Teknologi kuno menginspirasi penciptaan kendaraan segala medan masa depan yang mampu beroperasi pada 500 ° C selama bertahun-tahun.
Waktu terlama yang dimiliki pesawat ruang angkasa di permukaan Venus adalah 127 menit. Pada tanggal 1 Maret 1982, satelit Soviet
Venus-13 diturunkan dengan rapi oleh parasut dan dapat bekerja selama lebih dari dua jam karena fakta bahwa semua komponen komputer disembunyikan dalam selubung titanium yang disegel, yang sebelumnya didinginkan di orbit. Suhu di permukaan Venus rata-rata 464 ° C - ini lebih tinggi daripada di permukaan Merkurius (planet yang paling dekat dengan Matahari), dan cukup panas sehingga elektronik biasa tidak bisa bekerja.
Suhu tidak hanya membuat Venus menjadi tempat yang tidak menyenangkan bagi komputer - tekanan pada permukaannya adalah 90 atmosfer, yang setara dengan tekanan pada kedalaman 900 m di lautan. Dan jika Anda diyakinkan bahwa hujan asam sulfat yang berasal dari bagian atas atmosfer Venus tidak mencapai permukaan, maka ketahuilah bahwa di sana sangat gelap (seperti pada hari yang paling berawan di Bumi) bahwa ekstraksi energi surya akan sangat tidak efisien.
Foto-foto permukaan dari penyelidikan Soviet "Venus-13", turun ke Venus dan bekerja di sana sedikit lebih dari dua jamAtmosfer pengap yang membuat permukaan Venus sangat tidak menyenangkan melakukan pekerjaan yang mengerikan untuk meminimalkan jumlah data permukaan yang dapat kami kumpulkan saat berada di orbit - jadi akan sangat, sangat bagus jika ada robot di sana mencari segala sesuatu untuk kami. Sebagian besar ide yang terkait dengan studi permukaan Venus berada dalam nada yang sama seperti probe Soviet: menempel elektronik di dalam wadah terisolasi yang terhubung ke sistem pendingin udara yang sangat kuat dan mungkin didukung oleh mesin radioaktif Stirling dengan plutonium sebagai bahan bakar . Penelitian dan pengembangan sistem semacam itu akan menelan biaya miliaran.
Pendekatan tradisional untuk kendaraan segala medan untuk Venus itu sulit, mahal dan berbahaya. Tetapi tim insinyur dari Jet Propulsion Laboratory NASA, JPL, yang berlokasi di Pasadena, PA. California, muncul dengan ide inovatif untuk mempelajari permukaan Venus. Jika masalahnya ada di elektronik, mengapa tidak menyingkirkannya dan membuat kendaraan mekanik semua medan?
Dengan dana dari program Advanced Innovation Concepts (NIAC) NASA, tim JPL ingin mengetahui apakah mungkin untuk membangun kendaraan semua medan untuk menjelajahi Venus tanpa sensor, komputer, dan catu daya tradisional. A Automaton Rover for Extreme Environments, AREE] dapat menggunakan roda gigi arloji, pegas, dan mekanisme lain untuk menyediakan sebagian besar fungsi kendaraan, termasuk daya, penyimpanan energi, penginderaan, pergerakan, dan komunikasi - tanpa elektronik. Panaskan
Di dalam indikator lokasi Globe digunakan pada pesawat ruang angkasa VoskhodDalam dunia elektronik yang kelebihan beban, kebanyakan dari kita tidak mengerti apa yang bisa dilakukan dengan komputer mekanik. Dua ribu tahun yang lalu, plus atau minus seabad, orang-orang Yunani kuno membangun
mekanisme Antikythera , mampu menghitung posisi Matahari dan Bulan, menunjukkan fase-fase Bulan, memprediksi gerhana, melacak siklus kalender, dan mungkin menunjukkan posisi lima planet menggunakan seperangkat 30 perunggu yang dikalibrasi dengan tepat gigi digerakkan oleh poros dengan pegangan.
