ألهمت التكنولوجيا القديمة إنشاء سيارة مستقبلية لجميع التضاريس قادرة على العمل عند 500 درجة مئوية لسنوات.
أطول مدة يمكن أن تستغرقها المركبة الفضائية على سطح كوكب الزهرة هي 127 دقيقة. في 1 مارس 1982 ، انحدر المسبار السوفيتي
Venus-13 بدقة بواسطة المظلة وكان قادرًا على العمل لأكثر من ساعتين بقليل بسبب حقيقة أن جميع مكونات الكمبيوتر كانت مخبأة في غلاف من التيتانيوم مختوم ، تم تبريده مسبقًا في المدار. يبلغ متوسط درجة الحرارة على سطح كوكب الزهرة 464 درجة مئوية - وهي أعلى من سطح كوكب عطارد (الكوكب الأقرب إلى الشمس) ، وهي ساخنة بما يكفي بحيث لا تستطيع الإلكترونيات العادية العمل.
لا تجعل درجة الحرارة فقط الزهرة مكانًا غير سار لأجهزة الكمبيوتر - الضغط على السطح هو 90 جوًا ، وهو ما يعادل الضغط على عمق 900 متر في المحيط. وإذا كنت مطمئنًا بأن أمطار حمض الكبريتيك التي تنشأ في الأجزاء العليا من الغلاف الجوي لكوكب الزهرة لا تصل إلى السطح ، فاعلم أنها مظلمة جدًا هناك (كما هو الحال في أكثر الأيام غائمًا على الأرض) إلى أن استخراج الطاقة الشمسية سيكون غير فعال للغاية.
صور السطح من المسبار السوفيتي "فينوس -13" ، نزلت إلى فينوس وعملت هناك أكثر من ساعتين بقليلالغلاف الجوي الخانق الذي يجعل سطح كوكب الزهرة غير سارٍ يقوم بعمل جيد للغاية في تقليل كمية البيانات السطحية التي يمكننا جمعها أثناء وجوده في المدار - لذلك سيكون من اللطيف حقًا إذا كان هناك روبوت في الأسفل يبحث عن كل شيء بالنسبة لنا. معظم الأفكار المتعلقة بدراسة سطح كوكب الزهرة تتشابه إلى حد كبير مع المسابر السوفييتية: عصا الإلكترونيات داخل حاوية معزولة متصلة بنظام تكييف هواء قوي للغاية وربما تعمل بمحرك ستيرلنغ المشع مع البلوتونيوم كوقود . سيكلف البحث والتطوير لهذا النظام المليارات.
النهج التقليدي لسيارة لجميع التضاريس من أجل الزهرة صعبة ومكلفة وخطيرة. لكن فريقًا من المهندسين من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا ، JPL ، يقع في باسادينا ، بنسلفانيا. كاليفورنيا ، جاءت بفكرة مبتكرة لدراسة سطح كوكب الزهرة. إذا كانت المشكلة في الإلكترونيات ، فلماذا لا تتخلص منها وتصنع مركبة ميكانيكية لجميع التضاريس؟
بتمويل من برنامج مفاهيم الابتكار المتقدمة (NIAC) التابع لناسا ، يرغب فريق JPL في معرفة ما إذا كان من الممكن بناء مركبة لجميع التضاريس لاستكشاف كوكب الزهرة دون أجهزة استشعار وأجهزة كمبيوتر وإمدادات طاقة تقليدية. يمكن لـ AREE] Automaton Rover للبيئات المتطرفة ، استخدام تروس الساعة والينابيع وآليات أخرى لتوفير معظم وظائف السيارة ، بما في ذلك الطاقة وتخزين الطاقة والاستشعار والحركة والاتصالات - دون أي إلكترونيات. سخن.
داخل مؤشر موقع جلوب المستخدم في المركبة الفضائية فوسخودفي عالم الإلكترونيات الزائد ، لا يفهم معظمنا ما يمكن عمله باستخدام أجهزة الكمبيوتر الميكانيكية. قبل ألفي سنة ، بالإضافة إلى أو ناقص قرن ، قام الإغريق ببناء
آلية Antikythera ، القادرة على حساب موضع الشمس والقمر ، وإظهار مراحل القمر ، والتنبؤ بالكسوف ، وتتبع دورات التقويم ، وربما إظهار موقف خمسة كواكب باستخدام مجموعة من 30 برونزية معايرة بدقة والعتاد مدفوعا بعمود بمقبض.
