Technika „Gecko Gripper“ na vyčištění vesmírného odpadu

Vědci přicházejí na to, jak pomocí technologie „gecko gripper“ inspirované přírodou vyřešit problém s upevněním vesmírných zbytků.

Vědci používají „gecko gripper“ pro pohyb a manipulaci s velkými objekty na krátkém letu s nulovou hmotností g.
NASA / JPL / Aaron Parness

Pozorně sledujte svůj dvorek za teplého floridského rána a můžete vidět gekony, jak lezou na plot, aby pozdravili Slunce, hledajíc hmyzovou svačinu před tím, než se zapne polední horko. Stejná technika uchopení, kterou gekoni používají ke změně velikosti hladkých povrchů, jako je ploty by se brzy mohly potýkat s vesmírným odpadem na oběžné dráze.

Hao Jiang (Stanfordská univerzita) a jeho kolegové nedávno navrhli použít úchytky gegecko k uchopení vesmírných zbytků ve snaze vyčistit vesmír blízko Země. Koncept byl publikován 28. června ve vědecké robotice .

Odhaduje se, že půl milionu objektů větších než hrachová orbita Země, z nichž 23 000 objektů větších než baseball, je v současné době sledováno americkým společným vesmírným operačním velením. Drtivá většina i větších objektů je zaniklá. Potřebujete pouze vyhledat různá označení pro satelity na Heavens-Above, abyste si všimli, že většina z nich jsou skutečně vyřazené posilovače. A čísla jen rostou vesmírné haraburdí je problém s montáží.

Myšlenka vesmírného odpadu nebyla velkým problémem na počátku vesmírného věku a satelity byly často umístěny na oběžné dráze, která by trvala po staletí. Například Vanguard 1 byl vypuštěn v roce 1958 a stále je na oběžné dráze jako nejstarší lidský artefakt krouží po Zemi. Nyní jsou satelity často vyžadovány, aby obsahovaly schopnost oběžných drah jako standardní hardware - NanoSail-D2 testoval právě takovou technologii v roce 2011, když nasadil sluneční plachtu, aby znovu nastartoval zemskou atmosféru. Satelity na oběžné dráze nízké Země se obvykle znovu objevují kvůli atmosférickému odporu, zatímco vzdálenější satelity, jako jsou satelity na geostacionárních drahách, jsou obvykle vyřazovány do „hřbitových drah“ k likvidaci.

Navzdory tomuto nedávnému úsilí dvě události v posledním desetiletí exponenciálně zvýšily množství vesmírného odpadu na oběžné dráze Země (LEO): čínský protiraketový test z roku 2007 a kolize Iridium-33 a Kosmos 2251 v roce 2009.

"Dírka" proražení v solárním panelu ISS.
NASA / CSA / Chris Hadfield

Jednotlivé kolize však nejsou skutečným problémem; strach je, že jedna srážka má potenciál způsobit více. Smutným scénářem utečené kaskády srážek je známý jako Kesslerův syndrom, který nedávno uvedl do módy film Gravity, v němž hrají Sandra Bullock a George Clooney. Také někdy označovaná jako ablační kaskáda, taková řetězová reakce - i když možná ne tak dramatická, jak je znázorněna Hollywoodem - je vážným problémem. Mezinárodní kosmická stanice musí nyní provádět periodické manévry odstraňování otřesů (DAM), když se vesmírné nevyžádané zboží příliš blíží na volání, a více než jednou musela posádka ISS čekat na průchod ve svých „záchranných člunech“ sojuzských kapslí, připravených k návratu v případě potřeby okamžitě na Zemi.

Geckos ve vesmíru

Zatímco odstranění zbytků vesmíru je zřejmým řešením, potýkat se s a pohybující se objekty ve vesmíru představují výzvu. Někteří navrhli použít sítě nebo harpuny k zachycení vesmírného odpadu, ale tyto metody postrádají jemnou kontrolu. Na druhé straně uchopovací prostředky inspirované webovými nohami gekonu mohou chytit velký objekt, přemístit jej a poté jej uvolnit, aniž by udělily velké množství nežádoucí hybnosti.