Antara abad ke-17 dan 19, Blaise Pascal, Gottfried Leibniz dan Charles Bebbage mengembangkan komputer mekanik yang mampu melakukan berbagai perhitungan aritmatika. Lebih dekat ke zaman modern, pada tahun 1940-an, komputer mekanik secara aktif digunakan untuk tujuan praktis yang keras seperti mengelola tembakan artileri dan menjatuhkan bom.
Rusia menggunakan
komputer mekanik Globus untuk menghitung lokasi pesawat ruang angkasa mereka sampai tahun 2002, tetapi secara umum, semuanya sekarang dilakukan pada elektronik. Dan tidak apa-apa, tetapi tidak di Venus, di mana sebagian besar penggunaan elektronik tidak praktis.
Konsep JPL untuk AREE adalah membuat robot dengan perangkat elektronik minimum, dan sebagian besar mengandalkan sistem mekanis yang dapat bekerja dengan suhu tinggi selama berminggu-minggu, berbulan-bulan dan bahkan bertahun-tahun tanpa masalah. Jonathan Sauder adalah seorang teknolog dan insinyur mekatronik dalam kelompok pengantar teknologi di JPL, dan kepala proyek AREE. Kami berbicara dengannya untuk lebih memahami bagaimana proyek ini dimulai dan bagaimana semuanya akan berjalan.
Bagaimana Anda menemukan ide AREE?
Jonathan Sauder: Kami duduk dengan sekelompok insinyur dan bekerja dalam pertemuan pengembangan bersamaan. Selama salah satu rehat kopi, kami berbicara tentang mekanisme dan komponen yang keren, dan betapa kerennya membuat pesawat ruang angkasa yang sepenuhnya mekanis, seperti apa bentuknya, dan di mana pun itu bisa digunakan. Kami menyadari bahwa akan berarti menggunakan sesuatu seperti ini di dua tempat di mana elektronik tidak akan bertahan: satu adalah Venus, karena yang terpanjang kita dapat bertahan di permukaan Venus adalah dua jam, dan yang kedua adalah Jupiter, karena lingkungan radioaktif lingkungan yang mengganggu pengoperasian elektronik.
Apakah mungkin membuat kendaraan robot segala medan tanpa elektronik?
Pada fase I proyek NIAC, kami mengusulkan ide kami untuk membangun kendaraan semua medan yang sepenuhnya mekanis yang sama sekali tidak menggunakan listrik atau elektronik, dan mengganti semua subsistem elektronik standar dengan komputer mekanik. Mulai mempelajari masalah ini, kami menyadari bahwa kami tidak dapat membangun kendaraan segala medan tradisional seperti Curiosity dengan prosesor terpusat. Kami perlu berkonsentrasi pada arsitektur yang lebih terdistribusi, di mana dalam satu perangkat ada banyak mekanisme sederhana yang mengendalikannya, memberi sinyal dan memberitahunya ke mana harus pergi.
Awalnya kami ingin melakukan sejumlah pengukuran ilmiah menggunakan mekanik. Kami mulai menangani masalah ini dan menyadari bahwa kami tidak dapat menghasilkan data dengan akurasi yang memadai untuk membuat gambar atau mengukur parameter seperti suhu dan tekanan. Ada berbagai pilihan untuk elektronik suhu tinggi - berbasis silikon karbida dan galium - yang beroperasi pada suhu tinggi. Masalahnya adalah mereka sangat sulit diintegrasikan. Ternyata dengan bantuan mereka tidak mungkin untuk mengatur sistem listrik tradisional, dan tidak ada yang dapat dilakukan yang setidaknya mendekati persyaratan yang diperlukan untuk membuat kendaraan segala medan. Oleh karena itu, kami memutuskan untuk membuat platform seluler yang mampu bergerak, menjelajahi tempat-tempat baru dan dapat bekerja lebih lama daripada sistem yang ada.
Konsep awal AREE dengan kakiApa yang memulai pengembangan AREE?
