Οι ερευνητές κατασκευάζουν υποβρύχιο για να το ελέγξει η NASA σε εξωγήινο ωκεανό

Οι μηχανικοί ξέρουν πώς να σχεδιάζουν υποβρύχια στη Γη, αλλά η κατασκευή ενός γίνεται πολύ πιο δύσκολη όταν η θερμοκρασία πέσει σε -300 βαθμούς Φαρενάιτ και ο ωκεανός είναι κατασκευασμένος από μεθάνιο και αιθάνιο.

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον συνεργάζονται με τη NASA για να καθορίσουν πώς ένα υποβρύχιο μπορεί να λειτουργήσει στον Τιτάνα, το μεγαλύτερο από τα πολλά φεγγάρια του Κρόνου και το δεύτερο μεγαλύτερο στο ηλιακό σύστημα. Ο διαστημικός οργανισμός σχεδιάζει να ξεκινήσει ένα πραγματικό υποβρύχιο στις θάλασσες του Τιτάνα τα επόμενα 20 χρόνια.

Οι ερευνητές δημιούργησαν τον ωκεανό του  Τιτάνα σε ένα εργαστήριο. Έχουν δημοσιεύσει ένα έγγραφο σχετικά με το έργο τους στο περιοδικό, Fluid Phase Equilibria.

Ο Τιτάνας παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους ερευνητές επειδή είναι παρόμοιος με τη γη για έναν σημαντικό λόγο, δηλ. διατηρεί υγρό. Σε αντίθεση με σχεδόν οπουδήποτε αλλού στο ηλιακό σύστημα, η επιφάνεια του Τιτάνα περιλαμβάνει ωκεανούς, ποτάμια και σύννεφα, και όπως στη γη, μπορεί να βρέξει. Αλλά, αντί του ύδατος, ο υδρολογικός κύκλος βασίζεται στο μεθάνιο.

Λόγω των πιθανών διδαγμάτων που θα μπορούσε να δώσει εδώ στη Γη, η NASA μελετά τον Κρόνο και τα φεγγάρια του για περισσότερο από μια δεκαετία με δεδομένα που συλλέγονται από το διαστημόπλοιο Cassini.

Το υποβρύχιο που σχεδιάζει ο οργανισμός θα πρέπει να λειτουργεί αυτόνομα. Θα πρέπει να μελετήσει τις ατμοσφαιρικές και ωκεάνιες συνθήκες, να κινηθεί γύρω από τα θαλάσσια στρώματα και να περάσει πάνω ή κάτω από την επιφάνεια. Η μηχανική είναι ακόμη πιο δύσκολη επειδή, σε αντίθεση με το σχεδόν ομοιογενές νερό στους ωκεανούς που βασίζονται στη γη, η συγκέντρωση του αιθανίου και του μεθανίου μπορεί να μεταβληθεί δραματικά στους ωκεανούς του Τιτάνα και να αλλάξει τις ιδιότητες πυκνότητας του υγρού.

Πρόσκληση της NASA

Ο Ian Richardson, πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υλικών, είχε την ευκαιρία να αντιμετωπίσει τον τρόπο με τον οποίο η NASA θα μπορούσε να κατασκευάσει υποβρύχιο για τις ακραίες συνθήκες. Στο κρυογονικό εργαστήριο του Washington State University (WSU), το οποίο μελετά υλικά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, ο Richardson δημιούργησε εκ νέου την ατμόσφαιρα του Τιτάνα και εξέτασε πώς μια μικρή θερμαινόμενη μηχανή θα μπορούσε να λειτουργήσει υπό τέτοιες συνθήκες.

Ο Richardson, κάτοχος πτυχίου μηχανολογίας από τo WSU, έχει μακροχρόνιο ενδιαφέρον για τις τεχνολογίες διαστήματος και εξερεύνησης του διαστήματος. Ήταν ο πρώτος αποδέκτης μιας υποτροφίας του WSU και της NASA Space Technology Research, η οποία περιελάμβανε πρακτική άσκηση στο ερευνητικό κέντρο Glenn της NASA στο Κλίβελαντ του Οχάιο. Κατά την εργασία του ως ειδικευμένου σε ένα ξεχωριστό πρόβλημα, ένας επιστήμονας της NASA τον προσέγγισε με το πρόβλημα του σχεδιασμού ενός υποβρυχίου για τον Τιτάνα.

Προσομοίωση των θαλασσών του Τιτάνα

Η ερευνητική ομάδα του Washington State University (WSU) δημιούργησε έναν θάλαμο δοκιμών που φιλοξένησε το υγρό μείγμα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες για να προσομοιώσει τις θάλασσες του Τιτάνα. Προσθέτουν έναν θερμαντήρα  σε σχήμα κυλίνδρου 2 ιντσών, ο οποίος θα προσεγγίζει τη θερμότητα που θα δημιουργούσε ένα υποβρύχιο.

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις για τους ερευνητές ήταν η κατανόηση φυσαλίδων στις θάλασσες του Τιτάνα. Προσθέστε ένα υποβρύχιο που τροφοδοτείται από μια μηχανή παραγωγής θερμότητας στο πολύ κρύο υγρό του Τιτάνα και σχηματίζονται φυσαλίδες αζώτου. Πολλές φυσαλίδες θα δυσκολευτούν να χειριστούν το πλοίο, να δουν και να πάρουν δεδομένα ώστε να διαχειριστούν τα συστήματα έρματος.

Λήψη Βίντεο  στους -300 βαθμούς Φαρενάιτ (-184.4 °C)

Το επόμενο μεγάλο πρόβλημα, είπε ο Richardson, ήταν να βγάλει ένα βίντεο σε δύσκολες συνθήκες. Η μελέτη τους διεξήχθη σε πίεση 60 κιλών ανά τετραγωνική ίντσα και σχεδόν  -300 ºF βαθμούς Φαρενάιτ (-184.4 °C). Η ομάδα του Richardson σχεδίασε μια λύση χρησιμοποιώντας μια οπτική συσκευή που ονομάζεται βοριοσκόπιο και βιντεοκάμερα που θα μπορούσαν να αντέξουν τις χαμηλές θερμοκρασίες και τις υψηλές πιέσεις για να απεικονίσει τι συνέβαινε μέσα στον θάλαμο δοκιμών.

Οι ερευνητές πέτυχαν και έλαβαν βίντεο με βροχή και χιόνι από αιθάνιο-μεθάνιο. Η ομάδα μελέτησε επίσης τις θερμοκρασίες κατάψυξης για τις λίμνες μεθανίου και αιθανίου και διαπίστωσε ότι, λόγω μιας μικρής ποσότητας αζώτου στο υγρό, οι λίμνες παγώνουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από τις αναμενόμενες: 75 Kelvin ή -324 ºF βαθμούς Φαρενάιτ, αντί για 90,5 Kelvin.

Οι ερευνητές προσπαθούν να συνεχίσουν τις εργασίες με τη NASA για να ενημερώσουν το σχεδιασμό υποβρυχίων για τον Τιτάνα.

Πηγή Άρθρου:

I.A. Richardson, J.W. Hartwig, J.W. Leachman. Experimental PρT-x measurements of liquid methane-ethane-nitrogen mixtures. Fluid Phase Equilibria, 2018