30.10.2014

Kosmiczna wiertnica


Wizualizacja wiertnicy

Schemat modułu wiercącego

Analog gruntu księżycowego AGK

Frakcje ziarnowe analogu gruntu księżycowego

Gdy Neil Armstrong w 1969 roku pobierał z Księżyca próbki gruntu, nie mógł przypuszczać, że pół wieku później przywieziony przez niego materiał pomoże polskim naukowcom w badaniach, których efekty mogą mieć wielkie znaczenie dla ludzi na całym świecie. To, że zasoby Ziemi niezbędne do rozwoju naszej cywilizacji nie są nieograniczone, to wiedza oczywista, ale przez wielu ignorowana. Jednakże naukowcy już teraz obmyślają sposoby wykorzystania planet bliskich Ziemi jako miejsc, z których w przyszłości można będzie czerpać deficytowe surowce. Nad metodami ich poszukiwania w tak niewyobrażalnie trudnych warunkach pracują wspólnie inżynierowie z Akademii Górniczo-Hutniczej i Centrum Badań Kosmicznych PAN.

 

AGK w hołdzie uczelni

„Kosmiczne” prace uczonych z Krakowa i Warszawy prowadzone są przez Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, a także wydziały Wiertnictwa, Nafty i Gazu (Katedra Wiertnictwa i Geoinżynierii) oraz Inżynierii Mechanicznej i Robotyki (Katedra Robotyki i Mechatroniki) AGH. Projekt pod nazwą „Opracowanie modelu automatycznej wiertnicy rdzeniowej do pracy w ekstremalnych warunkach, w szczególności w środowisku kosmicznym” jest kontynuacją współpracy, która trwa już pięć lat. Pierwszy etap poświęcono wytworzeniu analogu gruntu księżycowego, nazwanego „AGK” (pierwsze dwie litery skrótu mają podkreślić, że analog powstał w Akademii Górniczo-Hutniczej; litera K oznacza Księżyc). Substancja ta, uzyskana przez prof. Andrzeja Goneta, dr. inż. Mirosława Rzyczniaka, dr. inż. Stanisława Bednarza z Katedry Wiertnictwa i Geoinżynierii we współpracy z dr. inż. Karolem Sewerynem z CBK PAN na podstawie dokładnych danych granulometrycznych i geomechanicznych analogu gruntu księżycowego wyprodukowanego w USA, jest wierną kopią próbek gruntu, które Neil Armstrong pobrał na Srebrnym Globie. Drobny szary proszek wyglądem przypomina cement, ale – jak zapewniają naukowcy – pod względem składu chemicznego nie ma z nim nic wspólnego. Wyprodukowanie AGK było trudne i zajęło wiele czasu, ale było konieczne, aby umożliwić prowadzenie badań wiertniczych w warunkach zbliżonych do księżycowych. AGK został już zgłoszony do Urzędu Patentowego.
– Chodziło nam o to, aby zrobić w miarę możliwości tani produkt, który będzie w swoich właściwościach podobny do gruntu księżycowego, i spróbować przetestować w nim zachowanie urządzeń i narzędzi mających tam pracować. Nasz analog to nie jest analog samego gruntu księżycowego, to jest analog analogu. Podczas misji Apollo 11 Amerykanie pobrali próbki tego gruntu, którego nikt poza nimi nie ma. Ale wyprodukowali pierwsze analogi na podstawie przywiezionych rzeczywistych próbek gruntu księżycowego. Takie analogi zostały zakupione przez Centrum Badań Kosmicznych w Warszawie i po nawiązaniu współpracy z CBK przez prof. Andrzeja Goneta, dziekana Wydziału WNiG, przywieziono do nas te próbki. Ze względu na ich niezwykle wysoką cenę zakupiono kilkadziesiąt kilogramów, a my do badań potrzebujemy kilku ton, w związku z tym poszukiwano kogoś, kto podejmie się opracowania polskiego analogu. To się udało zrobić w AGH. To jest pierwszy polski analog gruntu księżycowego. Na potrzeby badań laboratoryjnych wyprodukowano go ponad 6 ton – podkreśla dr inż. M. Rzyczniak.

