Op een dag zou een zwerm robots ter grootte van een mobiele telefoon door het water kunnen vliegen onder de kilometers dikke ijzige schil van Jupiters maan Europa of Saturnusmaan Enceladus, op zoek naar tekenen van buitenaards leven. Verpakt in een smalle ijssmeltsonde die door de bevroren korst zou tunnelen, zouden de kleine robots onder water worden losgelaten, ver van hun moedervaartuig zwemmend om de maat van een nieuwe wereld te nemen.

Dat is de visie van Ethan Schaler, een werktuigbouwkundig robotica-ingenieur bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië, wiens Sensing With Independent Micro-Swimmers (SWIM) -concept onlangs $ 600.000 Fase II-financiering ontving van het NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) -programma. De financiering, die volgt op zijn toekenning in 2021 van $ 125.000 in Fase I NIAC-financiering om de haalbaarheid en ontwerpopties te bestuderen, stelt hem en zijn team in staat om de komende twee jaar 3D-geprinte prototypes te maken en te testen.

Een belangrijke innovatie is dat de mini-zwemmers van Schaler veel kleiner zouden zijn dan andere concepten voor planetaire oceaanverkenningsrobots, waardoor velen compact in een ijssonde kunnen worden geladen. Ze zouden bijdragen aan het wetenschappelijke bereik van de sonde en zouden de kans op het detecteren van bewijs van leven kunnen vergroten, terwijl de potentiële bewoonbaarheid van een verre oceaandragend hemellichaam wordt beoordeeld.

"Mijn idee is, waar kunnen we geminiaturiseerde robotica nemen en ze op interessante nieuwe manieren toepassen om ons zonnestelsel te verkennen?" zei Schaler. "Met een zwerm kleine zwemmende robots kunnen we een veel groter volume oceaanwater verkennen en onze metingen verbeteren door meerdere robots gegevens te laten verzamelen in hetzelfde gebied."

Het SWIM-concept in een vroeg stadium maakt nog geen deel uit van een NASA-missie en voorziet in wigvormige robots, elk ongeveer 12 centimeter lang en ongeveer 60 tot 75 kubieke centimeter in volume. Ongeveer vier dozijn van hen zouden kunnen passen in een 4-inch lang (10 centimeter lang) gedeelte van een cryobot met een diameter van 10 inch (25 centimeter), die ongeveer 15% van het wetenschappelijke laadvolume in beslag neemt. Dat zou voldoende ruimte laten voor krachtigere maar minder mobiele wetenschappelijke instrumenten die gegevens kunnen verzamelen tijdens de lange reis door het ijs en stationaire metingen in de oceaan kunnen leveren.

De Europa Clipper-missie, gepland voor een lancering in 2024, zal gedetailleerde wetenschap verzamelen tijdens meerdere flybys met een grote reeks instrumenten wanneer deze in 2030 bij de Joviaanse maan aankomt. Als we verder in de toekomst kijken, worden cryobotconcepten om dergelijke oceaanwerelden te onderzoeken ontwikkeld via NASA's Scientific Exploration Subsurface Access Mechanism for Europa (SESAME) -programma, evenals via andere NASA-technologieontwikkelingsprogramma's.

Samen beter

Hoe ambitieus het SWIM-concept ook is, het zou de bedoeling zijn om risico's te verminderen en tegelijkertijd de wetenschap te verbeteren. De cryobot zou via een communicatiekabel zijn verbonden met de lander aan de oppervlakte, die op zijn beurt het contactpunt zou zijn met missiecontrollers op aarde. Die verbonden benadering, samen met de beperkte ruimte voor een groot voortstuwingssysteem, betekent dat de cryobot waarschijnlijk niet veel verder kan dan het punt waar ijs de oceaan ontmoet.

'Wat als je, na al die jaren die het heeft gekost om in een oceaan te komen, op de verkeerde plaats door de ijsschelp komt? Wat als er daar tekenen van leven zijn, maar niet waar je de oceaan bent binnengegaan?' zei SWIM-teamwetenschapper Samuel Howell van JPL, die ook aan Europa Clipper werkt. "Door deze zwermen robots met ons mee te nemen, zouden we 'daar' kunnen kijken om veel meer van onze omgeving te verkennen dan een enkele cryobot zou toestaan."

Howell vergeleek het concept met NASA's Ingenuity Mars Helicopter, de metgezel in de lucht van de Perseverance-rover van het bureau op de Rode Planeet. "De helikopter vergroot het bereik van de rover en de beelden die hij terugstuurt, zijn context om de rover te helpen begrijpen hoe hij zijn omgeving moet verkennen", zei hij. "Als je in plaats van één helikopter een stel had, zou je veel meer weten over je omgeving. Dat is het idee achter SWIM."

SWIM zou het ook mogelijk maken om gegevens te verzamelen weg van de gloeiend hete nucleaire batterij van de cryobot, waarop de sonde zou vertrouwen om een ​​neerwaarts pad door het ijs te smelten. Eenmaal in de oceaan zou die warmte van de batterij een thermische bel creëren, het ijs erboven langzaam smelten en mogelijk reacties veroorzaken die de chemie van het water zouden kunnen veranderen, zei Schaler.

Bovendien zouden de SWIM-robots kunnen samenkomen in een gedrag geïnspireerd door vissen of vogels, waardoor fouten in gegevens worden verminderd door hun overlappende metingen. Die groepsgegevens kunnen ook gradiënten laten zien:de temperatuur of het zoutgehalte neemt bijvoorbeeld toe over de collectieve sensoren van de zwerm en wijst naar de bron van het signaal dat ze detecteren.

"Als er energiegradiënten of chemische gradiënten zijn, kan zo leven ontstaan. We zouden stroomopwaarts van de cryobot moeten komen om die te voelen," zei Schaler.

Elke robot zou zijn eigen voortstuwingssysteem, boordcomputer en ultrasoon communicatiesysteem hebben, samen met eenvoudige sensoren voor temperatuur, zoutgehalte, zuurgraad en druk. Chemische sensoren om te controleren op biomarkers - tekenen van leven - zullen deel uitmaken van de Fase II-studie van Schaler. + Verder verkennen

NASA selecteert futuristische ruimtetechnologieconcepten voor vroege studie