Astronauta staje na Księżycu i może zepsuć statek. "Nawet 100 000V"

Astronauta wracający ze spaceru po Księżycu może nieświadomie sprowadzić na swój statek poważne zagrożenie. Jego skafander potrafi gromadzić ładunek elektryczny, który podczas kontaktu z lądownikiem może wywołać wyładowanie i uszkodzić wrażliwą elektronikę. NASA traktuje problem na tyle poważnie, że ogłosiła konkurs z pulą nagród wynoszącą 150 tys. dol.

Największe zagrożenie pojawia się tak naprawdę w stale zacienionych obszarach księżycowego bieguna południowego, gdzie mają pracować przyszłe załogi programu Artemis. W rozpatrywanym przez NASA scenariuszu potencjał elektryczny skafandra może osiągnąć nawet -100 tys. V. Agencja szuka więc sposobu na bezpieczne pozbycie się ładunku, zanim astronauta dotknie statku.

Na Ziemi elektryczność statyczna jest dobrze znanym nam zjawiskiem. Wystarczy przejść po dywanie, a następnie dotknąć metalowej klamki, żeby poczuć krótkie ukłucie. To skutek nagłego przepływu ładunku elektrycznego między obiektami o różnych potencjałach.

Na Księżycu podobny mechanizm może jednak stworzyć znacznie poważniejsze zagrożenie. Skafander astronauty elektryzuje się podczas kontaktu z powierzchnią, a obecne w otoczeniu naładowane cząstki dodatkowo wpływają na jego potencjał. W przeciwieństwie do ziemskich warunków pozbycie się zgromadzonego ładunku może być tam bardzo trudne.

Najgroźniejsza sytuacja występuje wtedy, gdy astronauta zbliża się do lądownika. Statek stojący w nasłonecznionym miejscu może mieć niewielki dodatni potencjał elektryczny, podczas gdy skafander człowieka wracającego z zacienionego obszaru będzie silnie naładowany ujemnie. Różnica potencjałów może doprowadzić do gwałtownego przeskoku ładunku, czyli wyładowania elektrostatycznego. Taka iskra mogłaby uszkodzić elektronikę, osłabić warstwy ochronne skafandra, a w najgorszym przypadku zagrozić samemu astronaucie.

Skalę problemu chyba najlepiej pokazują wymagania przedstawione przez NASA w konkursie Lunar Grounding Challenge. Agencja oczekuje rozwiązania zdolnego bezpiecznie rozładować astronautę, którego skafander znajduje się na potencjale -100 tys. V lub jeszcze bardziej ujemnym. Lądownik ma w tym scenariuszu potencjał około +100 V.

To naprawdę ogromna różnica, ale sama wartość napięcia nie oznacza jeszcze, że człowieka czeka śmiertelne porażenie. O rzeczywistym zagrożeniu decydują również ilość zgromadzonego ładunku, energia wyładowania i natężenie przepływającego prądu.

Właśnie dlatego NASA określiła również dopuszczalne parametry przyszłego zabezpieczenia. Natężenie prądu podczas kontrolowanego rozładowywania nie powinno przekraczać 1 mA, czyli jednej tysięcznej ampera. Najlepiej byłoby ograniczyć je do 0,2 mA, a więc poziomu poniżej progu odczuwania prądu przez człowieka przy założonych warunkach.

Nie oznacza to oczywiście, że astronautów rzeczywiście zmierzono już przy takim napięciu. Podane wartości są założeniami projektowymi służącymi do przygotowania systemu na szczególnie niekorzystny scenariusz.

Księżyc nie ma gęstej atmosfery podobnej do ziemskiej. Jego powierzchnia jest wystawiona na promieniowanie słoneczne oraz oddziaływanie naładowanych cząstek występujących w przestrzeni kosmicznej. Warunki te sprawiają, że potencjał elektryczny przedmiotów może zmieniać się w zależności od oświetlenia i właściwości otoczenia.

Na powierzchni wystawionej na promieniowanie słoneczne zachodzi m.in. emisja fotoelektronów. Polega ona na tym, że światło o odpowiedniej energii wybija elektrony z materiału, wpływając na jego ładunek elektryczny.

W głębokim cieniu ten mechanizm najzwyczajniej po prostu zanika. Skafander nadal może jednak zbierać elektrony z otaczającego go środowiska plazmowego, czyli bardzo rozrzedzonego gazu zawierającego naładowane cząstki. W rezultacie jego potencjał może stawać się coraz bardziej ujemny.

Szczególnie trudne warunki występują w kraterach położonych w pobliżu księżycowego bieguna południowego. Niektóre ich fragmenty pozostają w cieniu przez bardzo długi czas, a część nigdy nie otrzymuje bezpośredniego światła słonecznego.