 

Robot i kosmiczna wiertnica

Projekt mobilnej wiertnicy jest podzielony na trzy części: Katedra Wiertnictwa i Geoinżynierii ma skonstruować system rdzeniujący, który bez udziału człowieka będzie mógł wiercić otwór i pobierać próbki gruntu w warunkach ekstremalnych. Zadaniem Katedry Robotyki i Mechatroniki jest opracowanie mobilnego robota, który będzie miał za zadanie autonomicznie dostarczyć system w wybrane miejsce, gdzie ma być wiercony otwór. Do Centrum Badań Kosmicznych PAN należy opracowanie systemu zapewniającego dostarczenie systemu rdzeniującego na odpowiednią głębokość oraz układu magazynowania pobranej próbki.
 Temat naszych badań wydaje się abstrakcyjny, ale mimo to zainteresowanie na świecie tego typu urządzeniami stale rośnie, ponieważ plany wykorzystania planet bliskich Ziemi wymagają rozpoznania składu gruntu na niewielkich głębokościach – mówi dr inż. A. Zwierzyński z Wydziału WNiG. Coraz większe zainteresowanie tą tematyką wykazują Europejska Agencja Kosmiczna i amerykańska NASA. Naukowcy z AGH, którzy już od kilku lat współpracują z Centrum Badań Kosmicznych PAN, zaproponowali, aby wspólną wiedzę i umiejętności połączyć w jeden projekt i skonstruować urządzenie, które pozwoliłoby zrealizować wiercenia na sąsiednich planetach, a także mogłoby być wykorzystane w ekstremalnych warunkach na Ziemi – w miejscach, do których człowiek nie ma dostępu bądź dostęp byłby zagrożeniem dla jego zdrowia i życia.
– Projektowana wiertnica jest samonośna, posiada autonomiczny układ jezdny przygotowany do pracy w kosmosie, jak i trudnych warunkach ziemskich. Zastosowano bardzo innowacyjne rozwiązania układów zasilania w konieczną, zarówno do poruszania się, jak i do realizacji procesu wiercenia, energię. Tak skonstruowana platforma ma wbudowane układy komunikacji i sterowania umożliwiające zdalne sterowanie lub autonomiczną pracę nawet w kosmosie. Zbudowany prototyp urządzenia będzie testowany w warunkach zbliżonych do kosmosu w laboratoriach Centrum Badań Kosmicznych PAN. Mam nadzieję, że wyniki projektu przybliżą możliwość sprowadzania rzadkich, a często potrzebnych, pierwiastków z planet Układu Słonecznego na Ziemię. W tej chwili świat patrzy z nadzieją na Księżyc, że tam znajdziemy pierwiastki zaspakajające potrzeby energetyczne świata – mówi prof. Tadeusz Uhl z Wydziału IMiR AGH.

 

