Společnost Honeybee Robotics vyvinula systém odběru a transportu vzorků, který je schopen sám provádět měření, není závislý na gravitaci, poradí si i s lepivými substancemi a je flexibilní z hlediska pracovního prostředí.Tento systém je navržen tak, aby mohl pracovat na různých tělesech – ať už mají či nemají atmosféru. Nová fáze přelomového planetárního výzkumu vyžaduje přístup k podpovrchovým vzorkům a potřebuje tedy získat potřebný materiál pro analýzu. NASA již vytvořila několik misí, které mají za úkol odebrat povrchový materiál a doručit jej k palubním analytickým přístrojům. Tyto odběrné systémy však spoléhají na gravitaci, která zajistí přesun vzorku z lopatky či vrtáku do analytického přístroje. Tato osvědčená metoda se ale dostává do úzkých, pokud má pracovat s lepivými materiály.

Tým specialistů z firmy Honeybee Robotics proto navrhl nový systém, který je označován jako ISS (Integrated Sampling System), který nespoléhá na gravitaci a zvládne pracovat i s lepivými substancemi. Tento nový přístup využívá osvědčenou technologii, kterou známe z vysavačů. Součástí systému je i rameno připomínající hůl používanou při lakrosu, které se postará o přesun vzorku do příslušného přístroje.

Pozůstatek po odběru materiálu sondou Phoenix.
Zdroj: https://static01.nyt.com/

Robotická ramena s vrtačkami nebo lopatkami se pro transport vzorků používají již dávno – příkladem může být třeba marsovská sonda Phoenix, která pracovala u pólu rudé planety. Tohle robotické rameno s pěti stupni volnosti bylo označováno jako ISAD (Icy Soil Acquisition Device).  Jeho součástí byla i malá vrtačka určená k narušení zmrzlého regolitu a ledu. Jejím úkolem bylo vytvořit úlomky, které pak nabrala lopatka a dopravila je do útrob landeru.

Samotný proces byl vcelku jednoduchý – vyvrtat několik děr, lopatkou nabrat úlomky, srovnat lopatku nad násypku, otočit ji a vysypat na příslušné místo. Hned při prvním odběru však nastala komplikace – materiál se podařilo odebrat do lopatky, ale při pokusu u vysypání zůstával materiál v lopatce. Při teplotě okolo -100 °C a nízkém atmosférickém tlaku se čekalo, že led zůstane stabilní. Během čekání na signál ze Země totiž dopadly na lopatky slabé sluneční paprsky, které rozehřály její povrch i materiál uvnitř.

Sonda Phoenix měla při odběru materiálu na Marsu problémy s ulpíváním vzorků na lopatce.
Zdroj: https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/

Zvýšení teploty materiálu společně s rozmrazovacími účinky obsažených solí byly dostatečné k roztavení obsaženého ledu. Jakmile však slunce kleslo blíže k obzoru, materiál opět zmrzl a přilepil se k lopatce, což je proces, který známe i ze Země. Naštěstí mělo rameno ISAD vibrační režim. Při něm vibrace z vrtačky pomohly odlepit odebraný materiál z lopatky. Ve světle těchto zjištění se tým mise poučil a odběry prováděl vždy brzy ráno, přičemž transport byl co nejrychlejší, aby se omezilo ohřívání lopatky slunečními paprsky.

Při vývoji odběrného zařízení pro měsíc Titan, případně ledové měsíce v rámci programu COLDTech, odborníci z Honeybee Robotics využili znalostí získaných při misi Phoenix a dalších. Na základě těchto zkušeností definovali několik klíčových požadavků:

1. Umožnit systému zvládnout problémy související s lepivými materiály.
2. Umožnit analýzu malého objemu vzorku z velkého odebraného objemu. Doručit vzorek k přístroji na chemickou analýzu v malých kalíšcích (průměr cca 10 mm).
3. Doručit vzorky z povrchu do přístroje, který se nachází uprostřed sondy.

Detailní pohled na hůl pro lakros
Zdroj: https://sportslifetoday.com/

Odborníci proto rozvinuli pneumatický systém odběru vzorků. Zpočátku lidé z Honeybee využili sto let starou techniku cyklonového odlučování. Ta se sice v průmyslu běžně používá, ale při testech s lepivými materiály si tento na gravitaci založený postup vedl velmi špatně. Na měsících s nižší gravitací by lepivé materiály představovaly ještě větší problém a komplikace než na Zemi. Odborníci z Honeybee proto došli k rozhodnutí, že z celého procesu musí být odstraněna gravitace. Postupně se tak propracovali ke nezvyklé kombinaci, který spojuje vysavač a hůl na lakros.

