Против космического мусора: робот-уборщик с лапками геккона наведёт на орбите порядок

Прямо сейчас более полумиллиона единиц космического мусора (в основном это фрагменты спутников и зондов) вращаются вокруг нашей планеты. Этот мусор представляет угрозу для спутников, космических аппаратов и космонавтов на борту этих транспортных средств.

Учёные ищут самые разные способы избавления от космических загрязнений. Один из самых перспективных проектов стартовал ещё в 2014 году, когда совместными усилиями учёных и инженеров из NASA, Стэнфордского университета и Агентства передовых оборонных исследовательских проектов DARPA была создана уникальная технология, позволяющая людям карабкаться по абсолютно гладким стеклянным стенам.

Эту систему учёные создали, вдохновившись ящерицами гекконами, которые могут часами висеть на гладком потолке или стекле, не прикладывая практически никаких усилий. Даже мёртвые животные сохраняют свою уникальную способность. Секрет в том, что лапки геккона покрыты множеством микроскопических волосков, сцепляющихся с опорной поверхностью посредством ван-дер-ваальсовых сил.

Исследователи из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) решили адаптировать эту технологию под захват и утилизацию космического мусора, который скапливается на орбите Земли. Захваты, разработанные инженерами, имитируют структуру лапок геккона до мельчайших подробностей благодаря наличию пучка из синтетических волосков, называемых стебельками. Кончик каждого стебелька фактически представляет собой крошечную присоску. Как только захватам сообщается некоторая сила, поверхность контакта волосков и объекта увеличивается, они сцепляются, то есть при прижатии захвата к поверхности можно захватывать любой объект. А как только сила надавливания уменьшается, то "липкость" захвата постепенно сходит на нет.

И вот теперь специалисты впервые продемонстрировали, как технология работает на практике. Они представили небольшого (размером с тостер) робота, конструкция которого во многом повторяет анатомию гекконов.

Устройство способно захватывать, удерживать и перемещать даже предметы в условиях микрогравитации, при этом форма объекта и его гладкость не имеют значения. А всё потому, что в разработке присутствует личное изобретение учёных из Стэнфорда – так называемый сухой клей.

По словам члена исследовательской группы и разработчика "космического клея" Хао Цзяна (Hao Jiang), стандартный липкий материал не очень хорошо работает в космосе. Некоторые клеи замерзают в холодном пространстве или плавятся на солнечных лучах. Они также могут кипеть, испаряться, высыхать или денатурироваться в бесполезную слизь или порошок. Хуже того, многие клеи работают только в том случае, если два объекта плотно прижаты друг к другу, однако в космосе (вспоминаем первый закон Ньютона) они могут просто оттолкнуться друг от друга.

Там, где даже случайный толчок может отправить тело в далёкий полёт (а космический мусор, кстати, подчас разгоняется до скорости), нужно что-то принципиально новое, полагают эксперты. Здесь важнее всего манёвренность.

Отталкиваясь от этой идеи, инженеры сделали для своего робота-уборщика захваты, покрытые шипами – каждый шириной в 0,1 миллиметра. Они имитируют волоски на лапках геккона: при контакте с объектом они прилипают к гладкой поверхности.

Листов, покрытых шипами и нанесённых на захваты, использовали по два на каждую "роборуку"; кроме того, учёные добавили шкивы (фрикционные колёсики, которые передают движение приводному ремню или канату за счёт силы трения). При контакте с объектом эти шкивы помогали листам с шипами равномерно распределять нагрузку, а также двигаться – таким образом увеличивалась прочность захвата (цель захватывали сразу два набора шипов).

Такая технология помогает небольшому роботу удерживать даже крупные обломки космического мусора, отмечают авторы. Кстати, по приблизительным оценкам, из полумиллиона фрагментов мусора порядка 20 тысяч в поперечнике более десяти сантиметров.

Разработчики протестировали своего робогеккона в условиях временной невесомости – в параболическом полёте и в сжатом воздухе на базе Лаборатории реактивного движения NASA, а также отправили прототип на МКС – для проверки в реальных условиях. Первый тест показал, что устройство способно аккуратно захватывать и перемещать предметы форме куба, цилиндра и даже сферы, в JPL робот автономно крепился на объектах, которые более чем в сто раз превышали его размеры и массу, а на МКС аппарат провисел на стене в течение нескольких недель.

Одним из заданий для робота было догнать другого и вернуть его на место. И робогеккон успешно с этим справился, несмотря на то, что вес его цели составлял порядка 300 килограммов.

Теперь команда планирует протестировать захват объектов в вакууме, но для этого прототип ещё нужно будет доработать. В частности, инженерам предстоит усовершенствовать материалы, из которых создан робот: они должны быть долговечными и не бояться радиации и экстремальных температур.

К слову, разработчики уже отметили ещё одно потенциальное применение для их роботизированного геккона: теоретически он может помогать при стыковке космических аппаратов, а также перемещаться по ним снаружи для починки.

Полный текст исследования с описанием робота-уборщика космического мусора опубликован в издании Science Robotics.

Напомним, что проблема космического мусора в последние годы невероятно разрослась: для борьбы с ним создаются специальные роботы, спутники и даже космический "пылесос". Кроме того, эксперты предлагают отправлять космический мусор на Марс, где он может пригодиться первым колонизаторам.