Tujuan utamanya adalah menciptakan arsitektur seluler dengan keandalan setinggi mungkin. Dan tujuan kedua adalah menggunakan sebanyak mungkin mekanisme terdistribusi yang dapat merespons pengaruh eksternal yang dapat mengarahkan kendaraan semua medan di sepanjang permukaan Venus. Perhatikan bahwa pada gambar awal, kendaraan segala medan sangat mirip dengan Strandbeest - "binatang berjalan" dari
Theo Jansen , patung kinetik yang berjalan di sepanjang pantai Belanda. Strandbeest bekerja dengan sepasang sensor sederhana yang mengontrol pergerakan kaki ke depan atau ke belakang, dan logika bawaan untuk membantu menghindari pasir dan air yang lembut.
Pada tahap awal pengembangan konsep, kami bekerja secara langsung dengan Jansen: dia datang ke JPL untuk kolaborasi dua hari, dan kami mendapat darinya pengalaman yang diperoleh selama 30 tahun bekerja dengan Strandbeest. Salah satu tips pertamanya adalah menyerah kaki. Dan, Anda tahu, ketika orang yang menciptakan Strandbeest memberi tahu Anda bahwa kendaraan semua-medan di Venus tidak memerlukan kaki, itu artinya Anda benar-benar perlu membuat sesuatu yang lain. Masalah utama adalah bahwa kaki yang bekerja sempurna di pantai lunak yang datar menjadi tidak stabil ketika Anda memindahkannya ke permukaan yang lebih beragam, seperti lingkungan Venus yang tidak diketahui, yang meningkatkan kemungkinan kudeta dan kerusakan pada kendaraan semua medan.
Sebagai hasilnya, arsitektur kami bergerak dari fase I ke fase II, dari kendaraan segala medan yang tampak keren dengan kaki ke versi yang kurang keren, tetapi lebih praktis dan praktis dari kendaraan semua medan yang terlihat seperti tank dari Perang Dunia Pertama.
Konsep Tahap II, dengan trek dan turbin angin terintegrasi. Dengan kemungkinan kudeta, kendaraan segala medan masih bisa bergerak.Bisakah Anda jelaskan bagaimana AREE bisa bergerak di permukaan Venus?
Kami mengembangkan sistem khusus untuk menghindari rintangan dan menentukan jumlah energi yang diperlukan untuk pergerakan, alih-alih sistem terpusat yang biasa yang memungkinkan kendaraan semua-medan untuk melakukan beberapa proses atau mengkonfigurasi ulang kendaraan semua-medan menggunakan perangkat lunak.
Kami berusaha menyederhanakan mekanisme ini sebanyak mungkin sehingga semua orang melakukan tugas spesifik mereka, tetapi melakukannya dengan baik. Mungkin tabrakan kendaraan semua medan dengan objek akan melemparkan tuas, yang akan menyebabkannya mundur sedikit, berputar 90º, dan kembali maju. Kita hanya dapat memiliki satu sistem penghindaran rintangan, tetapi tindakan seperti itu dapat diulang berkali-kali, dan sebagai hasilnya, itu dapat digunakan untuk melewati rintangan.
Sistem penghindaran rintangan menggunakan bumper, roda gigi dengan roda gigi, dan roda eksentrik. Dia mampu menarik kembali kendaraan semua medan setelah memukul balik, dan kemudian kembali menggunakan bumper dan menggeser persneling, dan terus bergerak maju. Selama gerakan maju normal, gaya ditransmisikan dari poros input melalui roda gigi di sisi kanan diagram ke poros output. Roda gigi yang tersisa akan berputar bebas. Saat dihadapkan pada hambatan, sinkronisasi menggunakan gigi mundur, yang mengarah ke efek sebaliknya. Setelah cam sepenuhnya diputar, itu akan memindahkan bumper kembali ke posisi depan. Eksentrik yang sama dapat digunakan untuk memutar roda kendaraan semua medan di gigi mundur mesin.
Apa fitur AREE yang unik dibandingkan dengan proyek-proyek kendaraan segala medan Venus lainnya?
