För att citera NASAs biträdande administratör Jim Reuter, att skicka besättningsuppdrag till Mars 2040 är ett "dristigt mål". Utmaningarna inkluderar sträckan, som kan ta upp till sex månader att korsa med konventionella framdrivningsmetoder. Sedan finns det risken med strålning, som inkluderar ökad exponering för solpartiklar, flammor och galaktiska kosmiska strålar (GCR). Och så är det den tid som besättningarna kommer att spendera i mikrogravitation under transiter, vilket kan ta en allvarlig vägtull på människors hälsa, fysiologi och psykologi.
Men hur är det med utmaningarna med att leva och arbeta på Mars i flera månader åt gången? Medan förhöjd strålning och lägre gravitation är ett problem, så är Mars regolit också. Liksom månens regolit kommer damm på Mars att fästa vid astronauternas rymddräkter och orsaka slitage på deras utrustning. Men den innehåller också skadliga partiklar som måste avlägsnas för att förhindra förorenande livsmiljöer. I en nyligen genomförd studie testade ett team av flygingenjörer ett nytt elektrostatiskt system för att ta bort Mars regolit från rymddräkter som potentiellt skulle kunna ta bort skadligt damm med upp till 98 % effektivitet.
Det nya systemet designades av Benjamin M. Griggs och Lucinda Berthoud, en civilingenjörsstudent och professor i rymdteknik (respektive) vid Department of Aerospace Engineering vid University of Bristol, U.K. Uppsatsen som beskriver systemet och verifieringsprocessen publicerades nyligen i tidskriften Acta Astronautica . Som de förklarar använder det Electrostatic Removal System (ERS) som de föreslår fenomenet dielektrofores (DEP) för att avlägsna marsdamm från rymddräktens tyger.
Ungefär som sin månmotsvarighet, förväntas Mars regolit vara elektrostatiskt laddad på grund av exponering för kosmisk strålning. Men på Mars finns det också bidrag från dammjäklar och stormar, som har varit kända för att generera elektrostatiska urladdningar (aka blixtar). Under Apollo-uppdragen rapporterade astronauter hur månregoliten skulle fästa sig vid deras dräkter och spåras tillbaka till deras månmoduler. Väl inne skulle den på samma sätt fastna på allt och komma in i deras ögon och lungor, vilket orsakar irritation och andningsproblem.
Med tanke på deras planer på att återvända astronauter till månen genom Artemis-programmet, undersöker NASA flera metoder för att förhindra att regolit kommer in i bostadsmoduler – som beläggningsteknik för rymddräkter och elektronstrålar för att rengöra dem. Medan damm från mars förväntas orsaka liknande slitage på rymddräkter, förvärras situationen eftersom det kan innehålla giftiga partiklar. Som Griggs förklarade för Universe Today via e-post:
"Förutom att ha en nötande effekt på själva rymddräkterna förväntas Martian regolit också ge hälsoproblem för astronauter. Det är känt att det innehåller en rad skadliga partiklar som kan vara cancerframkallande eller orsaka andningsproblem, och data från Pathfinder-uppdraget visade närvaron av giftiga partiklar som krom kommer därför att behöva avlägsnas från rymddräkter innan de går in i bosättningszoner på Mars för att förhindra kontakt mellan astronauter och regolitpartiklar."
Principen bakom enheten, dielektrofores (DEP), hänvisar till rörelsen av neutrala partiklar när de utsätts för ett ojämnt elektriskt fält. Deras föreslagna Electrostatic Removal System (ERS) består av två komponenter:en High Voltage Waveform Generator (HVWG) som används för att producera fyrkantvågor med varierande frekvenser och amplituder upp till 1000 volt och en Electrostatic Removal Device (ERD) som består av en uppsättning parallella kopparelektroder . När fyrkantvågorna appliceras över elektroderna i ERD genereras ett stort och varierande elektriskt fält. Som Griggs sammanfattade:
"Därför, när dammpartiklar faller in på ytan av ERD, förskjuts dammpartiklarna genom en kombination av elektrostatiska och dielektroforetiska krafter (på grund av det stora elektriska fältet), som verkar på laddade respektive oladdade partiklar i dammet. Detta verkar för att förskjuta dammpartiklar i en riktning vinkelrät mot elektroderna, vilket resulterar i att ERD-ytan rensas."