بين القرنين السابع عشر والتاسع عشر ، طور بليز باسكال وجوتفريد لايبنتز وتشارلز بيبج أجهزة كمبيوتر ميكانيكية قادرة على إجراء حسابات حسابية مختلفة. بالقرب من العصر الحديث ، في أربعينيات القرن الماضي ، تم استخدام أجهزة الكمبيوتر الميكانيكية بنشاط لأغراض عملية قاسية مثل إدارة نيران المدفعية وإلقاء القنابل.
استخدم الروس
جهاز كمبيوتر Globus الميكانيكي لحساب موقع مركبة الفضاء الخاصة بهم حتى عام 2002 ، ولكن بشكل عام ، كل شيء يتم الآن على الإلكترونيات. ولا بأس ، ولكن ليس على كوكب الزهرة ، حيث سيكون استخدام معظم الإلكترونيات غير عملي.
مفهوم JPL لـ AREE هو إنشاء روبوت مع الحد الأدنى من مجموعة الإلكترونيات ، والجزء الأكبر يعتمد على الأنظمة الميكانيكية التي يمكن أن تعمل مع درجات حرارة عالية لأسابيع وشهور وحتى سنوات دون مشاكل. جوناثان سعودر هو تقني ميكاترونكس ومهندس في مجموعة إدخال التكنولوجيا في JPL ، ورئيس مشروع AREE. تحدثنا معه لفهم أفضل لكيفية بدء هذا المشروع وكيف سيعمل كل شيء.
كيف توصلت إلى فكرة AREE؟
جوناثان سعودر: جلسنا مع مجموعة من المهندسين وعملنا في اجتماع تطوير متزامن. خلال أحد فترات استراحة القهوة ، تحدثنا عن آليات ومكونات باردة ، ومدى روعة صنع مركبة فضائية ميكانيكية تمامًا ، وكيف ستبدو ، وأين يمكن استخدامها. أدركنا أنه سيكون من المفيد استخدام شيء من هذا القبيل في مكانين لن تنجو فيه الإلكترونيات: أحدهما فينوس ، حيث أن أطول فترة يمكن أن نعيش فيها على سطح فينوس هي ساعتان ، والثانية هي المشتري ، بسبب البيئة المشعة البيئة التي تعطل تشغيل الإلكترونيات.
هل من الممكن بناء مركبة آلية لجميع التضاريس بدون إلكترونيات؟
في المرحلة الأولى من مشروع NIAC ، اقترحنا فكرتنا لبناء مركبة ميكانيكية بالكامل لجميع التضاريس لا تستخدم الكهرباء أو الإلكترونيات على الإطلاق ، واستبدال جميع الأنظمة الفرعية الإلكترونية القياسية بأجهزة كمبيوتر ميكانيكية. في بداية دراسة هذه المشكلة ، أدركنا أنه لا يمكننا بناء مركبة تقليدية لجميع التضاريس مثل Curiosity بمعالج مركزي. كنا بحاجة إلى التركيز على بنية أكثر توزيعًا ، حيث يوجد في جهاز واحد العديد من الآليات البسيطة التي تتحكم فيها ، وأشرها وأخبره إلى أين يذهب.
في البداية أردنا إجراء عدد من القياسات العلمية باستخدام الميكانيكا. بدأنا في التعامل مع هذه المشكلة وأدركنا أننا لم نتمكن من إنتاج البيانات بدقة كافية لإنشاء صور أو قياس المعلمات مثل درجة الحرارة والضغط. هناك خيارات مختلفة للإلكترونيات ذات درجة الحرارة العالية - استنادًا إلى كربيد السيليكون والغاليوم - التي تعمل في درجات حرارة عالية. المشكلة هي أنه من الصعب للغاية الاندماج. اتضح أنه بمساعدتهم ، من المستحيل تنظيم نظام كهربائي تقليدي ، ولا يمكن فعل أي شيء على الأقل يقترب من المتطلبات اللازمة لإنشاء مركبة لجميع التضاريس. لذلك ، قررنا إنشاء نظام أساسي متنقل قادر على الانتقال واستكشاف أماكن جديدة وقادر على العمل لفترة أطول بكثير من الأنظمة الحالية.
مفهوم AREE المبكر مع الساقينما بدأ تطوير AREE؟
الهدف الرئيسي هو إنشاء بنية الهاتف المحمول بأعلى موثوقية ممكنة. والهدف الثاني بالفعل هو استخدام العديد من الآليات البسيطة والموزعة التي يمكنها الاستجابة للتأثيرات الخارجية التي يمكن أن توجه مركبة لجميع التضاريس على طول سطح كوكب الزهرة. لاحظ أنه في الصور الأولى ، كانت السيارة الصالحة لجميع التضاريس تشبه إلى حد كبير سيارة ستراندبيست - "حيوانات المشي"
لثيو جانسن ، وهي منحوتات حركية كانت تسير على طول شواطئ هولندا. يعمل Strandbeest مع زوج من أجهزة الاستشعار البسيطة التي تتحكم في حركة الساقين إلى الأمام أو الخلف ، والمنطق المدمج للمساعدة في تجنب الرمال الناعمة والماء.
