چرخ‌های مریخ‌ نورد آینده روی سیاره‌ی سرخ مقاوم‌تر خواهند بود

مریخ‌نورد کیوریاسیتی در طول پنج سال گذشته به کشف‌های خارق‌العاده‌ای روی سطح مریخ دست یافته است. این مریخ‌نورد مسافت زیادی را در طول مأموریت‌های اکتشافی خود طی کرده است. با این حال، تعجب‌آور است که در  آزمایش‌های روزانه‌ی ۲۰۱۳، اعضای تیم علمی کیوریاسیتی پارگی چرخ‌ها را گزارش دادند؛ شکستگی‌هایی هم در ۲۰۱۷ گزارش شدند.

پژوهشگران مرکز تحقیقاتی گلن در NASA با نگاهی به آینده امیدوارند بتوانند نسل‌های بعدی مریخ‌نورد را مجهز به یک نوع چرخ جدید کنند. این چرخ بر اساس تایرهای فنری ساخته می‌شود که ناسا با همکاری Goodyear در اواسط دهه‌ی ۲۰۰۰ به توسعه‌ی آن‌ها پرداخت. با این‌حال، به‌جای استفاده از سیم‌های فولادی مارپیچی که حول یک الگوی حلقوی پیچیده شده‌اند و بخشی از طرح اصلی هستند. تیمی از دانشمندان NASA به ساخت یک نسخه‌ی انعطاف‌پذیر و بادوام پرداخته‌اند که بتواند تحولی در اکتشافات فضایی ایجاد کند.

با درنظر گرفتن تمام ابعاد ماه، مریخ و دیگر بدنه‌های منظومه‌ی شمسی، زمین بسیار خشن و ناهمواری دارند. در رابطه با ماه، مشکل اصلی سنگپوش‌ها هستند (خاک ماه) که بیشتر سطح آن را پوشانده است. خاک ماه از سنگ‌های دندانه دار پوشانده شده است که باعث خرابی قطعات دستگاه و موتورها می‌شوند. در مریخ، شرایط کمی متفاوت است، زیرا سنگ‌های نوک‌تیز و سنگ‌پوش‌ها بیشتر سطح سیاره را پوشانده‌اند.

تصویر دریافتی از تصویر بردار لنز دستی مریخ (MAHLI) ، دوربین شرایط چرخ‌های سمت چپ منتهی الیه و چپ میانی کیوریاسیتی را نشان می‌دهد.

در سال ۲۰۱۳، یک سال پس از فرود، علائمی از ساییدگی و پارگی بر اثر  پیمایش زمین ناهموار روی چرخ‌های مریخ نورد کیوریاسیتی مشاهده شد. این علائم نگرانی‌های زیادی را در مورد کامل شدن مأموریت مریخ‌نورد به دنبال داشتند. بر همین اساس بسیاری از کارکنان مرکز تحقیقاتی گلن در NASA  تصمیم گرفتند در مورد طرحی که تقریبا یک دهه‌ی روی آن کار می‌کردند و برای مأموریت جدید ماه در نظر گرفته شده بود، تجدید نظر کنند.

تقریبا یک دهه است که گلن روی توسعه‌ی تایر مناسب متمرکز شده است. آن‌ها برای توسعه‌ی تایر جدید به یک روش قدیمی و قابل احترام مهندسین و دانشمندان ناسا مراجعه می‌کنند که قدمت آن به فضاپیمای آپولو می‌رسد. در آن زمان، هر دو برنامه‌ی فضایی روسیه و آمریکا در حال ارزیابی طرح‌های مختلف تایر برای سطح ماه بودند.  در نتیجه روی هم رفته سه طرح کلی ارائه شد.