Właśnie te obszary są niezwykle interesujące dla naukowców. Mogą zawierać lód wodny, który w przyszłości dałoby się wykorzystać do zaopatrywania księżycowych baz. Astronauci będą więc mieli powody, żeby zapuszczać się w miejsca stwarzające największe zagrożenie elektrostatyczne.

Dodatkowym utrudnieniem jest regolit, czyli warstwa pyłu i drobnych fragmentów skał pokrywająca powierzchnię Księżyca. Powstał on wskutek miliardów lat uderzeń meteoroidów, a jego niewielkie ziarna mają często ostre, nieregularne kształty.

Pył może przyczepiać się do skafandrów, narzędzi oraz urządzeń. O tym, jak ogromnym wyzwaniem będzie usuwanie elektrostatycznego pyłu z przyszłych księżycowych baz, pisaliśmy już na Spider’s Web. Problem nie ogranicza się jednak do zabrudzenia wyposażenia.

NASA ostrzega, że unoszący się pył oraz jego grube warstwy osiadające na skafandrach mogą zwiększać odległość, na jaką przeskakują wyładowania elektryczne. Iskra mogłaby więc pojawić się jeszcze przed bezpośrednim zetknięciem astronauty z elementem konstrukcji lądownika.

Jest to szczególnie niebezpieczne w pobliżu elementów elektronicznych oraz wyposażenia podtrzymującego życie. W skafandrze znajduje się środowisko bogate w tlen, dlatego źródła zapłonu są tam szczególnie niepożądane. Sama iskra nie oznacza automatycznie pożaru, ale ryzyko jest na tyle istotne, że trzeba je uwzględnić podczas projektowania zabezpieczeń.

Amerykańska agencja kosmiczna uruchomiła właśnie konkurs Lunar Grounding Challenge, w którym poszukuje sposobu na kontrolowane wyrównywanie potencjałów elektrycznych astronauty i lądownika. Chodzi o rozwiązanie pozwalające usunąć niebezpieczny ładunek bez wywoływania gwałtownego przeskoku iskry.

Warunki są naprawdę bardzo wymagające. Urządzenie powinno ważyć mniej niż 20 kg, zużywać możliwie niewiele energii i działać podczas gwałtownych zmian temperatury. Musi też nadawać się do wykorzystania w czasie maksymalnie 4 spacerów księżycowych odbywających się w ciągu 10 dni.

NASA zakłada, że skafandry i lądowniki będą wyposażone w odpowiednie punkty umożliwiające podłączenie zabezpieczenia. Zasilanie, jeśli okaże się konieczne, mogłoby pochodzić ze statku, przy czym dostępna moc nie powinna przekraczać 40 W.

Zgłoszenia do konkursu będą przyjmowane do 15 stycznia 2027 r. Łączna pula nagród wynosi 150 tys. dol., a przedsięwzięcie podzielono na 2 etapy. W pierwszym uczestnicy przedstawiają koncepcje, a następnie maksymalnie 5 finalistów będzie mogło je dopracować na podstawie uwag ekspertów.

Na obecnym etapie NASA nie wymaga budowy działającego prototypu. Najpierw chce znaleźć rozwiązania, które można będzie dalej rozwijać i sprawdzać w warunkach zbliżonych do księżycowych.

Nowe zagrożenie świetnie nam pokazuje, jak wiele trudności wiąże się z planowanym powrotem ludzi na Księżyc. NASA musi przygotować nie tylko rakiety i lądowniki, ale także wyposażenie zdolne zapewnić bezpieczeństwo podczas wielogodzinnych spacerów po powierzchni.

Na Spider’s Web opisywaliśmy już nowe skafandry opracowywane przez Axiom Space we współpracy z Pradą. Mają one zapewniać większą swobodę ruchów, lepszą ochronę przed księżycowym pyłem i nowoczesne systemy podtrzymywania życia. Zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi stanowi kolejne wyzwanie dla całego systemu.

Przeczytaj także:

NASA planuje ponowne lądowanie ludzi na Księżycu w ramach programu Artemis, a południowy biegun ma stać się jednym z najważniejszych rejonów przyszłych wypraw. W przeciwieństwie do krótkotrwałych misji Apollo nowe przedsięwzięcia mają docelowo umożliwić coraz dłuższy pobyt astronautów i prowadzenie regularnych prac na powierzchni.

To oznacza więcej spacerów, częstsze korzystanie z lądowników i większą liczbę sytuacji, w których człowiek będzie miał kontakt z urządzeniami elektrycznymi. Problem gromadzenia ładunków może więc mieć naprawdę kolosalne znaczenie dla całej przyszłej infrastruktury.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI