Polscy naukowcy i inżynierowie biorą udział w 88. edycji kampanii lotów parabolicznych Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), realizowanej we współpracy z firmą Novespace z Francji. Polski zespół tworzą badacze z konsorcjum, w skład którego wchodzą: Centrum Badań Kosmicznych PAN, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski oraz firma Spacive.

Zespołem z UWM, który realizuje testy referencyjne w warunkach laboratoryjnych, kieruje dr hab. inż. Jacek Katzer, prof. UWM z Wydziału Geoinżynierii. Zespół z AGH pod kierownictwem dr hab. inż. Alberto Galliny, jest odpowiedzialny za eksperymenty geotechniczne. Firma Spacive zaś odpowiada za inżynieryjne przygotowanie zestawu do lotów.

Kampania odbywa się w unikatowych warunkach lotu parabolicznego, czyli imitującego warunki zmniejszonej grawitacji. Umożliwia przeprowadzenie unikatowych eksperymentów w warunkach analogicznych do księżycowej grawitacji. Testom zostanie poddany nabierak do księżycowej koparki.

– To urządzenie, na którym prowadzone są testy, jest efektem projektu księżycowego, który realizowaliśmy w konsorcjum wspólnie z AGH i Centrum Badań Kosmicznych PAN – mówi w rozmowie z „Wiadomościami Uniwersyteckimi” prof. Jacek Katzer.

Wyjątkowe doświadczenie

W lotach bierze udział dwóch doktorantów z Wydziału Geoinżynierii UWM: mgr inż. Mateusz Czyrzniak oraz mgr inż. Tomasz Kozakiewicz, którzy realizują prace doktorskie w dyscyplinie inżynieria lądowa, geodezja i transport.

– Chcieliśmy, aby w tych lotach wzięli udział nasi młodzi pracownicy, którzy najlepiej będą mogli skorzystać z tego doświadczenia – pomiarów, wyników czy nawiązanych kontaktów – dodaje prof. Jacek Katzer.

Nie bez znaczenia jest również stan zdrowia i dyspozycja fizyczna uczestników takich lotów. O tym, jak wymagające dla organizmu jest to zadanie, prof. Katzer mówił w wywiadzie dla marcowego wydania „Wiadomości Uniwersyteckich”, a więcej na temat badań naukowych z tym związanych, można przeczytać w artykule poświęconym rozwojowi druku 3D. 

– Lot paraboliczny wykonuje się specjalnym samolotem, który odlatuje daleko od lądu, gdzieś nad Ocean Atlantycki, i po osiągnięciu wysokości przelotowej (11–12 km nad ziemią) przez 30 sekund gwałtownie spada i w tym czasie następuje symulacja mikrograwitacji. Takich gwałtownych spadków i wzniesień jest podczas jednego lotu od pięciu do sześciu. Tego typu loty stanowią więc spore wyzwanie dla organizmu, dlatego też wcześniej trzeba przejść odpowiednie badania. 

Głównym celem misji jest weryfikacja technologii wydobycia księżycowego regolitu, elementu niezbędnego dla misji kosmicznych opartych na koncepcji In-Situ Resource Utilization (ISRU) – fundamentu przyszłej gospodarki kosmicznej.

– Eksploracja kosmosu coraz częściej opiera się na wykorzystaniu lokalnych zasobów, co obniża koszty i zwiększa autonomię misji. Koncepcja ISRU obejmuje pozyskiwanie, przetwarzanie i wykorzystanie surowców bezpośrednio w przestrzeni kosmicznej. W działania te zaangażowane są czołowe agencje – NASA w programie Artemis oraz ESA w inicjatywie Terrae Novae – wyjaśnia dr hab. inż. Karol Seweryn z Centrum Badań Kosmicznych PAN, kierownik projektu. 

W trakcie lotów zostanie przeprowadzonych około stu eksperymentów, których wyniki będą udostępnione społeczności naukowej. Pozwoli na na ich bezpośrednie zastosowanie w planowaniu przyszłych misji załogowych, wydobywczych i budowlanych na Księżycu i innych ciałach Układu Słonecznego.

– Testy, takie jak cięcie ostrzem w przezroczystej skrzyni i analiza zachowania gruntu w bębnie obrotowym, umożliwią walidację modeli numerycznych zachowania regolitu w niskiej grawitacji. Tego typu dane są niedostępne na Ziemi, gdzie każdy eksperyment obciążony jest wpływem ziemskiego przyciągania – tłumaczy dr hab. inż. Karol Seweryn.

