

Whittaker och hans team vände sig först till NASA om att använda robotar för att söka efter månens is 1996, och de kommer att uppfylla den visionen ett kvartssekel senare genom att landa 2022.

"Det här har inte varit snabbt eller lätt, " sa Whittaker. "Det är fantastiskt att vi efter dessa många år kommer att ha den första titten."

NASA kommer att följa MoonRanger vid ett senare tillfälle med sin mer kapabla Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER), som kommer att utföra mer rigorös och ihållande utforskning och vetenskaplig karakterisering av isen.

MoonRangers landare kommer att vara Masten Space Systems XL-1, stöds av NASA Commercial Lunar Payload Services-programmet. Rovern kommer att vara en av åtta vetenskaps- och tekniknyttolaster, som stöds av NASA Lunar Surface Instrument and Technology Payloads-programmet.

Rymdbyrån sa att nyttolasten stöder dess Artemis-program, som syftar till att återföra amerikanska astronauter till månen under de kommande åren.

Förra månaden, granskare fastställde hållbarheten av designen för rover och dess uppdrag. Lydia Schweitzer, en masterstudent i beräkningsdesign som ledde systemteknikteamet, sa att den två dagar långa granskningen involverade mer än 60 personer – inklusive veteraner från Apollo-programmet och Mars rover-projektet – som gav viktiga förslag och feedback.

Schweitzer sa att projektet involverade ett dussin lärare och personal, samt minst 90 elever, inklusive tre terminer av anmälda i Whittakers projektkurs. Discipliner representerade i teamet omfattar ingenjörskonst, robotik, datavetenskap, mjukvaruutveckling, människa-datorinteraktion, arkitektur och design. Teamet har också utnyttjat ett nätverk av CMU-alumner med expertis inom rymdrobotik för att lösa problem och optimera roverns design.

Även när MoonRanger tar form, Whittaker och ett annat studentteam fortsätter att förbereda sig för ett uppdrag 2021 där en CMU-rover på fyra pund som heter Iris och ett CMU-konstpaket som heter MoonArk kommer att resa till månen på Astrobotics Peregrine lander.

MoonRanger har ett antal tekniska innovationer. Ungefär lika stor som en resväska, den är utformad för att upprepade gånger utforska med hastigheten 1, 000 meter per jorddag i både solbelysta och mörka förhållanden – oöverträffad hastighet för en planetarisk rover. Däremot en kinesisk robot nu på bortre sidan av månen har i genomsnitt varit mindre än en meter per jorddag.

Till skillnad från andra rovers, MoonRanger bär inte isotopvärmning, så dess batteri och elektronik kommer att gå sönder när natten faller och kryogena temperaturer sätter in. roboten måste utföra sitt uppdrag på mindre än månmånadens 14 solbelysta jorddagar. Den är också lätt och kan inte bära en stor radio för att kommunicera direkt med jorden. Den måste alltså återvända till landaren, med vilken den kommer att upprätta trådlös kommunikation med kort räckvidd så att landarens radio kan vidarebefordra robotens fynd till jorden.

"MoonRanger kommer att vara på egen hand under långa perioder, sa David Wettergreen, forskningsprofessor i robotik och medutredare för roverprojektet, noterar att rover kommer att vara ur kontakt med kontroller på jorden när den gör sina utforskningar

Uppdraget designades ursprungligen för att demonstrera roverns förmåga. Men NASA utökade det i våras till att inkludera sökandet efter is genom att lägga till dess neutronspektrometersystem (NSS) till MoonRanger. NSS, utvecklad av NASA Ames Research Center, mäter mängden väte i det övre lagret av månens jord, kallas regolit. Vätgasmängden är korrelerad med koncentrationen av begravd vattenis. NSS kommer att vara med på resan, "tickar som en geigerräknare" när rover passerar över begravd is, sedan tystnar i bentorra områden, sa Whittaker.

Roverns solpanel är orienterad vertikalt för att fånga de låga solvinklarna som upplevs vid polen. Den låga solen gör också att kratrar och dopp kastar djupt, kolsvarta skuggor. Rover, därför, kommer att behöva känna och navigera genom mörkret – ännu en första. Eftersom LIDAR-sensorer som ofta används av jordrobotar ännu inte är tillgängliga för små rymdrovers, MoonRanger uppnår mörkerseende genom att projicera laserlinjer framför sig för att modellera den mörka terrängen, ungefär som stereokameror gör i solljus.

När den väl landar på månen, MoonRanger kommer att utvärdera dess körning, navigerings- och kartfunktioner i korta utflykter nära landaren. Den kommer sedan att försöka en serie avlägsna vandringar för att söka is.

"Om vi ​​kunde göra en vandring på en kilometer, vi skulle bli väldigt glada, " sa Wettergreen. "Om vi ​​kunde göra det två gånger, det skulle vara fantastiskt."

Osäkerhet är oundviklig för ett uppdrag så ambitiöst som MoonRanger, sa Whittaker.

"Inför det, det är bara frågan om man ska göra det ändå, " tillade han. "Detta har alla delar av syfte, teknologi, utforskning, vetenskap och uppfyllelse av vision. Dessa lämnar ingen tvekan om att gå för det och ge allt."