Saat ini, ada beberapa konsep misi Venus, yang masing-masing akan menelan biaya sebanding dengan Mars Curiosity, dan menawarkan pendaratan di satu tempat atau dua tempat. Sebagian besar proposal sangat kompleks dan dirancang untuk bekerja dari 2 hingga 24 jam di permukaan. Kami berencana untuk bekerja selama sebulan, dan di sinilah inovasi utama kami bekerja - kemampuan untuk menyelidiki banyak tempat di permukaan Venus dan memahami bagaimana itu berubah dari waktu ke waktu.
Bisakah Anda menggambarkan bagaimana AREE yang sempurna sesuai dengan harapan Anda?
Robot yang ideal akan dapat bekerja pada permukaan Venus yang paling sulit, yang disebut
tessers , yang kasar, lava berbatu, di bagian atas mirip dengan parket atau ubin. Tujuan kami adalah untuk melakukan kendaraan segala medan di permukaan seperti itu, untuk mengambil sampel geologi yang akan berkontribusi pada pemahaman kita tentang evolusi Venus. Kendaraan segala medan yang ideal harus berukuran sedikit di atas 1,5 m - sekarang pembatasan ini diberlakukan oleh pelindung panas. Jika kami bisa, kami akan meningkatkannya menjadi 2,5 m sehingga dapat mengatasi hambatan yang lebih besar dan menerima lebih banyak energi dari angin.
Akibatnya, Anda perlu membuat kendaraan semua medan yang dapat mengatasi sebagian besar hambatan, yang akan merangkak dan merangkak ke depan, perlahan tapi pasti, mengumpulkan sampel dan data cuaca.
Konsep bepergian melintasi dataran menuju tesser. Selama bagian utama dari misi, yang berlangsung selama 116 hari bumi (satu siklus harian Venus), kendaraan segala medan akan menempuh 35 km. Misi yang diperluas akan memungkinkan dia untuk menempuh jarak hingga 100 km dalam tiga tahun.* * *
Pada titik ini, Anda mungkin sudah mulai bertanya-tanya - mengapa kita mengirim kendaraan semua medan asyik untuk mempelajari permukaan Venus, jika kita tidak bisa mendapatkan berita darinya - karena tanpa elektronik, bagaimana dia bisa mengirimi kami data? Ada cara untuk menyimpan data secara mekanis - cukup mudah untuk menyimpan angka sementara, dan sekitar 1 megabyte data dapat dimasukkan pada fonograf logam. Nah, bagaimana selanjutnya?
Salah satu ide, tidak semanak kelihatannya pada pandangan pertama, adalah menggunakan bola hidrogen untuk mengangkat catatan logam ke atmosfer atas Venus, di mana mereka akan dicegat oleh drone bertenaga surya ketinggian tinggi, membacanya dan mentransfer isinya ke satelit yang terletak di mengorbit. Para peneliti juga mempertimbangkan opsi radio dengan tabung elektronik, tetapi meskipun tabung ini mampu beroperasi pada suhu tinggi, mereka akan rentan di atmosfer Venus, dan mereka akan menghadapi kehilangan sesak.
Tapi pengembang AREE datang dengan ide lain: reflektor radar. Reflektor radar yang dipasang pada kendaraan semua medan dapat dilihat dari orbit, dan dengan menempatkan rana di depan reflektor, akan dimungkinkan untuk mengirimkan sekitar 1000 bit informasi di setiap pass satelit. Dengan menambahkan beberapa reflektor dengan reflektivitas yang berbeda, serta jendela yang beroperasi pada frekuensi yang berbeda, Anda dapat mentransfer hingga 32 variabel unik per hari. Selain itu, dalam beberapa kasus bahkan tidak mungkin untuk mengirimkan angka-angka tertentu - misalnya, dengan meletakkan kipas di depan reflektor, akan dimungkinkan untuk mengukur kecepatan angin di berbagai tempat di permukaan.