در درجه‌ی اول، طرح‌هایی مخصوص مریخ‌نورد لوناخد طراحی شدند، لوناخد یک فضاپیمای روسی است که ریشه‌ی نام آن به «ماه پیما» یا «moon walker» برمی‌گردد. طراحی چرخ این مریخ‌نورد شامل تایرهای حلقوی سیمی، با هشت دیواره‌ی سخت است که با میله‌هایی از  نوع دوچرخه به محورهای خود متصل بودند. عایق‌های فلزی هم خارج از تایر، برای تضمین کشش بهتر در خاک ماه نصب شدند.

سپس طرح ناسا برای یک انتقال‌دهنده‌ی تجهیزات پیمانه‌ای (MET) ارائه شد که با پشتیبانی Goodyear توسعه پیدا کرد. این ارابه بدون منبع سوخت مجهز به دو تایر لاستیکی پرشده‌ با نیتروژن و مسطح بود تا بتواند ماشین را راحت‌تر روی سنگ‌ها و خاک ماه بکشد. سپس یک طرح برای ماشین ماه نورد (LRV) ارائه شد که آخرین ماشین برای بازدید از ماه بود.

فضانوردهای آپولو با این ماشین روی سطح ناهموار ماه حرکت می‌کردند، این ماشین بر چهار چرخ حلقوی سیمی انعطاف‌پذیر و بزرگ با چارچوب‌های داخلی محکم استوار بود. در اواسطه دهه‌ی ۲۰۰۰، وقتی NASA برنامه‌ریزی مأموریت‌های جدید به ماه (و مأموریت‌های آینده‌ی مریخ) را شروع کرد، به ارزیابی مجدد تایر LRV پرداخت و از مصالح و فناوری‌های جدید در طراحی آن استفاده کرد.

ثمره‌ی این تحقیقات جدید یک تایر فنری و قابل ارتجاع بود که توسط مهندس مکانیک ویواکه آسنانی طراحی شد و با همکاری نزدیک Goodyear توسعه پیدا کرد. طرح تایر سازگار و بدون کمپرسور شامل صدها سیم پیچ فولادی است که در یک حلقه‌ی انعطاف‌پذیری پیچیده شده‌اند. این طرح نه تنها وزن تایر را سبک می‌کند بلکه توانایی پشتیبانی و حمل بارهای سنگین و در عین حال سازگاری با زمین را به آن‌ها می‌دهد.

برای تست تایر فنری روی مریخ، مهندسین مرکز پژوهش گلن در NASA ، در آزمایشگاه Slope در دوره‌ی مانع شبیه‌سازی محیط مریخ به تست این تایر پرداختند.  با این که تایرها در شن شبیه‌سازی شده عملکرد خوبی داشتند، اما پس از عبور تایر از سنگ‌های ناهموار و تغییر شکل حلقه‌ی سیمی با مشکل روبه‌رو شدند.

کالین کریگر و سانتو پادوآ (به ترتیب مهندس NASA و دانشمندان مواد) در مورد جایگزین‌های احتمالی بحث کردند. آن‌ها به این توافق رسیدند که سیم‌های فولادی باید با تیتانیوم نیکلی جایگزین شود، تیتانیوم نیکلی یک آلیاژ حافظه‌دار است که شکل خود را در شرایط دشوار  بازیابی می‌کند. پادوآ در بخش ویدئویی گلن ناسا می‌گوید، ایده‌ی استفاده از این آلیاژ بسیار غیرمنتظره بود:

اتفاقی به ساختمانی آمدم که آزمایشگاه Slope در آن قرار دارد. برای یک ملاقات دیگر و کار مرتبط به آلیاژ‌های حافظه‌دار آمده بودم که خیلی اتفاقی کالین را در سالن دیدم و پرسیدم اینجا چکار می کنی و چرا در آزمایشگاه نیستی؟ من قبلا او را به عنوان یک دانشجو می‌شناختم. او گفت،  من فارغ‌التحصیل شدم و مدتی در Slope  مشغول هستم.

