Wetenschap
Waarom is het zo moeilijk om buiten de aarde te boren?
In hun paper uit 2021, gepubliceerd in het tijdschrift Energies beschrijven de auteurs twee belangrijke categorieën van problemen bij het boren buiten de wereld:milieu-uitdagingen en technologische uitdagingen. Laten we eerst eens dieper ingaan op de milieu-uitdagingen.
Een voor de hand liggend verschil tussen de aarde en de meeste andere rotsachtige lichamen waarin we mogelijk gaten zouden willen boren, is het ontbreken van een atmosfeer. Er zijn enkele uitzonderingen, zoals Venus en Titan, maar zelfs Mars heeft een atmosfeer die zo dun is dat er geen fundamenteel materiaal kan worden gebruikt dat hier op aarde wordt gebruikt voor het boren:vloeistoffen.
Als je ooit hebt geprobeerd een gat in metaal te boren, heb je waarschijnlijk wat koelvloeistof gebruikt. Als u dat niet doet, is de kans groot dat uw boor of uw werkstuk warm wordt en vervormt tot een punt waarop u niet meer kunt boren. Om dat probleem te verhelpen, spuiten de meeste machinisten eenvoudigweg wat smeermiddel in het boorgat en blijven er doorheen drukken. Een grotere versie hiervan gebeurt wanneer bouwbedrijven in de grond boren, vooral in gesteente. Ze gebruiken vloeistoffen om de plekken waar ze boren te koelen.
Dat is niet mogelijk op een hemellichaam zonder atmosfeer. In ieder geval niet met behulp van traditionele boortechnologieën. Elke vloeistof die aan het gebrek aan atmosfeer wordt blootgesteld, sublimeert onmiddellijk, waardoor de werkplek weinig tot geen verkoelend effect heeft. En aangezien veel booroperaties autonoom plaatsvinden, moet de boor zelf – meestal gekoppeld aan een rover of lander – weten wanneer hij moet stoppen met boren voordat de boorstukken smelten. Dat is een extra laag van complexiteit en niet iets waarvoor veel ontwerpen al een oplossing hebben bedacht.
Een soortgelijk vloeistofprobleem heeft de adoptie van een alomtegenwoordige boortechnologie die op aarde wordt gebruikt – de hydraulische techniek – beperkt. Extreme temperatuurschommelingen, zoals die te zien zijn op de maan tijdens de dag-/nachtcyclus, maken het uiterst moeilijk om een vloeistof te leveren voor gebruik in een hydraulisch systeem dat niet bevriest tijdens koude nachten of verdampt tijdens brandende dagen. Als zodanig zijn de hydraulische systemen die in bijna elke grote boorinstallatie op aarde worden gebruikt, uiterst beperkt als ze in de ruimte worden gebruikt.
Andere problemen zoals schurende of plakkerige regoliet kunnen ook de kop opsteken, zoals een gebrek aan magnetisch veld bij het oriënteren van de boor. Uiteindelijk kunnen deze milieu-uitdagingen worden overwonnen met dezelfde dingen die mensen altijd gebruiken om ze te overwinnen, ongeacht op welk planetair lichaam ze zich bevinden:technologie.
Er zijn echter ook tal van technologische uitdagingen voor het boren buiten de wereld. Het meest voor de hand liggende is de gewichtsbeperking, een cruciale overweging bij het doen van iets in de ruimte. Grote boorplatforms gebruiken zware materialen, zoals stalen behuizingen, om de boorgaten die ze boren te ondersteunen, maar deze zouden onbetaalbaar duur zijn met de huidige lanceertechnologieën.
Bovendien is de grootte van het boorsysteem zelf de beperkende factor van de kracht van de boor - zoals in het artikel staat:"de maximale kracht die op de boor wordt overgebracht, kan het gewicht van het hele boorsysteem niet overschrijden." Dit probleem wordt nog verergerd door het feit dat typische rover-boren op een robotarm worden geplaatst in plaats van er direct onder te worden geplaatst, waar de maximale hoeveelheid gewicht kan worden uitgeoefend. Deze krachtbeperking beperkt ook het soort materiaal waar de boor doorheen kan komen; het zal bijvoorbeeld moeilijk zijn om door een groot rotsblok te boren. Hoewel het herontwerpen van rovers met het oog op de boorlocatie nuttig zou kunnen zijn, speelt ook hier de beperking van het lanceergewicht een rol.
Een ander technologisch probleem is het gebrek aan stroom. Op koolwaterstof werkende motoren drijven de meeste grote booreilanden op aarde aan. Dat is buiten de aarde niet haalbaar, dus het systeem moet worden aangedreven door zonnecellen en de batterijen die ze leveren. Deze systemen lijden ook onder dezelfde tirannie van de raketvergelijking, dus zijn ze doorgaans relatief beperkt in omvang, waardoor het voor boorsystemen moeilijk wordt om te profiteren van enkele van de voordelen van volledig elektrische systemen ten opzichte van systemen op koolwaterstofbasis, zoals een hoger koppel. .
Ongeacht de moeilijkheden waarmee deze boorsystemen worden geconfronteerd, ze zullen van cruciaal belang zijn voor het succes van elk toekomstig exploratieprogramma, inclusief bemande exploratieprogramma's. Als we ooit lavagrotsteden op de maan willen creëren of door de ijskap van Enceladeus naar de oceaan willen gaan, zullen we betere boortechnologieën en -technieken nodig hebben. Gelukkig zijn er genoeg ontwerpinspanningen om ze te bedenken.
Het artikel beschrijft vier verschillende categorieën boorontwerpen:
- Oppervlakteboren – minder dan 10 cm diep
- Boren op ondiepe diepte:minder dan 1 meter diep
- Gemiddelde diepteboren:tussen 1 en 10 meter diepte
- Boren met grote diepte:meer dan 10 meter diep
Voor elke categorie vermeldt het document verschillende ontwerpen in verschillende volledigheidsstadia. Velen van hen hebben nieuwe ideeën over hoe ze moeten boren, zoals het gebruik van een "inchworm"-systeem of het gebruik van ultrasoon geluid.
Maar voorlopig blijft het boren buiten de wereld, en vooral op asteroïden en kometen, die hun eigen zwaartekrachtuitdagingen hebben, een moeilijke maar noodzakelijke taak. Naarmate de mensheid er meer ervaring mee krijgt, zullen wij er ongetwijfeld beter in worden. Gezien hoe belangrijk dit proces is voor de grootse plannen van ruimteverkenners overal ter wereld, kan het moment waarop we effectief in welk rotsachtig of ijskoud lichaam dan ook in het zonnestelsel kunnen boren, niet snel genoeg komen.