في المراحل الأولى من تطوير المفهوم ، عملنا مباشرة مع Jansen: لقد أتى إلى JPL للتعاون لمدة يومين ، وحصلنا منه على الخبرة المكتسبة على مدى 30 عامًا من العمل مع Strandbeest. كانت إحدى نصائحه الأولى التخلي عن الساقين. وكما تعلم ، عندما يخبرك الشخص الذي أنشأ Strandbeest أن مركبة صالحة لجميع التضاريس على كوكب الزهرة لا تحتاج إلى أرجل ، فهذا يعني أنك بحاجة حقًا إلى ابتكار شيء آخر. تكمن المشكلة الرئيسية في أن الساقين التي تعمل بشكل مثالي على الشواطئ الناعمة المسطحة تصبح غير مستقرة عندما تقوم بنقلها إلى سطح أكثر تنوعًا ، مثل بيئة الزهرة غير المعروفة ، مما يزيد من احتمال حدوث انقلاب وتلف في السيارة على جميع التضاريس.
ونتيجة لذلك ، انتقلت الهندسة المعمارية الخاصة بنا من المرحلة الأولى إلى المرحلة الثانية ، من سيارة باردة ذات التضاريس ذات أرجل باردة إلى نسخة أقل برودة ، ولكن أكثر موثوقية وعملية من مركبة لجميع التضاريس تبدو مثل دبابة من الحرب العالمية الأولى.
مفهوم المرحلة الثانية ، مع المسارات وتوربينات الرياح المتكاملة. مع الانقلاب المحتمل ، لا يزال بإمكان السيارة التي تعمل في جميع التضاريس التحرك.هل يمكنك أن تصف كيف يمكن أن تتحرك AREE على سطح الزهرة؟
نقوم بتطوير أنظمة متخصصة لتجنب العوائق وتحديد مقدار الطاقة المطلوبة للحركة ، بدلاً من النظام المركزي المعتاد الذي يسمح للمركبة الصالحة لجميع التضاريس بأداء العديد من العمليات أو إعادة تكوين السيارة ذات التضاريس كافة باستخدام البرامج.
نحن نحاول تبسيط هذه الآليات قدر الإمكان حتى يتمكن الجميع من أداء مهمتهم المحددة ، ولكن يؤدونها بشكل جيد. ربما يؤدي تصادم السيارة على جميع التضاريس مع الجسم إلى إلقاء الرافعة ، مما سيؤدي إلى تحركها قليلاً إلى الوراء ، واستدارة 90 درجة ، والمضي قدمًا مرة أخرى. لا يمكن أن يكون لدينا سوى نظام واحد لتجنب العوائق ، ولكن يمكن تكرار مثل هذا الإجراء عدة مرات ، ونتيجة لذلك ، يمكن استخدامه لتجاوز العائق.
يستخدم نظام تجنب العوائق مصدًا وتروسًا مع تروس وغريب الأطوار. إنها قادرة على التراجع عن مركبة جميع التضاريس بعد ارتطامها للخلف ، ثم إعادة ربط المصد وتغيير التروس ، والاستمرار في المضي قدمًا. أثناء الحركة الأمامية العادية ، تنتقل القوة من عمود الإدخال عبر التروس على الجانب الأيمن من الرسم البياني إلى عمود الإخراج. ستدور التروس المتبقية بحرية. عند مواجهة عائق ، يقوم المزامن بتشغيل ترس عكسي ، مما يؤدي إلى التأثير المعاكس. بعد تدوير الكاميرا بالكامل ، ستقوم بتحريك المصد مرة أخرى إلى الوضع الأمامي. يمكن استخدام نفس المركز اللامركزي لتدوير عجلات السيارة على جميع التضاريس في الترس العكسي للمحرك.
ما هي ميزات AREE الفريدة من نوعها مقارنة بالمشاريع الأخرى لمركبات Venusian لجميع التضاريس؟
اليوم ، هناك العديد من المفاهيم لمهمات فينوس ، كل منها سيكلف مبلغًا مماثلًا لفضول المريخ ، ويوفر هبوطًا في مكان واحد أو مكانين. معظم المقترحات معقدة للغاية ومصممة للعمل من 2 إلى 24 ساعة على السطح. نخطط للعمل لمدة شهر ، وهذا هو المكان الذي يعمل فيه ابتكارنا الرئيسي - القدرة على استكشاف العديد من الأماكن على سطح كوكب الزهرة وفهم كيفية تغيره بمرور الوقت.
