De Nyfikenhet Rover har gjort några otroliga upptäckter under de fem åren den har drivit på ytan av Mars. Och under genomförandet av sin forskning har rover också tillkommit någon allvarlig körsträcka. Men det kom verkligen som en överraskning när medlemmar av forskningsgruppen Curiosity under en rutinmässig undersökning 2013 konstaterade att dess hjul hade drabbats av rippor i deras slitbanor (följt av pauser rapporterade 2017).
Med tanke på framtiden hoppas forskare vid NASA: s Glenn Research Center att utrusta nästa generations rovers med ett nytt hjul. Det är baserat på "Spring Tire", som NASA utvecklade med Goodyear tillbaka i mitten av 2000-talet. Istället för att använda spiralformade ståltrådar som är vävda i ett nätmönster (som var en del av den ursprungliga designen) har emellertid ett team av forskare från NASA skapat en mer hållbar och flexibel version som kan revolutionera rymdutforskningen.
När det kommer till det har månen, Mars och andra kroppar i solsystemet hård, straffande terräng. När det gäller månen är huvudfrågan regolit (alias måndamm) som täcker huvuddelen av dess yta. Detta fina damm är i huvudsak taggade bitar av lunarrock som spelar förödelse med motorer och maskinkomponenter. På Mars är situationen något annorlunda, med regolit och vassa stenar som täcker det mesta av terrängen.
2013, efter bara ett år på ytan, började Curiosity rover's hjul att visa tecken på slitage på grund av att det korsade oväntat hård terräng. Detta fick många att oroa sig för att roveren kanske inte skulle kunna fullfölja sitt uppdrag. Det ledde också till att många vid NASA: s Glenn Research Center övervägde en design de hade arbetat med nästan ett decennium tidigare, som var avsedd för förnyade uppdrag till månen.
För NASA Glenn har däckutvecklingen varit ett forskningsfokus i ungefär ett decennium nu. I detta avseende återvänder de till en tidshöjd tradition av NASA-ingenjörer och forskare, som började tillbaka i Apollo-eran. Vid den tiden utvärderade både de amerikanska och ryska rymdprogrammen flera däckkonstruktioner för användning på månens yta. Sammantaget föreslogs tre huvudkonstruktioner.
Först hade du hjulen speciellt designade för Lunokhod rover, ett ryskt fordon vars namn bokstavligen översätter till "Moon Walker". Hjulkonstruktionen för denna rover bestod av åtta styva fälgar, trådmaskiga däck som var anslutna till deras axlar av ekrar av cykeltyp. Metallplagg monterades också på utsidan av däcket för att säkerställa bättre dragkraft i måndammet.
Sedan fanns det NASA: s koncept för en modulariserad utrustningstransporter (MET), som utvecklades med stöd av Goodyear. Denna okraftiga vagn kom med två kvävefyllda, släta gummidäck för att göra det lättare att dra vagnen genom månjord och över stenar. Och sedan var designen för Lunar Roving Vehicle (LRV), som var det sista NASA-fordonet som besökte månen.
Detta besättningsfordon, som Apollo-astronauterna använde för att köra runt på den utmanande månytan, förlitade sig på fyra stora, flexibla trådnäthjul med styva inre ramar. Under mitten av 2000-talet, när NASA började planera att montera nya uppdrag till månen (och framtida uppdrag till Mars), började de omvärdera LRV-däcket och införliva nya material och teknik i designen.
Frukten av denna förnyade forskning var Spring Tire, som var arbetet med mekanisk forskningsingenjör Vivake Asnani, som arbetade nära med Goodyear för att utveckla den. Konstruktionen krävde ett luftfritt, kompatibelt däck som består av hundratals lindade ståltrådar, som sedan vävdes till ett flexibelt nät. Detta garanterade inte bara lätt vikt utan också gav däcken förmågan att stödja höga belastningar medan de överensstämmer med terrängen.
