En sværm af svømmende robotter til at søge efter liv under isen på Europa

Da Galileo rettede sit teleskop mod Jupiter for 400 år siden, så han tre lysklatter rundt om den gigantiske planet, som han først troede var fiksstjerner. Han blev ved med at kigge, og til sidst opdagede han en fjerde klat og bemærkede, at klatterne bevægede sig. Galileos opdagelse af objekter, der kredser om noget andet end Jorden – som vi kalder de galilæiske måner til hans ære – slog et slag for datidens ptolemæiske (geocentriske) verdensbillede.

Galileo kunne ikke have forudset den tidsalder af rumudforskning, som vi lever i nu. Spol 400 år frem, og her er vi. Vi ved, at Jorden ikke optager noget centralt punkt. Vi har opdaget tusindvis af andre planeter, og mange af dem vil have deres egne måner. Galileo ville blive overrasket over dette.

Hvad ville han tænke om robotmissioner for at udforske en af ​​de lysklatter, han så?

Jupiters måne Europa er det mest overbevisende mål i søgen efter liv i vores solsystem. Europa er dækket af en isskal mellem 15 og 25 kilometer (9 til 15 miles) tyk. Under isen er et hav mellem 75 og 85 kilometer (46 til 53 miles) tykt.

Det betyder, at denne måne, den mindste af de fire galilæiske måner, kunne have tre gange mere vand end Jorden. Vandet er varmt og salt, og det betyder, at Europa kan rumme et enkelt liv.

NASA sender den længe ventede Europa Clipper til den frosne måne i 2024 (planlagt) for at udforske dens livsbærende potentiale. Det vil ikke sende en sonde til overfladen, og faktisk vil det faktisk ikke kredse om Europa selv; i stedet vil den kredse om Jupiter og udføre en række forbiflyvninger af Europa.

Men en dag sender vi en robotudforsker til Europas overflade. Og det eneste, der er bedre end at sende en robot til at udforske Europa, er at sende en sværm af robotter for at gøre det. Det er ideen bag konceptet Sensing With Independent Micro-Swimmers (SWIM).

En robotingeniør ved NASAs JPL modtog $600.000 i finansiering fra et NASA-program til at udvikle konceptet. Ingeniøren er Ethan Schaler, og dette er anden finansieringsrunde, som NASAs Innovative Advanced Concepts (NIAC) har tildelt ham. I fase 1 af NIAC-programmet modtog han $125.000.

Den grundlæggende idé bag SWIM-konceptet er at udvide en Europa-missions dataindsamlingsrækkevidde og indsamle en større stikprøvestørrelse.

Schalers SWIM-koncept beskriver, hvordan et rumfartøj sendt til Europa eller en anden lignende destination som Saturns måne Enceladus kunne bruge en sværm af robotter til større effektivitet. En lander ville nå overfladen og indsætte en cryobot designet til at rejse gennem isskallen til havet. Når den først var der, ville cryoboten installere omkring fire dusin små robotter på størrelse med en mobiltelefon. Kryobotten ville have plads til disse uafhængige robotter plus nok volumen til at være vært for sine egne instrumenter, som ville indsamle data under den lange nedstigning gennem isen og i havet.

Kryobotten ville være forbundet til landeren via en kommunikationsforbindelse, og den stationære overfladelander ville være kommunikationspunktet for jordbaserede missionskontrollører. Men de mindre SWIM-bots ville være uafhængige.

Ifølge Schaler løser de uafhængige bots nogle af problemerne forbundet med en mission til Europa ved at indsamle mere robuste data.

"Min idé er, hvor kan vi tage miniaturiseret robotteknologi og anvende dem på interessante nye måder til at udforske vores solsystem?" sagde Schaler. "Med en sværm af små svømmerobotter er vi i stand til at udforske en meget større mængde havvand og forbedre vores målinger ved at have flere robotter, der indsamler data i det samme område."

Gruppen af ​​uafhængige SWIM-bots ville løse et andet problem forbundet med at udforske isdækkede havverdener. Den eneste mulige måde at komme igennem Europas 15 til 25 km lange isskal er med varme. Kryobotten ville tunnelere sig vej gennem al den is med en varm atomkraftkilde. På grund af design- og missionsbegrænsninger ville cryobot sandsynligvis ikke rejse ud over det punkt, hvor den brød bunden af ​​isen og nåede havet. Cryobotens nukleare varmekilde ville varme vandet op i nærheden af ​​cryoboten, og kemiske reaktioner ville ændre vandets natur, forurene dataene og forringe dets værdi. De uafhængige SWIM-bots kunne undslippe denne varmeboble og samle et mere præcist billede af Europas hav.

Samuel Howell er en NASA/JPL-videnskabsmand involveret i Europa Clipper-missionen. Han er også en del af teamet, der udvikler SWIM-konceptet. "Hvad nu hvis du efter alle de år, det tog at komme ud i et hav, kommer gennem isskallen på det forkerte sted? Hvad hvis der er tegn på liv derovre, men ikke der, hvor du kom ind i havet?" sagde Howell. "Ved at tage disse sværme af robotter med os, ville vi være i stand til at se 'over there' for at udforske meget mere af vores miljø, end en enkelt cryobot ville tillade."

