Марс будут покорять дроны-листы весом с муху

Инженеры разработали предельно простые и дешёвые устройства, каждое из которых весит в миллиард раз меньше любого марсохода. Эти зонды, больше похожие на листы бумаги, предназначены для путешествий в атмосфере Красной планеты и других небесных тел.

Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале Advanced Materials.

Напомним, что летом текущего года на Красную планету должна отправиться миссия Mars 2020. В её рамках покорять внеземное небо отправится первый в истории марсианский вертолёт, о котором "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали.

На борту этого аппарата нет никаких научных приборов. Его задача, казалось бы, предельно проста: совершить первый полёт в атмосфере Марса. Такая осторожность космических инженеров имеет вполне логичное объяснение: "предельно простая" задача на деле может оказаться невероятно сложной и рискованной. И специалисты хотят уменьшить количество дорогих систем, которыми они рискуют.

Авторы новой концепции предлагают иное решение. Что, если выпустить в небо Красной планеты целый флот невероятно простых и дешёвых устройств? Даже если почти все они выйдут из строя, останется хоть какое-то количество зондов, выполнивших миссию.

"Марсианский вертолёт — это очень интересно, но всё же это всего одна машина, и притом сложная, — объясняет глава научной группы Игорь Баргатин (Igor Bargatin) из Университета Пенсильвании. — Если что-то пойдёт не так, ваш эксперимент тут же закончится, так как ничего исправить будет невозможно. Мы предлагаем принципиально иной подход: не класть все яйца в одну корзину".

Устройства, созданные исследователями, не имеют движущихся частей (а именно они — самое уязвимое место любой техники). Конструкция представляет собой пластину, буквально собранную из полых трубочек. Материалом для них служит оксид алюминия, а толщина их стенок составляет всего лишь 50 нанометров.

Размер устройства может составлять от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. В первом случае масса конструкции будет всего 0,3 миллиграмма (примерно как у мухи-дрозофилы). То есть она в миллионы раз легче марсианского вертолёта (1,8 килограмма) и в миллиарды раз — ровера Perseverance, который его понесёт (1025 килограммов).

"Трубчатая" структура выполняет две функции. Во-первых, она делает устройство куда более прочным, чем сплошной лист той же массы и габаритов (что хорошо известно производителям гофрированного картона). А во-вторых, она служит двигателем для этого "ковра-самолёта".

Когда одна сторона конструкции нагревается солнечными лучами или другим источником тепла, заполняющий каналы атмосферный газ приходит в движение. Затекая с одной стороны, он вырывается с другой, действуя как реактивная струя. Всё дело в том, что температура стенки канала меняется на всём его протяжении. Этот эффект давно известен физикам, но его ещё не применяли для создания каких бы то ни было летательных аппаратов.

Дело в том, что при привычной нам силе тяжести и плотности воздуха опытные экземпляры таких устройств гордо парят на высоте... в полмиллиметра. Ничего удивительного, что авиаконструкторы игнорируют подобный подход к покорению небес.

Однако атмосферное давление на Марсе в 170 раз ниже, чем на Земле. В такой среде "марсолёты" могут не только подняться на приличную высоту, но и нести груз, превышающий их собственный вес в несколько раз.

Это уже показано в экспериментах. Правда, давление в испытательных камерах было ещё ниже, чем на марсианской поверхности (10-200 паскалей против 600 паскалей). Но следует учесть, что на Красной планете сила тяжести в 2,6 раза меньше, чем на зелёной.

Но что полезного могут сделать столь крошечный зонды? Учитывая непрекращающиеся успехи в миниатюризации электроники, не так уж мало. Разработчики надеются, что дроны понесут на себе датчики, определяющие состав атмосферы. Кроме того, они могли бы иметь клейкую поверхность и собирать на неё частицы грунта (при посадке или прямо из воздуха). Эти образцы затем можно было бы доставлять к роверу для анализа.

В экспериментах силиконовые кольца имитировали полезную нагрузку.
Фото University of Pennsylvania.

Разумеется, в последнем случае движением этих устройств придётся управлять. Теоретически это возможно с помощью лазера, установленного на марсоходе, который будет нагревать летательный аппарат с нужной интенсивностью и в нужных местах. Практически же здесь наверняка встретится немало сложностей. Управляемый полёт объекта, напоминающего осенний лист — дело непростое. Особенно на такой ветреной планете как Марс да ещё и в автоматическом режиме (ручное управление нет смысла даже предусматривать, ведь радиосигналу понадобилось бы несколько минут, чтобы добраться до земных антенн).

Тем не менее исследователи полны оптимизма. Они мечтают о полётах не только на Марсе, но и на Плутоне, а также на спутнике Нептуна Тритоне. Это поистине наполеоновские планы, учитывая, что ни один космический аппарат ещё даже не выходил на орбиту вокруг Нептуна или Плутона.

Впрочем, технология может найти себе и более приземлённое (во всех смыслах) применение. Речь идёт об исследовании верхних слоёв атмосферы нашей планеты.

"Мезосфера Земли очень похожа на марсианскую атмосферу с точки зрения плотности, и в настоящее время у нас нет никаких [аппаратов, способных] там летать, поскольку это слишком небольшая высота для космических спутников и слишком большая для самолётов и аэростатов", — объясняет Баргатин.

Исследователям хотелось бы иметь там измерительные приборы. Чем больше у нас знаний о движении воздуха на этих высотах, тем лучше мы можем прогнозировать изменение климата Земли и даже погоду, отмечает учёный.