DREAM - polscy studenci zbudowali kosmiczną wiertarkę

Do udziału w inicjatywie REXUS/BEXUS studenci z koła naukowego Tribo zakwalifikowali się jesienią 2015 r. Program dla akademickich zespołów organizują wspólnie ESA, czyli Europejska Agencja Kosmicznej, SNSB – Szwedzka Krajowa Rada ds. Przestrzeni Kosmicznej i DLR – Niemiecka Agencja Kosmiczna.

Program, który kształci przyszłe kadry branży kosmicznej

REXUS/BEXUS zakłada wyposażenie rakiety kosmicznej i gondoli balonu w aparatury badawcze przygotowane przez studenckie zespoły z całej Europy. Ich członkowie dostają w ten sposób szansę na przeprowadzenie swoich eksperymentów na wysokości około 30 km (w przypadku balonu) i około 90 km nad ziemią (w przypadku rakiety). Przez kilka miesięcy są też w stałym kontakcie z ekspertami ESA, mogą liczyć na ich pomoc  i uwagi, a przede wszystkim uczą się pracy przy tego typu projektach, aby w przyszłości potencjalnie zasilić szeregi specjalistów agencji.

Co się dzieje, gdy nie ma grawitacji?

Po półtora roku pracy studenci i absolwenci Politechniki Wrocławskiej (część zespołu skończyła studia w trakcie trwania projektu) są tuż przed finałem swojego eksperymentu. W połowie marca rakieta z zaprojektowaną przez nich aparaturą badawczą wzniesie się na wysokość około 90 km. Wówczas będą mogli sprawdzić proces wiercenia w warunkach mikrograwitacji.

"Kiedy wiercimy w czymś na Ziemi, wiemy, co stanie się odłamkami czy drobinami materiału, w który się wwiercamy. Wszystkie opadną, bo działa na nie grawitacja. Ale jak będzie wyglądał ten sam proces w kosmosie? Nikt tego do tej pory dokładnie nie zbadał" – opowiada Dorota Budzyń, absolwentka Wydziału Mechanicznego PWr, liderka projektu DREAM (od DRilling Experiment for Asteroid Mining). "Przeanalizowanie tego jest bardzo ważne w kontekście dalszej eksploracji kosmosu. Wiedząc, co dzieje się z odłamkami skały, będziemy w stanie projektować lepsze sprzęty  np. do pobierania urobku w kosmosie, ale nie tylko. Takie analizy mogą się przydać także w wielu innych przypadkach. Wystarczy choćby przypomnieć sobie ostatnią misję Rosetta. Sonda Europejskiej Agencji Kosmicznej weszła na orbitę wokół jądra komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko. Jej lądownik, Philae, po raz pierwszy w historii wylądował na powierzchni komety. Miał z tym jednak duże problemy. Jego kotwy miały wbić się w podłoże i jednocześnie wwiercić się w nie i okazało się to bardzo trudne.  Wiedza na temat wiercenia w kosmosie pozwoli branży kosmicznej lepiej przygotować się na takie sytuacje".

Koen De Beule, mentor zespołu DREAM oddelegowany do tego zadania przez ESA, także podkreśla, że projekt, który realizują młodzi badacze z Politechniki Wrocławskiej, jest pionierski. "Ludzkość jest u progu eksplorowania nowych planet. Istotnym elementem tej eksploracji będzie wiercenie i wydobycie. Dlatego tak ważne jest, by rozwijać badania na tym polu, tak jak proponuje to zespół DREAM" – zaznacza ekspert ESA.

Na czym polega eksperyment studentów?

Dzięki przygotowanej przez siebie aparaturze uczestnicy DREAM z dużą dokładnością sprawdzą, jak będą zachowywały się cząsteczki skały w czasie wiercenia, czyli w którą stronę polecą, pod jakim kątem i z jaką prędkością. Wydaje się to dość proste, ale to tylko pozory.

Studenci, projektując komorę, w której dojdzie do wiercenia, musieli wziąć pod uwagę dziesiątki różnych ograniczeń. Jednym z najważniejszych było to, że ich eksperyment jest jednym z czterech, jakie znajdą się na pokładzie rakiety wzbijającej się w powietrze. Dlatego musi mieścić się w normach narzuconych każdemu zespołowi przez ESA.

W praktyce oznacza to, że aparatura nie mogła przekroczyć określonej wagi – sześciu kilogramów – i musiała zmieścić się w module o wymiarach 330 mm na 220 mm. Ma być także dostosowana do konieczności funkcjonowania  przy przeciążeniu nawet do 20 g  (dla porównania – w czasie akrobacji lotniczych piloci są poddawani przeciążeniom do 10 g).

Gips najlepszym wyborem

Na „kosmiczną wiertarkę” składają się: komora pomiarowa, sama wiertarka, pochłaniacze wstrząsów, prowadnice, dwie kamery rejestrujące eksperyment, dwa silniki (jeden kręci wiertłem, drugi przesuwa platformę z  wiertarką, komputer pokładowy i oczywiście próbka, w której dojdzie do wiercenia.