Sekarang, setelah menciptakan kendaraan segala medan yang unik dalam kemampuan dan keandalan, mampu bertahan di Venus, Anda perlu memahami jenis penelitian ilmiah apa yang dapat dilakukan - dan ini adalah pertanyaan yang sangat sulit untuk AREE, sebagaimana dijelaskan dalam proposal Fase I kompetisi NIAC:
Salah satu titik kelemahan utama dari sistem mekanis murni adalah potensi untuk penelitian ilmiah. Selain komunikasi, instrumen ilmiah berfungsi sebagai bidang utama di mana elektronik suhu tinggi akan berguna. Pengukuran yang lebih kompleks, terutama geologis, membutuhkan solusi elektronik.
Akhir tahun lalu, NASA mengumumkan program HOTTech, program teknologi suhu tinggi yang mendanai "teknologi mutakhir untuk studi otomatis lingkungan suhu tinggi di mana suhu mendekati atau melebihi 500 derajat Celcius." AREE berharap bahwa sebagai hasil dari HOTTech akan ada alat ilmiah yang dapat bertahan pada kendaraan semua medan mereka - tetapi untuk hasil yang berbeda, mereka memiliki beberapa ide menarik untuk melakukan sains tanpa elektronik. Misalnya, mengukur kecepatan angin menggunakan turbin, suhu dan tekanan menggunakan bahan yang memuai dari suhu, dan sifat kimia menggunakan batang yang merespons senyawa kimia tertentu.
Energi angin disimpan dalam pegas komposit. Sistem mekanis pada diagram mampu mengukur energi yang disimpan dalam pegas, dan menggunakan kopling untuk mentransfer energi ke sistem gerak ketika cukup terakumulasi. Jika Anda ingin kendaraan semua medan bergerak setelah waktu tertentu, atau saat mencapai kondisi lain, Anda dapat menambahkan gerbang logika mekanis yang merespons jam tangan atau sensor lainnya.Sauder dan tim tidak berusaha menciptakan semua mekanisme ini hanya untuk bersenang-senang. Menjelajahi Venus dengan jarak lebih dari satu atau dua hari adalah tugas yang sangat penting. "Tujuan kami bukan untuk mereproduksi apa yang telah dilakukan, atau akan segera menjadi mungkin di bidang elektronik suhu tinggi," kata Sauder, "tetapi untuk membuat satu set solusi mekanis untuk area-area di mana belum ada solusi yang jelas."
Teknologi yang dikembangkan sebagai bagian dari proyek AREE dapat berguna di tempat lain di Tata Surya - dan tidak hanya di tempat-tempat dengan tingkat radiasi yang tinggi, seperti Eropa, salah satu bulan Jupiter. Di sini di Bumi, AREE bisa berguna untuk mengumpulkan sampel yang dekat dengan gunung berapi aktif atau di daerah dengan tingkat radiasi yang tinggi. Keuntungan lain dari AREE adalah dapat sepenuhnya disterilkan pada suhu tinggi tanpa sepenuhnya mengganggu fungsionalitas. Misalnya, jika ada danau dengan bentuk kehidupan yang tidak biasa di bawah kutub Mars, Anda dapat mengirim AREE steril ke pengumpulan sampel dan tidak khawatir tentang polusi.
Sekarang AREE telah menerima dana untuk fase kedua NIAC. Tim ini sedang mengerjakan pengembangan sistem pergerakan yang lebih rinci, yang kemungkinan akan mengarah pada penggantian trek oleh beberapa roda, yang lebih andal. Mereka juga mengembangkan jam tangan mekanik yang dapat beroperasi pada suhu tinggi - salah satu bagian utama dari komputer mekanik otonom. Sauder mengatakan mereka mengharapkan hasil yang menarik dari membangun dan menguji sistem transmisi sinyal radar sepanjang tahun. Kami juga sangat tertarik dengan ini - ini adalah salah satu robot paling inovatif yang telah kami lihat, dan kami tidak sabar untuk melihat bagaimana hasilnya di Venus.
Tim AREE yang dipimpin SREE juga termasuk Evan Hilgeman, Michael Johnson, Aaron Parnes, Bernie Bienstock, dan Jeffrey Hall [Evan Hilgemann, Michael Johnson, Aaron Parness, Bernie Bienstock, Jeffery Hall]. Jessie Kawata dan Kathryn Stack adalah penulis tambahan dari laporan akhir untuk fase I.