Αποστολή LUX: Εξερεύνηση των σεληνιακών σπηλαίων με drones μέσω τεχνολογίας οπτικών ινών

Σύνοψη

• Η NASA ενέκρινε τη χορήγηση αρχικής χρηματοδότησης ύψους 175.000 δολαρίων μέσω του προγράμματος NIAC στην εταιρεία Stone Aerospace για την ανάπτυξη της αποστολής Lunar Underground eXplorer (LUX).
• Ο στόχος του ερευνητικού έργου είναι η αποστολή ενός ρομποτικού drone το οποίο θα διεισδύσει σε ένα τεράστιο χάσμα βάθους 133 μέτρων στην περιοχή Mare Tranquillitatis για να χαρτογραφήσει αρχαίους αγωγούς λάβας.
• Η τεχνική πρόκληση του απόλυτου σκότους και της απουσίας ασύρματου σήματος στο υπέδαφος επιλύεται μέσω μιας καινοτόμου μεθόδου Power-over-Fiber (PoF), όπου ένα όχημα επιφανείας θα μεταδίδει ενέργεια με λέιζερ στο drone μέσω οπτικής ίνας.
• Η οπτική ίνα θα εξασφαλίζει την αδιάλειπτη μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας, την τροφοδοσία των συστημάτων, αλλά και την ενίσχυση της πρόωσης ψυχρού αερίου χωρίς να ρυπαίνει το περιβάλλον.
• Η επιτυχής χαρτογράφηση αυτών των γεωλογικών σχηματισμών αποτελεί το πρώτο ουσιαστικό βήμα για τη δημιουργία μόνιμων σεληνιακών βάσεων που θα προστατεύουν το πλήρωμα από την ακτινοβολία και τους μετεωρίτες.

Η εξερεύνηση του Διαστήματος επικεντρώνεται παραδοσιακά στην παρατήρηση και την ανάλυση της επιφάνειας των ουράνιων σωμάτων, ωστόσο, η NASA στρέφει πλέον το βλέμμα της στα κρυμμένα μυστικά που βρίσκονται βαθιά κάτω από τον σεληνιακό φλοιό. 

Μέσω του προγράμματος NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), ο οργανισμός ανακοίνωσε τη χορήγηση αρχικής χρηματοδότησης ύψους 175.000 δολαρίων στην εταιρεία Stone Aerospace, προκειμένου να προχωρήσει στην ανάπτυξη ενός εξαιρετικά προηγμένου συστήματος που φέρει την ονομασία Lunar Underground eXplorer (LUX). 

Το συγκεκριμένο ερευνητικό πρόγραμμα, το οποίο εντάσσεται σε ένα ευρύτερο πακέτο επιχορηγήσεων συνολικής αξίας 3,2 εκατομμυρίων δολαρίων, έχει ως αποκλειστικό σκοπό τη σχεδίαση ενός ρομποτικού σκάφους το οποίο θα είναι ικανό να πλοηγηθεί με απόλυτη ασφάλεια μέσα στα τεράστια συστήματα υπόγειων σπηλαίων και αγωγών λάβας της Σελήνης, ανοίγοντας ουσιαστικά τον δρόμο για τη μελλοντική εγκατάσταση μόνιμων ανθρώπινων βάσεων που θα προστατεύονται από τις αντίξοες συνθήκες της κοσμικής ακτινοβολίας.

Η πύλη της Θάλασσας της Ηρεμίας (Mare Tranquillitatis)

Το σημείο μηδέν για αυτή τη φιλόδοξη αποστολή εντοπίζεται στην ευρύτερη περιοχή του Mare Tranquillitatis, γνωστή και ως Θάλασσα της Ηρεμίας, η οποία βρίσκεται σε απόσταση περίπου τετρακοσίων χιλιομέτρων από το ιστορικό σημείο προσεδάφισης της αποστολής Apollo 11. Στη συγκεκριμένη τοποθεσία υφίσταται ένα τεράστιο χάσμα στην επιφάνεια του φλοιού, ένας φυσικός φεγγίτης που εκτιμάται ότι διαθέτει πλάτος που προσεγγίζει τα εκατό μέτρα και βάθος που αγγίζει τα εκατόν τριάντα τρία μέτρα, μεγέθη που τον καθιστούν ικανό να χωρέσει ολόκληρους ουρανοξύστες στο εσωτερικό του. 