Prof. Jacek Katzer przyznaje, że wraz z całym zespołem z wielką ciekawością oczekuje na zakończenie lotów i przygotowuje się do opracowywania zebranych podczas nich danych.

– Na początku jest radość z tego, że takie badania w ogóle były możliwe, a dopiero później następuje właściwa obróbka wyników, porównywanie z istniejącymi modelami, opracowywanie nowych czy poprawianie starych. Jak dotychczas, cała praca teoretyczna opierała się o założenia naukowe, ale bez możliwości weryfikacji w warunkach obniżonej grawitacji – mówi prof. Jacek Katzer i dodaje, że na efekty przeprowadzonych eksperymentów w postaci wystąpień konferencyjnych czy publikacji, trzeba będzie poczekać przynajmniej kilka miesięcy: – Nie chcemy pochwalić się czymś za szybko – najpierw musimy wszystko dokładnie zweryfikować. Musimy być pewni, że obliczenia i modelowanie zostały właściwie przeprowadzone i potwierdzić to wspólnie z innymi członkami naszego zespołu. Możliwość powtórzenia wykonania pomiarów nie istnieje, dlatego z tych pojedynczych możliwości trzeba skorzystać bardzo precyzyjnie i pieczołowicie, a potem z szacunkiem odnosić się do uzyskanych wyników.

Właściwe loty odbywają się w tym tygodniu (17-23 listopada), ale ich uczestnicy byli na miejscu już w ubiegłym tygodniu, by się przygotować. Przeszli szkolenie teoretyczne i wzięli udział w lotach ćwiczeniowych, podczas których zostali przeszkoleni m.in. z procedur bezpieczeństwa.

Polska górą

Polskie instytucje naukowe intensywnie rozwijają technologie wydobycia regolitu. Szczególną rolę odgrywa tu projekt DIGGER, realizowany przez Centrum Badań Kosmicznych PAN we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA). W ramach projektu opracowano urządzenie Rotary Clamshell Excavator (RCE) – mechaniczny próbnik regolitu, który uzyskał poziom gotowości technologicznej TRL 6. Oznacza to, że urządzenie jest funkcjonalnym prototypem, który przeszedł testy środowiskowe (np. drgania startowe, pył, temperatura), ale jeszcze nie zostało przetestowane w warunkach rzeczywistej grawitacji księżycowej – stąd potrzeba eksperymentów w locie parabolicznym.

Kampania badawcza PETER – eksperymenty w grawitacji księżycowej

Na potrzeby kampanii ESA opracowano zestaw eksperymentalny PETER (Planetary Excavation Technology vERification system), który zostanie wykonany podczas lotów parabolicznych. W skład zestawu wchodzą:

•  urządzenie RCE,
•  komora testowa do testu ścinania płytowego,
•  bęben obrotowy do analizy kąta zsypu,
•  analogi regolitu księżycowego AGK-2010 i JSC-1A,
•  szczelna obudowa zabezpieczająca sprzęt i załogę przed pyłem.

– Regolit zostanie umieszczony w transparentnych pojemnikach i posłuży do przeprowadzenia eksperymentów. Zbadamy pobieranie próbek regolitu, testy ścinania płytowego i kąta usypu. Każdego dnia testów będziemy pracowali na innymi regolicie. Dodatkowo w każdej paraboli regolit będzie resetowany do swoich nominalnych parametrów geotechnicznych – wyjaśnia dr hab. inż. Karol Seweryn.

Zestaw umożliwia przeprowadzenie czterech głównych eksperymentów:

1. Oceny wydajności RCE w warunkach niższej grawitacji.
2. Pomiaru właściwości mechanicznych regolitu (kąt zsypu, płaszczyzna zniszczenia) w zależności od jego gęstości.
3. Analizy ruchu ziaren regolitu zarejestrowanego kamerami w trakcie interakcji z urządzeniami.
4. Porównania wpływu różnych symulantów regolitu na mechanikę cięcia.

Projekt realizowany jest w ramach grantu NCN Sonata-Bis (DEC-2020/38/E/ST8/00527), którego liderem jest dr hab. inż. Karol Seweryn z CBK PAN.

mw, informacja prasowa

fot. arch. pryw. Tomasza Kozakiewicza