Artist's concept van mogelijke verkenningsprogramma's. Afbeelding tegoed: NASA Klik om te vergroten
Heb je ooit op een droge winterdag over een wollen tapijt in schoenen met leren zolen gelopen en dan naar een deurknop gestoken? ZAP! Een prikkelende vonk springt tussen je vingers en de metalen knop.
Dat is statische ontlading - bliksemschicht klein.
Statische ontlading is slechts vervelend voor iedereen op aarde waar de winters een uitzonderlijk lage luchtvochtigheid hebben. Maar voor astronauten op de maan of op Mars kan statische ontlading een groot probleem zijn.
"Op Mars denken we dat de grond zo droog en isolerend is dat als een astronaut aan het wandelen was, hij of zij eenmaal naar het leefgebied terugkeerde en de luchtsluis reikte, een bliksemschicht kritische elektronica zou kunnen beschadigen", legt Geoffrey A uit Landis, natuurkundige bij de afdeling Fotovoltaïsche en ruimtevaarteffecten van het NASA Glenn Research Center in Cleveland, Ohio.
Dit fenomeen wordt tribo-elektrisch opladen genoemd.
Het voorvoegsel 'tribo' (uitgesproken als TRY-bo) betekent 'wrijven'. Wanneer bepaalde paren, in tegenstelling tot materialen, zoals wol en leer van harde schoenzolen tegen elkaar wrijven, geeft het ene materiaal een deel van zijn elektronen op aan het andere materiaal. Door de scheiding van lading kan een sterk elektrisch veld ontstaan.
Hier op aarde hebben de lucht om ons heen en de kleding die we dragen meestal voldoende vocht om fatsoenlijke elektrische geleiders te zijn, dus alle ladingen die worden gescheiden door te lopen of te wrijven, hebben een gemakkelijk pad naar de grond. Elektronen bloeden in de grond in plaats van zich op te hopen op je lichaam.
Maar wanneer lucht en materialen buitengewoon droog zijn, zoals op een droge winterdag, zijn het uitstekende isolatoren, dus er is geen klaar pad naar de grond. Je lichaam kan negatieve ladingen ophopen, mogelijk tot maar liefst 20 duizend volt. Als je een geleider aanraakt, zoals een metalen deurknop, dan - ZAP! - ontladen alle geaccumuleerde elektronen tegelijk.
Op de maan en op Mars zijn de omstandigheden ideaal voor tribo-elektrisch opladen. De grond is droger dan woestijnzand op aarde. Dat maakt het een uitstekende elektrische isolator. Bovendien zijn de grond en de meeste materialen die in ruimtepakken en ruimtevaartuigen worden gebruikt (bijvoorbeeld gealuminiseerd mylar, neopreen gecoat nylon, dacron, urethaan gecoat nylon, tricot en roestvrij staal) totaal anders dan elkaar. Wanneer astronauten lopen of rovers over de grond rollen, verzamelen hun laarzen of wielen elektronen terwijl ze door het grind en stof wrijven. Omdat de grond isolerend is en geen pad naar de grond biedt, kan een ruimtepak of rover een enorme tribo-elektrische lading opbouwen, waarvan de omvang nog niet bekend is. En wanneer de astronaut of het voertuig terugkeert naar de basis en metaal raakt - ZAP! De lampjes in de basis gaan mogelijk uit of erger.
Landis en collega's van NASA Glenn merkten dit probleem voor het eerst op eind jaren negentig voordat Mars Pathfinder werd gelanceerd. "Toen we een prototypewiel van de Sojourner-rover over gesimuleerd Marsstof lieten rijden in een gesimuleerde Mars-atmosfeer, ontdekten we dat het tot honderden volt was opgeladen", herinnert hij zich.
Die ontdekking maakte de wetenschappers zo bezorgd dat ze het rover-ontwerp van Pathfinder aanpasten door naalden van een halve inch lang toe te voegen, gemaakt van ultradunne (0,0001-inch diameter) wolfraamdraad die tot een punt was geslepen, aan de basis van antennes. Door de naalden kan elke elektrische lading die op de rover is opgebouwd in de dunne atmosfeer van Mars wegvloeien, 'als een miniatuur bliksemafleider die achteruit werkt', legt Carlos Calle uit, hoofdwetenschapper bij NASA's Electrostatics and Surface Physics Laboratory in Kennedy Space Center , Florida. Soortgelijke beschermende naalden werden ook geïnstalleerd op de Spirit and Opportunity-rovers.
Op de maan: 'Apollo-astronauten hebben nooit gemeld dat ze door elektrostatische ontladingen zijn afgevuurd', merkt Calle op. “Toekomstige maanmissies waarbij grote graafmachines worden gebruikt om veel droog vuil en stof te verplaatsen, kunnen elektrostatische velden produceren. Omdat er geen atmosfeer op de maan is, kunnen de velden behoorlijk sterk worden. Uiteindelijk kunnen er onder vacuüm ontladingen ontstaan. ”
'Op Mars', vervolgt hij, 'kunnen ontladingen plaatsvinden met een maximum van een paar honderd volt. Het is waarschijnlijk dat deze de vorm aannemen van coronale gloed in plaats van bliksemschichten. Als zodanig zijn ze misschien niet levensbedreigend voor de astronauten, maar ze kunnen schadelijk zijn voor elektronische apparatuur. ”
Dus wat is de oplossing voor dit probleem?
Hier op aarde is het eenvoudig: we minimaliseren statische ontlading door elektrische systemen te aarden. Door ze te aarden, moeten ze letterlijk worden verbonden met aardestampende koperen staven diep in de grond. Grondstaven werken op de meeste plaatsen op aarde goed, omdat de grond enkele meters diep vochtig is en dus een goede geleider is. De aarde zelf zorgt voor een 'zee van elektronen', die alles wat ermee verbonden is neutraliseert, legt Calle uit.
Er is echter geen vocht in de bodem van de maan of Mars. Zelfs het ijs waarvan wordt aangenomen dat het de Marsbodem doordringt, zou niet helpen, omdat 'bevroren water geen erg goede geleider is', zegt Landis. Dus grondstaven zouden niet effectief zijn bij het creëren van een neutrale "gemeenschappelijke grond" voor een maan- of marskolonie.
Op Mars is, ironisch genoeg, de beste grond de lucht. Een kleine radioactieve bron 'zoals die gebruikt in rookmelders' zou aan elk ruimtepak en aan de leefomgeving kunnen worden bevestigd, stelt Landis. Laag-energetische alfadeeltjes zouden in de ijle atmosfeer vliegen, moleculen raken en deze ioniseren (elektronen verwijderen). De atmosfeer rond de leefomgeving of astronaut zou dus geleidend worden en eventuele overbelasting neutraliseren.
Het bereiken van een gemeenschappelijke basis op de maan zou lastiger zijn, omdat er niet eens een ijle atmosfeer is om de lading te ontlasten. In plaats daarvan zou een gemeenschappelijke ondergrond kunnen worden gecreëerd door onder het gehele werkgebied een enorm vel folie of gaas van fijne draden te begraven, mogelijk gemaakt van aluminium (dat zeer geleidend is en uit de maanbodem kan worden gehaald). Dan zouden alle muren en apparaten van de habitat elektrisch verbonden zijn met het aluminium.
Onderzoek is nog voorlopig. Ideeën verschillen dus tussen de natuurkundigen die op zoek zijn naar een gemeenschappelijke basis.
Oorspronkelijke bron: NASA News Release