Η ύπαρξη αυτού του ανοίγματος είχε καταγραφεί από τα δεδομένα του ραντάρ που είχε συλλέξει ο σεληνιακός δορυφόρος Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) ήδη από το 2010, όμως μόλις το 2024 μια ομάδα Ιταλών γεωλόγων κατάφερε να αναλύσει διεξοδικά τα στοιχεία και να επιβεβαιώσει πρακτικά πως το άνοιγμα αποτελεί την κύρια πύλη εισόδου για ένα εκτεταμένο και πολύπλοκο δίκτυο αρχαίων αγωγών λάβας. 

Αυτοί οι αχανείς υπόγειοι διάδρομοι δημιουργήθηκαν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, όταν τα ποτάμια λιωμένου μάγματος διέσχιζαν το υπέδαφος και η ταχεία ψύξη των εξωτερικών στρωμάτων άφησε πίσω της γιγαντιαία κενά, τα οποία λόγω της χαμηλής σεληνιακής βαρύτητας μπορούν να αποκτήσουν διαστάσεις έως και χίλιες φορές μεγαλύτερες από τους αντίστοιχους σχηματισμούς που συναντάμε στον δικό μας πλανήτη.

Τεχνολογία Power-over-Fiber (PoF) και πλοήγηση στο σκοτάδι

Η διείσδυση και η χαρτογράφηση σε αυτά τα εντελώς αχαρτογράφητα, τρισδιάστατα γεωλογικά περιβάλλοντα συνιστά ένα τεράστιο εμπόδιο για τη διαστημική μηχανική, διότι η πλήρης απουσία φωτός, η αδυναμία χρήσης συστημάτων προσδιορισμού θέσης όπως το GPS και το αδιαπέραστο των πετρωμάτων για τα ασύρματα σήματα επικοινωνίας, καθιστούν τα συμβατικά οχήματα εξερεύνησης απολύτως ανεπαρκή. 

Για να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς, η διεπιστημονική ομάδα της Stone Aerospace, προτείνει τη χρήση της καινοτόμου τεχνολογίας Power-over-Fiber (PoF). Βάσει της αρχιτεκτονικής της αποστολής LUX, ένα όχημα επιφανείας θα παραμένει σταθερό στο χείλος του κρατήρα προκειμένου να χρησιμοποιήσει μια ισχυρή πηγή λέιζερ για να μεταδώσει ενέργεια σε ένα αιωρούμενο ρομποτικό σκάφος μέσω μιας εξαιρετικά λεπτής, ανθεκτικής και ελαφριάς οπτικής ίνας που θα ξετυλίγεται σταδιακά από το drone καθώς αυτό θα καταδύεται στο πυκνό σκοτάδι της τρύπας.

Η συγκεκριμένη προσέγγιση της ενσύρματης ενεργειακής τροφοδοσίας μέσω λέιζερ εξυπηρετεί ταυτόχρονα τρεις κρίσιμες λειτουργικές απαιτήσεις που διασφαλίζουν τη βιωσιμότητα του εγχειρήματος στα γεωλογικά βάθη της Σελήνης. 

1. Η οπτική ίνα θα λειτουργεί πρακτικά ως ένα καλώδιο ευρυζωνικής σύνδεσης κορυφαίας χωρητικότητας, επιτρέποντας την αδιάλειπτη και ταχύτατη μετάδοση τεράστιου όγκου δεδομένων τηλεμετρίας, βίντεο υψηλής ανάλυσης και επιστημονικών μετρήσεων προς την επιφάνεια, παρακάμπτοντας ολοκληρωτικά το πρόβλημα της έλλειψης οπτικής επαφής. 
2. Το λέιζερ θα παρέχει συνεχή ηλεκτρική ενέργεια στα ηλεκτρονικά συστήματα του σκάφους, καταργώντας πλήρως την ανάγκη για ενσωμάτωση βαριών και ογκωδών μπαταριών που θα περιόριζαν δραματικά τον ωφέλιμο χρόνο πτήσης, το μεταφερόμενο φορτίο και τις δυνατότητες ελιγμών. 
3. Η μεταδιδόμενη ενέργεια του λέιζερ θα χρησιμοποιείται για να αυξήσει δραστικά την ειδική ώθηση ενός πρωτοποριακού συστήματος πρόωσης ψυχρού αερίου, παρέχοντας την απαραίτητη ώθηση χωρίς την καύση χημικών προωθητικών ουσιών που θα μπορούσαν να μολύνουν το παρθένο μικροπεριβάλλον του σπηλαίου και να αλλοιώσουν ανεπανόρθωτα τις μετρήσεις των ευαίσθητων επιστημονικών αισθητήρων.