هل يمكنك أن تصف كيف يناسب AREE المثالي توقعاتك؟
سيكون الروبوت المثالي قادرًا على العمل على أصعب أسطح كوكب الزهرة ، والتي تسمى
تريسيرز ، وهي عبارة عن حمم خشنة وخشنة في الأعلى تشبه الباركيه أو البلاط. هدفنا هو إجراء مركبة لجميع التضاريس على مثل هذا السطح ، لأخذ عينات جيولوجية تساهم في فهمنا لتطور الزهرة. يجب أن يزيد حجم المركبة المثالية لجميع التضاريس عن 1.5 متر بقليل - والآن يتم فرض هذا التقييد بواسطة الدرع الحراري. إذا استطعنا ، فسنزيدها إلى 2.5 متر حتى تتمكن من التغلب على العقبات الأكبر وتلقي المزيد من الطاقة من الرياح.
ونتيجة لذلك ، تحتاج إلى إنشاء مركبة لجميع التضاريس يمكنها التغلب على معظم العقبات ، والتي من شأنها أن تزحف وتزحف للأمام ، ببطء ولكن بثبات ، وجمع عينات وبيانات الطقس.
مفهوم السفر عبر السهول نحو تريسير. خلال الجزء الرئيسي من المهمة ، والتي تستغرق 116 يومًا أرضيًا (دورة يومية واحدة من الزهرة) ، ستغطي السيارة الصالحة لجميع التضاريس 35 كم. ستسمح له المهمة الموسعة بتغطية مسافة تصل إلى 100 كيلومتر في ثلاث سنوات.* * *
في هذه المرحلة ، قد تبدأ بالفعل في التساؤل - لماذا نرسل مركبة رائعة لجميع التضاريس لدراسة سطح كوكب الزهرة إذا لم نتمكن من الحصول على أخبار منه - لأنه بدون الإلكترونيات ، كيف يمكنه إرسال أي بيانات إلينا؟ هناك طرق لتخزين البيانات ميكانيكيًا - من السهل جدًا تخزين الأرقام مؤقتًا ، ويمكن إدخال حوالي 1 ميغابايت من البيانات على تسجيل صوتي معدني. حسنا ، ماذا بعد ذلك؟
إحدى الأفكار ، التي ليست مجنونة كما تبدو للوهلة الأولى ، هي استخدام كرات الهيدروجين لرفع السجلات المعدنية إلى الغلاف الجوي العلوي لفينوس ، حيث سيتم اعتراضها بواسطة طائرة بدون طيار تعمل بالطاقة الشمسية على ارتفاعات عالية ، وقراءتها ونقل محتوياتها إلى القمر الصناعي الموجود على المدار. يدرس الباحثون أيضًا خيار الراديو مع الأنابيب الإلكترونية ، ولكن على الرغم من أن هذه الأنابيب قادرة على العمل في درجات حرارة عالية ، إلا أنها ستكون عرضة للخطر في جو الزهرة ، وستواجه فقدانًا للضيق.
لكن مطوري AREE توصلوا إلى فكرة أخرى: عاكسات الرادار. يمكن رؤية عاكس رادار مثبت على مركبة لجميع التضاريس من المدار ، وعن طريق وضع مصراع أمام العاكس ، سيكون من الممكن إرسال حوالي 1000 بت من المعلومات في كل مرور ساتلي. من خلال إضافة العديد من العاكسات ذات الانعكاسية المختلفة ، وكذلك المصاريع التي تعمل بترددات مختلفة ، يمكنك نقل ما يصل إلى 32 متغيرًا فريدًا في اليوم. بالإضافة إلى ذلك ، في بعض الحالات لن يكون من الممكن حتى نقل أرقام معينة - على سبيل المثال ، من خلال وضع مروحة أمام العاكس ، سيكون من الممكن قياس سرعة الرياح في أماكن مختلفة على السطح.
الآن ، بعد أن أنشأت مثل هذه السيارة ذات التضاريس الفريدة من نوعها في القدرات والموثوقية ، وقادرة على البقاء على كوكب الزهرة ، فأنت بحاجة إلى فهم نوع البحث العلمي الذي يمكنها القيام به - وهذا سؤال صعب بشكل خاص لـ AREE ، كما هو موضح في اقتراح المرحلة الأولى من مسابقة NIAC:
تتمثل إحدى نقاط الضعف الرئيسية لنظام ميكانيكي بحت في إمكانية البحث العلمي. بالإضافة إلى الاتصالات ، تعمل الأدوات العلمية كمجال رئيسي حيث تكون الإلكترونيات عالية الحرارة مفيدة. تتطلب القياسات الأكثر تعقيدًا ، وخاصة الجيولوجية ، حلولًا إلكترونية.