Howell påpegede lighederne mellem SWIM og Ingenuity, den lille helikopter, der rejste til Mars med Perseverance Rover.

"Helikopteren udvider rækkevidden af ​​roveren, og billederne, den sender tilbage, er kontekst for at hjælpe roveren med at forstå, hvordan man udforsker sit miljø," sagde han. "Hvis du i stedet for én helikopter havde en flok, ville du vide meget mere om dit miljø. Det er ideen bag SWIM."

Schaler fortæller, at de enkelte bots også kunne agere sammen i en sværm, hvis det ønskes, ligesom fiskeflokke gør. Denne manøvre kunne spille en afgørende rolle i søgen efter liv ved at identificere gradienter i energi eller saltholdighed. Energigradienter anses for at være afgørende for livets udvikling, fordi livet dybest set nærer sig af dem. Livet udnytter energigradienter til at lave bedre og bedre kopier af sig selv, der spreder sig gennem miljøet, på udkig efter andre energigradienter at udnytte. (Faktisk, på én måde at se det på, eksisterer livet for at udjævne energigradienter og sprede entropi, indtil der ikke findes nogen orden i universet, men det er lidt off-topic. Læs dette, hvis du er nysgerrig:"Fysik, liv, og alt pænt.")

"Hvis der er energigradienter eller kemiske gradienter, er det sådan, livet kan begynde at opstå. Vi bliver nødt til at komme opstrøms fra cryoboten for at fornemme dem," sagde Schaler.

SWIM-botterne ville hver især have instrumenter til at måle temperatur og saltholdighed. De vil også måle surhedsgrad og tryk, og hver enkelt vil have sine egne fremdrifts- og kommunikationssystemer.

SWIM-konceptet er et fascinerende skridt i bestræbelserne på at udforske Europa. Den behandler nogle af de problemer, der ligger i at udforske et hav begravet under is, hvad enten det er på Europa eller på en af ​​solsystemets andre havmåner med isskal. Men der er andre forhindringer for at udforske disse måner, og nogle af dem kan være ekstraordinært svære at overvinde.

Europa har kun et hav på grund af dets nærhed til Jupiter. Mens månen kredser om gasplaneten, opvarmer tidevandsbøjning Europa nok til at holde vandet i flydende tilstand. Men denne nærhed og tidevandsbøjning har en pris:Jupiter udsender kraftig stråling. Faktisk så kraftfuld, at NASAs Juno-mission til Jupiter holder sine følsomme instrumenter inde i en titanium-hvælving for at beskytte dem. Den følger også en polær bane, som hjælper den med at undgå den værste stråling. Men for hvert kredsløb nedbrydes titaniumhvælvingen af ​​stråling, indtil instrumenterne er så beskadigede, at missionen reelt slutter.

Enhver mission til Europa bliver på en eller anden måde nødt til at kæmpe med den stråling, selvom isbarrieren ville give en vis beskyttelse for cryobot og SWIM-bots.

Et andet problem er at få et rumfartøj sikkert op på Europas overflade. Billeder viser en brækket overflade dækket af blokede isstykker nogle steder. Andre områder er flækket med sprækker. Europas ækvatoriale region kan være domineret af penitentes, iskolde pigge på op til 15 meter (49 fod) høje. Manøvrering til et landingssted kan være meget vanskeligt. I modsætning til Mars, hvor rovere studerer overfladen i detaljer og kan hjælpe missionsplanlæggere med at finde sikre og videnskabeligt værdifulde landingssteder, er Europas overflade ikke godt kortlagt. Det er heller ikke så velforstået. Overfladen kan være så hård eller så blød, at det er svært at designe et rumfartøj, der med succes kan nå den iskolde overflade.

Men selvom SWIM-konceptet kun er et koncept på dette tidspunkt, er Europa Clipper det ikke. Forskere håber, at Clipper vil være i stand til at kortlægge Europas overflade meget som Mars Reconnaissance Orbiter har gjort for Mars. Data fra Clipper skulle hjælpe en lander med at kæmpe med Europas overflade.

Forhåbentlig vil al den intellektuelle kapital, der bliver brugt på at udforske Europa, betale sig. Selve Europa Clipper vil ikke engang nå kredsløb om Jupiter før 2030. Så vi skal vente længe, ​​før en mission nogensinde når Europas overflade. Og den første overflademission har måske ikke engang en cryobot til at gennembore isen og studere havet.

Men en dag, undtagen samfundssammenbrud eller noget andet apokalyptisk, får vi et rumfartøj der, og vi vil udforske. Hvis du er ung nok, når du læser dette, vil du måske være i live til at høre råbene af "Eureka!" som begejstrede videnskabsmænd annoncerer opdagelsen af ​​mikrober i Europas store hav. + Udforsk yderligere

Sværm af små svømmerobotter kunne lede efter liv i fjerne verdener