För att utvärdera prestandan för deras föreslagna system utvecklade Griggs och prof. Berthoud ett experiment för att undersöka flera nyckelvariabler. Detta inkluderade fyrkantvågornas frekvens och amplitud, avståndet mellan elektroderna, lutningen på ytan på ERD, avståndet mellan elektroderna och dammskiktet och materialet på ytan från vilken damm avlägsnas. Det första steget var att ta fram analytiska modeller, vilket var en extremt komplex uppgift för detta system, och tidigare numeriska modeller var inte särskilt användbara.
"För detta arbete härleddes därför en enklare modell med Couloumbs lag och dielektrofores lag för en preliminär förutsägelse av effekten av parametrar inklusive fyrkantvågsamplitud, elektrodavstånd och damm-elektrodseparation (det faktiska avståndet mellan elektroderna och dammpartiklarna som de verkar för att ta bort) på systemets prestanda", sa Griggs. Nästa steg var att förbereda ett experiment som skulle kvantifiera det föreslagna systemets optimala prestanda och beteende och mäta dess effekter. Som Griggs beskrev:
"Två mätvärden utvecklades för att kvantifiera och jämföra systemets prestanda under testning:röjningsprestanda (% av ytan som var klar innehöll inte dammpartiklar) och röjningshastighet (en normaliserad röjningshastighet baserat på tiden det tog att gå från 5 % till 60 % av slutlig rensningsprestanda). Ett brett spektrum av parametrar undersöktes experimentellt, inklusive frekvensen och amplituden av fyrkantsvåg som applicerades över elektroderna. Systemet applicerades sedan för att ta bort damm från det yttre lagret av rymddräkter av Orto-tyg (det yttre lagret av rymddräkter) mellan systemet och ett lager av dammpartiklar."
Från sina tester fann de att systemet uppnådde en optimal rensningsprestanda på 98 % när det integrerades direkt under ett lager av dammpartiklar. Detta minskade dock avsevärt när det yttre lagret infördes på grund av det ökade avståndet mellan systemet och dammpartiklar. Som ett resultat drar de slutsatsen att detta system sannolikt skulle behöva integreras direkt i det yttre lagret av rymddräkter för att öka prestandan, eventuellt invävd i själva tyget. Systemet erbjuder en icke-slipande metod för att avlägsna damm, vilket är avgörande för framtida Mars-uppdrag.
Men som Griggs sammanfattade krävs ytterligare förbättringar innan tekniken kan användas på framtida uppdrag. Dessutom sträcker sig de potentiella fördelarna bortom astronauternas hälsa och att ta bort damm från rymddräkter:
"Detta koncept har redan utforskats med framgång, även om det till sin natur äventyrar integriteten hos det yttre lagret av rymddräkten. Tekniken kräver därför förfining innan den appliceras på framtida Mars-uppdrag. Tekniken ger ett lämpligt alternativ till de mekaniska metoderna för damm. borttagning som används på de korta Apollo-uppdragen (borstning och dammsugning), som är olämpliga för längre marsuppdrag på grund av deras nötande effekt på rymddräkterna. Det är därför också en mycket lovande teknik för borttagning av damm i andra applikationer såsom dammborttagning från solpaneler eller optiska enheter, vilket kommer att vara avgörande i framtida Mars-uppdrag."
Mer information: Benjamin M. Griggs et al, Utveckling av elektrostatiskt borttagningssystem för användning vid dammborttagning från rymddräkter från Mars, Acta Astronautica (2024). DOI:10.1016/j.actaastro.2024.02.016
Journalinformation: Acta Astronautica
Tillhandahålls av Universe Today