في أواخر العام الماضي ، أعلنت وكالة ناسا عن برنامج HOTTech ، وهو برنامج تقني عالي الحرارة يمول "أحدث التقنيات للبحث الآلي في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة حيث تقترب درجات الحرارة أو تتجاوز 500 درجة مئوية". تأمل AREE في أن تنتج HOTTech أدوات علمية يمكنها البقاء على قيد الحياة في سيارتها المخصصة لجميع التضاريس - ولكن للحصول على نتيجة مختلفة ، لديهم بعض الأفكار المثيرة للاهتمام للقيام بالعلوم دون أي إلكترونيات. على سبيل المثال ، قياس سرعة الرياح باستخدام التوربين ودرجة الحرارة والضغط باستخدام المواد التي تتوسع من درجة الحرارة ، والخصائص الكيميائية باستخدام قضبان تستجيب لمركبات كيميائية معينة.
يتم تخزين طاقة الرياح في الربيع المركب. النظام الميكانيكي في الرسم البياني قادر على قياس الطاقة المخزنة في الربيع ، ويستخدم القابض لنقل الطاقة إلى نظام الحركة عندما يتم تراكمه بما فيه الكفاية. إذا كنت تريد أن تتحرك المركبة على جميع التضاريس بعد وقت معين ، أو عند الوصول إلى ظروف أخرى ، يمكنك إضافة بوابات منطقية ميكانيكية تستجيب للساعات أو أجهزة استشعار أخرى.لا يحاول سعودر والفريق إنشاء كل هذه الآليات من أجل المتعة فقط. استكشاف كوكب الزهرة عبر فجوة تستغرق أكثر من يوم أو يومين مهمة مهمة حقًا. يقول سعودر: "ليس هدفنا إعادة إنتاج ما تم فعله بالفعل ، أو سيصبح ممكنًا قريبًا في مجال الإلكترونيات ذات درجة الحرارة المرتفعة ، ولكن إنشاء مجموعة من الحلول الميكانيكية لتلك المجالات التي لا توجد فيها حلول واضحة حتى الآن".
يمكن أن تكون التكنولوجيا التي يتم تطويرها كجزء من مشروع AREE مفيدة في أماكن أخرى من النظام الشمسي - وليس فقط في الأماكن ذات المستوى العالي من الإشعاع ، مثل أوروبا ، أحد أقمار المشتري. هنا على الأرض ، يمكن أن يكون AREE مفيدًا لجمع العينات بالقرب من البركان النشط أو في المناطق ذات المستويات العالية من الإشعاع. ميزة أخرى من AREE هي أنه يمكن تعقيمها بالكامل في درجة حرارة عالية دون المساومة الوظيفية الكاملة. لنفترض أنه إذا كانت هناك بحيرة بها بعض أشكال الحياة غير العادية تحت الغطاء القطبي للمريخ ، فيمكنك إرسال AREE معقمة لأخذ عينات من المجموعة ولا تقلق بشأن التلوث.
وقد تلقت AREE الآن التمويل للمرحلة الثانية من NIAC. يعمل الفريق على تطوير أكثر تفصيلاً لنظام الحركة ، والذي من المحتمل أن يؤدي إلى استبدال المسارات ببعض العجلات ، وهو أكثر موثوقية. كما يقومون بتطوير ساعات ميكانيكية يمكن أن تعمل في درجات حرارة عالية - أحد الأجزاء الرئيسية للكمبيوتر الميكانيكي المستقل. يقول سعودر أنهم يتوقعون نتائج مثيرة للاهتمام من بناء واختبار نظام إرسال إشارة الرادار على مدار العام. نحن أيضًا مهتمون جدًا بهذا - هذا واحد من أكثر الروبوتات ابتكارًا التي رأيناها ، ولا يمكننا الانتظار لنرى كيف يحصل على كوكب الزهرة.
يشمل فريق AREE الذي تقوده SREE إيفان هيلجمان ، ومايكل جونسون ، وآرون بارنيس ، وبرني بينستوك ، وجيفري هول [إيفان هيلجمان ، ومايكل جونسون ، وآرون بارنيس ، وبرني بينستوك ، وجيفري هول]. جيسي كواتا وكاثرين ستاك مؤلفان إضافيان للتقرير النهائي للمرحلة الأولى.