Minerały i ślady życia

Naukowcom chodzi o stworzenie urządzenia potrafiącego poruszać się, robić otwory w celu pobrania próbek z różnych miejsc i z głębokości nawet paru metrów. – Stworzony przez nas analog pozwala prowadzić próby wierceń w materiale imitującym grunt księżycowy posiadający bardzo specyficzne własności fizyczne. Materiał taki cechuje m.in. duża abrazyjność spowodowana nieregularnym kształtem ziaren, niespotykanym w warunkach ziemskich. Niewielka wielkość ziaren powoduje, że materiał z łatwością dostaje się do najdrobniejszych mechanizmów. Zaprojektowanie poprawnie działających mechanizmów w opisanym środowisku stanowi wyzwanie i nie jest możliwe bez testów z użyciem analogów gruntu księżycowego i marsjańskich. Nową wiertnicę cechuje wielofunkcyjność. Posiada ona m.in. możliwość pobrania kilkunastu niewielkiej długości rdzeni, wszystko przy niskim zapotrzebowaniu energetycznym. Pobrane rdzenie mogą zostać przebadane na pokładzie lądownika lub zostać przemieszczone do zasobnika, który powróci na Ziemię. Następnie zostaną przetransportowane do laboratorium – mówi prof. A. Gonet.
– Chcemy wiercić do kilku metrów, bo tych kilka metrów w warunkach marsjańskich jest bardzo istotnych. Dlaczego? W gruncie marsjańskim w pewnych obszarach na takiej głębokości może znajdować się zamarznięta woda, a wykrycie jej wskazuje nam obszar do potencjalnego umieszczenia bazy – wyjaśnia dr inż. A. Zwierzyński z Katedry Wiertnictwa i Geoinżynierii. W gruncie marsjańskim mogą się przecież znajdować minerały, które w przyszłości będzie można eksploatować. Istnieją też przypuszczenia, że kilka metrów w głąb mogą znajdować się ślady prymitywnych form życia.
– Badanie warstw podpowierzchniowych asteroidów i księżyców planet pozwalają nam lepiej zrozumieć ewolucję Wszechświata i procesy zachodzące na przestrzeni miliardów lat. Dla przykładu planowane misje do Phobosa, księżyca Marsa mają odpowiedzieć na kluczowe pytanie dzielące planetologów, mianowicie czy Phobos został przechwycony przez Marsa czy podobnie jak nasz Księżyc pochodzi z planety matki. W ten sposób łączą się nauki podstawowe z technicznymi – podkreśla kierownik projektu dr. inż. K. Seweryn z Centrum Badań Kosmicznych PAN.

 

Pierwsze testy i już powodzenie

Ponieważ warunki ziemskie znacznie różnią się od panujących na innych planetach, testy wierceń należało przeprowadzać w próżni (komorą próżniową dysponuje Centrum Badań Kosmicznych). Uczeni z AGH są zadowoleni z wyników testów wiertnicy, gdyż wypadły korzystnie zarówno pod kątem energetycznym, jak i efektywności uzyskania rdzeni w skałach. Na podstawie tych testów zaprojektowano prototypy łazika, do którego wiertnica będzie mocowana, prototyp wiertnicy oraz systemu obsługi wiertnicy. – Obecnie wykonujemy poszczególne części wiertnicy, a po złożeniu ich w całość zostaną przeprowadzone testy, po których nastąpi rewizja założeń konstrukcyjnych. Następnie przeprowadzimy kolejne testy, a po nich nastąpi opracowanie wersji finalnej robota z wiertnicą – dodaje Wojciech Teper z Katedry Wiertnictwa i Geoinżynierii. Uczeni mają jeszcze rok do zakończenia projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

 

Zastosowanie na Księżycu i na Ziemi

Naukowcy z AGH myślą też o ziemskim zastosowaniu wiertnicy, np. na terenach skażonych. Polskie uczelnie i instytuty badawcze dysponują różnego rodzaju zdalnymi robotami, które mogą wjechać w niebezpieczny rejon, ale póki co nie było jeszcze w Polsce urządzenia, które potrafiłoby pobrać próbki gruntu dokonując wiercenia na niewielką głębokość, aby np. sprawdzić skażenie gleby. – Nasze rozwiązanie będzie w pewien sposób unikatowe poprzez możliwość współpracy z autonomicznie sterowanym helikopterem UAV, który jest w posiadaniu Katedry Robotyki i Mechatroniki. Planujemy to rozwiązać tak, że łazik zostanie podpięty do helikoptera, który po wylądowaniu go odczepi, a następnie łazik już sam będzie się poruszał w terenie – podkreślają naukowcy.
Obecnie ESA i NASA inwestują duże sumy pieniędzy w badania nad budową robotów potrafiących wwiercać się i pobierać próbki z głębi gruntu. Wydaje się więc, że dla przyszłych misji kosmicznych takie rozwiązania, jak opracowane w CBK PAN i AGH, będą bardzo cenne. Tym bardziej, że projektując urządzenia kosmiczne, naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej myślą o wykorzystaniu ich także na Ziemi. Scenariuszy zastosowania mobilnych robotów pobierających próbki z terenów niebezpiecznych nie trzeba wszak wymyślać – pisze je samo życie. Przykładem jest choćby katastrofa w Fukushimie w 2011 roku.

 

Tekst: Ilona Trębacz