Människor har grävt under jorden i årtusenden – på jorden. Det är där vi utvinner några av våra mest värdefulla resurser som har fört samhället framåt. Till exempel skulle det inte ha funnits en bronsålder utan tenn och koppar - som båda främst finns under marken. Men när vi grävde under marken på himlakroppar har vi haft en mycket tuffare tid. Det kommer att behöva ändras om vi någonsin hoppas kunna utnyttja de potentiella resurser som finns tillgängliga under ytan. En artikel från Dariusz Knez och Mitra Kahlilidermani vid universitetet i Krakow tittar på varför det är så svårt att borra i rymden – och vad vi kan göra åt det.
I deras artikel från 2021, publicerad i tidskriften Energies , beskriver författarna två huvudkategorier av svårigheter vid borrning utanför världen - miljöutmaningar och tekniska utmaningar. Låt oss först dyka in i miljöutmaningarna.
En uppenbar skillnad mellan jorden och de flesta andra steniga kroppar som vi potentiellt skulle vilja borra hål i är avsaknaden av en atmosfär. Det finns några undantag – som Venus och Titan, men till och med Mars har en tillräckligt tunn atmosfär för att den inte kan bära upp ett grundläggande material som används för att borra här på jorden – vätskor.
Om du någonsin har provat att borra ett hål i metall, har du förmodligen använt lite kylvätska. Om du inte gör det, finns det en god chans att antingen din borr eller ditt arbetsstycke värms upp och deformeras till en punkt där du inte längre kan borra. För att lindra det problemet sprejar de flesta maskinister helt enkelt lite smörjmedel i borrhålet och fortsätter att trycka igenom. En större version av detta händer när byggföretag borrar i marken, särskilt i berggrunden – de använder vätskor för att kyla de ställen där de borrar.
Det är inte möjligt på en himlakropp utan atmosfär. Åtminstone inte med traditionell borrteknik. All vätska som utsätts för avsaknaden av atmosfär skulle omedelbart sublimeras bort, vilket ger liten eller ingen kyleffekt till arbetsområdet. Och med tanke på att många borroperationer sker autonomt, måste borren själv – vanligtvis kopplad till en rover eller lander – veta när den ska backa på sin borrprocess innan borrkronorna smälter. Det är ett extra lager av komplexitet och inte ett som många konstruktioner ännu har kommit på en lösning.
Ett liknande vätskeproblem har begränsat antagandet av en allestädes närvarande borrteknik som används på jorden - hydraulik. Extrema temperatursvängningar, som de som ses på månen under dag/natt-cykeln, gör det extremt svårt att tillhandahålla en vätska för användning i ett hydraulsystem som inte fryser under kalla nätter eller avdunstar under brännheta dagar. Som sådant är hydraulsystem som används i nästan alla stora borriggar på jorden extremt begränsade när de används i rymden.
Andra problem som slipmedel eller klängig regolit kan också dyka upp, såsom brist på magnetfält när borren orienteras. I slutändan kan dessa miljöutmaningar övervinnas med samma saker som människor alltid använder för att övervinna dem, oavsett vilken planetkropp de befinner sig på – teknik.
Det finns dock massor av tekniska utmaningar för att borra utanför världen också. Den mest uppenbara är viktbegränsningen, en avgörande faktor för att göra vad som helst i rymden. Stora borriggar använder tunga material, såsom stålhöljen, för att stödja borrhålen de borrar, men dessa skulle vara oöverkomligt dyra med nuvarande lanseringsteknik.
Dessutom är själva borrsystemets storlek den begränsande faktorn för borrkraften - som det står i tidningen "kan den maximala kraften som överförs till borrkronan inte överstiga vikten av hela borrsystemet." Detta problem förvärras av det faktum att typiska roverövningar utnyttjas på en robotarm istället för att placeras direkt under där den maximala vikten kan appliceras. Denna kraftbegränsning begränsar också den typ av material som borren kan ta sig igenom - det kommer att vara hårt pressat att borra genom något betydande stenblock, till exempel. Även om omformning av rovers med borrplats i åtanke kan vara till hjälp, återigen kommer begränsningen av lanseringsvikt in i bilden här.
Ett annat tekniskt problem är bristen på kraft. Kolvätedrivna motorer driver de flesta stora borriggar på jorden. Det är inte möjligt utanför jorden, så systemet måste drivas av solceller och de batterier de tillhandahåller. Dessa system lider också av samma tyranni som raketekvationen, så de är vanligtvis relativt begränsade i storlek, vilket gör det svårt för borrsystem att dra fördel av några av fördelarna med helt elektriska system framför kolvätedrivna - såsom högre vridmoment .
Oavsett vilka svårigheter dessa borrsystem möter, kommer de att vara avgörande för framgången för alla framtida prospekteringsprogram, inklusive besättning. Om vi någonsin vill skapa lavagrottstäder på månen eller ta oss genom Enceladeus inlandsis till havet inom oss, kommer vi att behöva bättre borrteknik och tekniker. Lyckligtvis finns det många designinsatser för att komma fram till dem.
Tidningen beskriver fyra olika kategorier av borrdesigner:
För varje kategori listar tidningen flera mönster i olika fullständighetsstadier. Många av dem har nya idéer om hur man går tillväga för att borra, som att använda ett "inchworm"-system eller använda ultraljud.
Men för närvarande är det fortfarande en svår men nödvändig uppgift att borra utanför världen, och särskilt på asteroider och kometer, som har sina egna gravitationsutmaningar. När mänskligheten blir mer erfaren på det kommer vi utan tvekan att bli bättre på det. Med tanke på hur viktig den här processen är för rymdutforskares stora planer överallt, kan tiden då vi effektivt kan borra i vilken stenig eller isig kropp som helst i solsystemet inte komma snart nog.
Tillhandahålls av Universe Today