Detail nohy gekonu na skle.
Wikimedia Commons

Gekonovy prsty obsahují řady mikroskopických chloupků, které zvyšují jejich kontaktní povrchovou plochu, když se špička tlačí dolů. Tato akce využívá to, co se nazývá van der Waalsovy síly, slabé síly mezi molekulami, které slábnou, když se molekuly dále od sebe oddělují. I když je to kontraintuitivní, že taková slabá síla by se mohla tak silně držet, kontakty milionů chloupků na špičce gekonu se opravdu sčítaly, což nakonec umožnilo gekonu přilepit se na skleněnou tabuli jediným prstem.

Kleště inspirované Gecko byly studovány už léta, aby pochopily, jak fungují, a vyvíjely komerční lepicí výrobky.

Nyní vědci hledají, gecko chapadla jsou také ideální pro vesmír. Sání nefunguje ve vakuu (bez vzduchu) a chemická lepidla obvykle ztrácejí lepivost v extrémních teplotních a radiačních podmínkách. Magnetismus také nebude fungovat na skleněných površích, například na solárních panelech. Síly van der Waals zaměstnané uchopovacími kleštěmi gecko však fungují ve vakuu dobře. Ve skutečnosti je možné jejich „lepivost“ zapnout a vypnout, uvedl Aaron Parness (NASA Jet Propulsion Laboratory) v nedávném živém chatu na Facebooku, díky kterému jsou chapače opětovně použitelné.

Chytače navržené týmem používají malá, klínovitá vlákna, která napodobují vlákna na gekonově noze. S malým množstvím rovnoměrně aplikované síly se zvětší povrchová plocha a přitažlivost vycpávek. Pokud je však tlak vyvíjen mírně nerovnoměrně, zdánlivě magická přitažlivost zmizí.

První testy v „robodome“ týmu byly povzbudivé: chapadla dokázaly snadno obejmout objekt o hmotnosti 850 liber a pohybovat se po něm. Jiang a jeho kolegové také představili tento koncept během krátkých parabolických letů s nulovou hmotností g na palubě „Vomit Comet“ NASA, kde chapadla chytily a snadno uvolnily kostku, válec a kouli.

Brzy se roboti gecko mohli plazit po vnějším povrchu Mezinárodní vesmírné stanice (ISS). V roce 2016 byly na palubě ISS provedeny první zkoušky uchopovačů a vědci předpokládají budoucí využití technologie na vnější straně ISS pro opravy a inspekce. "Poslali jsme do vesmíru celkem pět chapadel, " řekl Parness na Facebooku živě.

Malý „klepadlo gekonu“ zvedající skleněnou desku.
Pharness NASA / JPL / Aaron

Tato technologie může najít uplatnění na Zemi i v průmyslových aplikacích, protože by mohla nést velká, jemná zatížení (například na velké sklo čelních skel v továrně), aniž by vyvíjela velký tlak.

Další zajímavou myšlenkou, na kterou se Jiangův tým dívá, je udělit drobný elektrický náboj na podložkách gekonu, vytvořit hybrid van der Waalsových sil a elektrostatickou adhezi. Tato technika by mohla rozšířit systém a případně překonat některá jeho omezení, jako je degradace vlhkostí a nepatrná množství molekulárního kyslíku.

Kdy tedy uvidíme robotická gekka chytající satelity na oběžné dráze? Technologický demonstrant může letět s misí Restore-L NASA, jejímž cílem je vyzkoušet technologii doplňování paliva a opravy satelitů na oběžné dráze Země v polovině roku 2020. Výzkumníci souhlasí s tím, že uchopovače v rané fázi by bylo lepší pro manipulaci s velkými objekty, jako jsou zaniklé satelity nebo velké posilovače, než „zametání“ střepů menších zbytků.

To, co v slunečném dni funguje pro ještěrky na zahradě, může brzy přinést i řešení pro vyčištění oběžné dráhy Země.