För att se hur vårdäcket skulle gå på Mars började ingenjörer vid NASA: s Glenn Research Center att testa dem i Slope-laboratoriet, där de körde dem genom en hinderbana som simulerade den Martiska miljön. Medan däcken generellt sett fungerade bra i simulerad sand, upplevde de problem när trådnätet deformerades efter att ha passerat taggade stenar.
För att ta itu med detta diskuterade Colin Creager och Santo Padua (en NASA-ingenjör respektive materialforskare) möjliga alternativ. Med tiden kom de överens om att ståltrådarna skulle bytas ut med nickeltitan, en formminneslegering som kan behålla sin form under tuffa förhållanden. Som Padua förklarade i ett NASA Glenn-videosegment var inspiration till att använda denna legering mycket serendipitös:
”Jag var precis över i byggnaden här, där sluttningslaboratoriet är. Och jag var här för ett annat möte för det arbete som jag gör i form av minneslegeringar, och jag råkar råka in i Colin i hallen. Och jag var som "vad gör du tillbaka och varför är du inte över i konsekvenslaboratoriet?" - för jag kände honom som student. Han sa: "Tja, jag har tagit examen och jag har jobbat här på heltid ett tag ... Jag arbetar i Slope."
Trots att han arbetade på JPL i tio år hade Padua inte sett Slope-laboratoriet tidigare och accepterat en inbjudan att se vad de arbetade med. Efter att ha kommit in i labbet och tittat på vårdäcken som de testade, frågade Padua om de hade problem med deformation. När Creager medgav att de var det föreslog Padua en lösning som just råkade vara hans expertområde.
"Jag hade aldrig ens hört talas om termminneslegeringar förut, men jag visste att [Padua] var en materialvetenskapstekniker", sa Creager. Sedan dess har vi samarbetat om dessa däck med hjälp av hans materialkompetens, särskilt i formminneslegeringar, för att komma med detta nya däck som vi tror verkligen kommer att revolutionera planetariska däck och potentiellt även däck för jorden också ”.
Nyckeln till att forma minneslegeringar är deras atomstruktur, som är sammansatt på ett sådant sätt att materialet "kommer ihåg" sin ursprungliga form och kan återgå till det efter att ha utsatts för deformation och belastning. Efter att ha byggt formminneslegeringsdäcket skickade Glenn-ingenjörerna det till Jet Propulsion Laboratory, där det testades i Mars Life Test Facility.
Sammantaget presterade däcken inte bara bra i simulerad Martiansand, utan kunde tåla att gå över att bestraffa steniga outcroppings utan svårigheter. Även efter att däcken deformerats hela vägen ner till axlarna kunde de behålla sin ursprungliga form. De lyckades också göra detta medan de hade en betydande nyttolast, vilket är en annan förutsättning för att utveckla däck för efterforskningsfordon och rover.
Prioriteringarna för Mars Spring Tire (MST) är att erbjuda större hållbarhet, bättre dragkraft i mjuk sand och lättare vikt. Som NASA indikerar på MST-webbplatsen (en del av Glenn Research Center: s webbplats) finns det tre stora fördelar med att utveckla högpresterande däck som Spring Wheel:
”Först skulle de tillåta rovers att utforska större ytor än nu är möjligt. För det andra, eftersom de överensstämmer med terrängen och inte sjunker så mycket som styva hjul, kan de bära tyngre nyttolaster för samma givna massa och volym. Slutligen, eftersom de kompatibla däcken kan absorbera energi från stötar med måttliga till höga hastigheter, kan de användas på besättade efterforskningsfordon som förväntas röra sig med hastigheter som är betydligt högre än de nuvarande Mars-roversna. ”
Den första tillgängliga möjligheten att testa dessa däck är bara några år bort, när NASA: s Mars 2020 Rover kommer att skickas till ytan på Röda planeten. Väl där väl kommer rover att plocka upp där nyfikenhet och andra rovers har slutat och letar efter tecken på liv i Mars: s hårda miljö. Rover har också i uppgift att förbereda prover som så småningom kommer att returneras till jorden av ett besättningsuppdrag, som förväntas äga rum någon gång på 2030-talet.