پادوآ با وجود ده‌‌ها سال کار JPL ، آزمایشگاه Slope را قبلا ندیده بود و دعوت آن‌ها را پذیرفت. پس از ورود به آزمایشگاه و بررسی تایرهای فنری، پرسید آیا در مورد تغییر شکل با مشکلی روبه رو شده‌اند. وقتی کریگر مشکل را تأیید کرد، پادوآ یک راه‌حل را پیشنهاد داد که اتفاقا مرتبط با زمینه‌ی تخصص خود او بود.کریگر می‌گوید

من قبلا هرگز چیزی در مورد آلیاژ‌های حافظه‌دار نشنیده بودم، اما می‌دانستم پادوآ مهندس مواد است.  و از آن زمان تصمیم گرفتیم از تخصص او به ویژه در زمینه‌ی آلیاژ‌های حافظه‌دار برای ساخت این تایرها استفاده کنیم، و فکر می‌کنم تایرهای جدید ، تایرهای سیاره‌نورد و حتی تایرهای روی زمین را هم متحول کنند.

ویژگی اصلی آلیاژ‌های حافظه‌دار، ساختار اتمی و تجزیه‌ناپذیر آن‌ها است و به گونه‌ای مونتاژ شده است که ماده، شکل اصلی خود را «به خاطر» می‌سپارد و قادر است پس از تغییر شکل و کشش به شکل اصلی خود بازگردد. پس از ساخت تایر آلیاژ حافظه‌دار، مهندسین گلن آن را به آزمایشگاه پیشرانه ی جت فرستادند، این تایر در Mars life Test Faclity (تاسیسات آزمایش زندگی در مریخ) آزمایش شد.

روی هم رفته، این تایرها نه تنها در خاک شبیه‌سازی مریخ عملکرد خوبی داشتند بلکه بدون هیچ مشکلی در مقابل برآمدگی‌های سنگی هم مقاوم بودند. حتی پس از تغییر شکل تا محورها، می‌توانستند شکل اصلی خود را حفظ کنند. این آزمایش با یک بار سنگین هم تست شد، که هنگام توسعه ی تایرهای مریخ‌نوردها و ماشین‌ها یک پیش‌نیاز به شمار می‌رود.

اولویت‌های تایر فنری مریخ (MST) ارائه‌ی دوام بیشتر، قدرت کشش بیشتر در ماسه‌ی نرم و وزن سبک‌تر است. همان‌طور که ناسا در وب‌سایت MST نشان می‌دهد (بخشی از وب‌سایت مرکز تحقیقاتی Glenn)، سه مزیت عمده برای توسعه‌ی تایرهای با کیفیت مثل چرخ فنری وجود دارد:

در درجه‌ی اول به مریخ‌نوردها امکان کاوش مناطق سطحی بیشتری را نسبت به الان می‌دهند. در درجه‌ی دوم، به دلیل سازگاری  و فرونرفتن در زمین بر خلاف چرخ‌های انعطاف‌ناپذیر سابق می‌توانند بارهای سنگین‌تری با حجم و جرم یکسان حمل کنند. در نهایت، به دلیل جذب انرژی این تایرها از برخوردهایی با سرعت متوسط تا بالا، می‌توان از آن‌ها برای ماشین‌های اکتشافی سرنشین دار استفاده کرد که انتظار می‌رود با سرعت‌های بالاتری نسبت به مریخ‌نوردهای فعلی حرکت کنند.

اولین تست این تایرها چند سال دیگر یعنی با فرستادن مریخ نورد ۲۰۲۰ ناسا به سطح سیاره‌ی سرخ انجام خواهد شد. این مریخ نورد به دنبال مأموریت کیوریاسیتی و مریخ‌نوردهای دیگر به جست‌وجوی علائم حیات در محیط خشن مریخ می‌پردازد. کیوریاسیتی به آماده‌سازی نمونه‌هایی می‌پردازد که در نهایت در یک مأموریت سرنشین‌دار به زمین برگردانده می‌شوند، این مأموریت در دهه‌ی ۲۰۳۰ انجام خواهد شد.