Η ανάγκη για υπόγειες υποδομές και τα επόμενα βήματα του NIAC

Η επιστημονική κοινότητα εξετάζει με ιδιαίτερη προσοχή τα σεληνιακά σπήλαια ακριβώς επειδή προσφέρουν μια έτοιμη, φυσική λύση στο μεγαλύτερο ίσως εμπόδιο που αντιμετωπίζει η μακροπρόθεσμη ανθρώπινη διαβίωση στο εξωγήινο περιβάλλον, το οποίο δεν είναι άλλο από την εκτεταμένη έκθεση στην επικίνδυνη ακτινοβολία και την απειλή των μικρομετεωριτών. 

Τα πολύ παχιά στρώματα σεληνιακού ρηγόλιθου και συμπαγούς μάγματος που σχηματίζουν τις οροφές αυτών των αγωγών μπορούν να λειτουργήσουν ως εξαιρετικές φυσικές ασπίδες προστασίας, διατηρώντας παράλληλα μια σχετικά σταθερή θερμοκρασία στο εσωτερικό τους, σε πλήρη αντίθεση με τη σεληνιακή επιφάνεια όπου οι θερμοκρασιακές διακυμάνσεις μεταξύ ημέρας και νύχτας είναι ακραίες και δυνητικά καταστροφικές για τα συστήματα υποστήριξης ζωής.

Κατά τη διάρκεια της πρώτης φάσης (Phase I) που υποστηρίζεται από την τρέχουσα χρηματοδότηση του προγράμματος, οι μηχανικοί και οι ερευνητές της Stone Aerospace καλούνται να ολοκληρώσουν μια αναλυτική μελέτη σκοπιμότητας προκειμένου να αποδείξουν μαθηματικά και σχεδιαστικά ότι το σύστημα μεταφοράς ενέργειας μέσω της οπτικής ίνας μπορεί πράγματι να αυξήσει την εμβέλεια και τη διάρκεια λειτουργίας της αποστολής επαρκώς ώστε να δικαιολογηθεί η κατασκευή του τελικού πρωτοτύπου. 

Ο κύριος άγνωστος παράγοντας που η ερευνητική ομάδα οφείλει να επιλύσει είναι ο ακριβής βαθμός βελτίωσης της ειδικής ώθησης που θα προκύψει από τη θέρμανση του προωθητικού αερίου, μια παράμετρος εξαιρετικά κρίσιμη για την τελική ισορροπία μεταξύ της μάζας του επιστημονικού εξοπλισμού, της ποσότητας του διαθέσιμου καυσίμου και της ισχύος της κεντρικής πηγής λέιζερ. Εάν αυτή η αρχική φάση αποδώσει τους καρπούς που προβλέπονται, η επικείμενη αναβάθμιση στη δεύτερη φάση (Phase II) θα περιλαμβάνει τη διεξαγωγή εκτεταμένων εργαστηριακών δοκιμών υποβαθμισμένης κλίμακας, χρησιμοποιώντας λέιζερ συχνότητας 1070 νανομέτρων που θα διοχετεύεται μέσα από οπτική ίνα μήκους άνω του ενός χιλιομέτρου, προσομοιώνοντας έτσι τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του σκάφους.

Οι επικεφαλής του τμήματος Προηγμένης Έρευνας και Τεχνολογίας της NASA υπογραμμίζουν ξεκάθαρα πως η ουσιαστική επιστροφή στη Σελήνη με σκοπό τη μόνιμη παραμονή, αλλά και η μετέπειτα επέκταση προς τον πλανήτη Άρη, απαιτούν τεράστια τεχνολογικά άλματα και όχι απλές, σταδιακές βελτιώσεις των υφιστάμενων οχημάτων μεταφοράς. 

Η έρευνα γύρω από την τεχνολογία Power-over-Fiber εκτιμάται ότι θα βρει ταχύτατα εφαρμογή και σε αναρίθμητα άλλα πεδία εκτός του διαστημικού τομέα, παρέχοντας μια λύση μεταφοράς ενέργειας για απομακρυσμένα συστήματα στα τεράστια βάθη των ωκεανών της Γης ή προσφέροντας συνεχή λειτουργία σε ρομποτικές πλατφόρμες διασωστικών επιχειρήσεων μέσα σε δυσπρόσιτα περιβάλλοντα που έχουν υποστεί τεράστιες φυσικές καταστροφές.