"Ograniczenia wagowe i rozmiarowe powodowały, że długo zastanawialiśmy się nad wyborem silników i rodzaju skały, w której będziemy wiercić" - opowiada Dorota Budzyń. "Nasze silniki muszą być niewielkie, a im mniejsze silniki, tym mniejsza ich moc. Musieliśmy więc poszukać złotego środka między ich masą a mocą. W końcu zdecydowaliśmy się na takie, które są stosunkowo lekkie (wiercący ma 70 g, a silnik liniowy 162 g) i pozwalają nam wiercić na niskich obrotach, dzięki czemu łatwiej nam obserwować zachowania cząsteczek skały".

Materiałem, który zostanie użyty jako próbka, będzie gips. Studenci musieli zdecydować się na skałę homogeniczną, bo tylko w takim przypadku wyniki ich analizy będą miarodajne i będzie je można porównać z wynikami takich samych wierceń przeprowadzonych na Ziemi. "Tłumacząc prościej, badana próbka musi być po prostu identyczna, a w naturze nie sposób znaleźć dwóch dokładnie takich samych skał, o ile nie mają homogenicznej struktury" – wyjaśnia liderka projektu. "Dodatkową zaletą gipsu jest to, że jest biały, a dzięki temu jest dobrze widoczny we wnętrzu komory pomiarowej".

Tylko dwie minuty na eksperyment

W czasie eksperymentu wiertło o średnicy pięciu milimetrów wwierci się na głębokość 20 mm w kosteczkę gipsu o wymiarach 40 na 40 na 35 mm. Cały ten proces zarejestrują dwie kamery, a częścią systemu wizyjnego są też czerwony laser i niebieskie diody LED, co ułatwi studentom analizy ruchu cząsteczek gipsu.

"Nasz eksperyment zacznie się, gdy rakieta wzniesie się na wysokość około 90 km nad Ziemią, rozdzieli się z silnikiem i zacznie opadać" – tłumaczy Dorota. "Ponieważ będzie w stanie spadku swobodnego w próżni, w jej wnętrzu przez około dwie minuty będzie najwyższy poziom mikrograwitacji, czyli najniższego przyspieszenia grawitacyjnego. To jest nasz czas".

Studenci przez kilkadziesiąt sekund będą mogli oglądać swój eksperyment na żywo – z mniejszej kamery zamontowanej w komorze. Natomiast po opadnięciu rakiety na Ziemię wyjmą ze swojej aparatury kartę SD z nagraniami, a następnie spędzą tygodnie na analizowaniu – klatka po klatce – procesu wiercenia. Planują także mikroskopowe badania pozostałości próbki. Przewidują bowiem, że w czasie wiercenia w warunkach braku powietrza drobinki gipsu będą inaczej odbierały ciepło i mogą się przypalać.

Testy i współpraca kluczowe

Rakieta z aparaturami studentów wystartuje z kosmodromu Esrange w Szwecji. Data jej wzniesienia się w powietrze zależy od warunków pogodowych. Najwcześniejszy możliwy termin przeprowadzenia eksperymentów to 13 marca. Jeśli jednak silny wiatr i duże zachmurzenie będą przeszkadzać, to ESA zarezerwowała także kolejnych kilka dni na możliwe starty.

Prace nad całym projektem trwały półtora roku, bo wszystkie studenckie eksperymenty musiały przejść szereg testów. "Dużym wyzwaniem było chociażby dostosowanie urządzeń poszczególnych zespołów tak, by mogły przeprowadzać swoje eksperymenty, nie zakłócając pracy pozostałych" – opowiada Dorota Budzyń. "W czasie testów mieliśmy problemy np. ze wzajemnym zakłócaniem komunikacji, a nawet z zasilaniem. Okazało się, że dla jednej z grup bardzo istotne jest uruchamianie poszczególnych eksperymentów w konkretnej kolejności, w przeciwnym wypadku w ich urządzeniu pojawiał się duży skok napięcia".

Moduły z aparaturami przechodziły także testy wibracyjne oraz testy, w czasie których specjaliści ESA sprawdzali, gdzie znajduje się środek ciężkości modułu, a następnie przykręcali niewielkie blaszki. Dzięki nim wyznaczali środek ciężkości w takim miejscu, by trajektoria lotu rakiety była właściwa.

Duże wsparcie sponsorów 

"Uczestnicząc w REXUSie, bardzo dużo uczymy się od ekspertów Europejskiej Agencji Kosmicznej" – podkreśla Dorota. "Przede wszystkim kultury pracy, odpowiedniego planowania, raportowania itd. To zupełnie inne doświadczenie niż praca w projektach studenckich. Członek naszego zespołu wziął też udział w organizowanym w ramach tego programu specjalistycznym kursie lutowania elementów, które mogą później polecieć w kosmos".

Uczestnicy DREAM planują już przygotowanie kilku publikacji naukowych prezentujących wyniki ich badań. Chcą także wygłosić podsumowanie projektu na konferencji planowanej latem tego roku w Szwecji.

W zespole działa siedmioro studentów i absolwentów PWr. Oprócz Doroty Budzyń DREAM tworzą: Artur Błaszczyk, student Wydziału Elektrycznego, Jędrzej Kowalewski i Mikołaj Podgórski, absolwenci uczelni, Konrad Pleban i Kamil Sieciński, studenci Wydziału Elektroniki oraz Maksymilian Żurman, student Wydziału Mechaniczno-Energetycznego. Opiekunem grupy jest dr inż. Piotr Kowalewski z Wydziału Mechanicznego PWr.