Hůl na lakros je skvělá pro zachytávání rychle letících objektů a vysavač zase umí částicemi vzorku rychle pohnout, aby neměly čas si sednout, což cyklonový systém vyžadoval. Tým proto oba principy zkombinoval do inovativního designu – vysavač nasává vzorky dutou trubicí kolem malé lakrosové síťky, kde se některé letící částice zachytí do sítě. Takto zachycené vzorky je možné přemístit kamkoliv a velikost odebraného materiálu je možné zvětšit či zmenšit velikostí síťky.

Princip fungování odběrného mechanismu ISS (Integrated Sampling System)
Zdroj: https://science.nasa.gov/

Ačkoliv je tato metoda netradiční, splňuje všechny výše uvedené požadavky. Pneumatické systémy jsou mnohem silnější než gravitace – třeba i takové mince dokážete bez problémů vysát, ačkoliv na ně působí zemská přitažlivost. Tyto systémy si také poradí jak se suchými, tak lepivými látkami, což dokládají třeba odolné průmyslové vysavače, které si poradí i s úklidem rozlité vody. Navíc ohebná hadice vysavače se může snadno protáhnout kolem případné překážky, čímž umožní kontakt mezi odběrnou tryskou na povrchu a přístrojem, který je klidně na druhé straně sondy.

Lakrosová hůl je efektivní a z hlediska odebraného materiálu objektivní metoda – zachytí jen tolik vzorku, na kolik je navržena, ne víc. Navíc umožňuje zachytit částice, které kolem ní proudí. Koncept vysavače a hole jsou nyní páteří odběrného systému sondy Dragonfly, která byla vloni vybrána k realizaci v rámci programu New Frontiers. Odběrný systém DrACO (Drill for Acquisition of Complex Organics) má být tvořen dvěma na sobě nezávislými vrtačkami, otočným kolem s desítkami kalíšků (upravených lakrosových sítěk) a vysavačovým systémem, který má dva redundantní motory pro vytváření tahu.

Specialisté z Honeybee Robotics u makety sondy Dragonfly.
Zdroj: https://science.nasa.gov/

Vrtačky a motory vysavače jsou zapojeny tak, že kterákoliv z vrtaček může fungovat ve spolupráci s kterýmkoliv vysavačem. Odběr vzorku začne tím, že vrtačka z povrchu Titanu odvrtá materiál. Vysavač pak tento materiál nasaje do transportní trubice, ve které připravený kalíšek zachytí materiál určený pro analýzu. Kolo s kalíšky pak materiál přemístí do jednoho ze dvou palubních přístrojů, které zajistí analýzu – plynového chromatografu / hmotnostního spektrometru nebo laserového hmotnostního spektrometru.

Vizualizace projektu Dragonfly
Zdroj: https://www.nasa.gov

Ukázalo se, že nová metoda je použitelná i na tělesech bez atmosféry jako je třeba náš Měsíc. V takovém případě stačí se sondou ze Země přivézt nádobku se stlačeným plynem, jehož výron se postará o uvedení materiálu do pohybu. Projekty PlanetVac a Pneumatic Sampler využívající tento přístup mají letět na Měsíc v roce 2023 prostřednictvím projektu CLPS, respektive na marsovský měsíc Phobos v roce 2024.

Přeloženo z:
https://science.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.stx.com/…/c7d685abe37f4d15c439fdc154c3cbf1/e/x/ex40_cs_black_diagonal_1.jpg
https://www.esa.int/…/Huygens_s_descent_to_Titan_s_surface_pillars.jpg
https://static01.nyt.com/…/mars.shovel.600.jpg?quality=75&auto=webp&disable=upscale
https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/HViFu75WLYnSf4RxJUU5aG-320-80.jpg
https://sportslifetoday.com/wp-content/uploads/2018/09/lacrosse-stick.jpg
https://science.nasa.gov/science-pink/s3fs-public/thumbnails/image/playing-lacrosse-titan3.png
https://science.nasa.gov/science-pink/s3fs-public/thumbnails/image/playing-lacrosse-titan-1.png
https://www.nasa.gov/…/thumbnails/image/17-00084_fs_missionoverviewv7a16x9.jpg