Niestandardowa guma zdolna do przemierzania marsjańskich szlaków
W przypadku misji marsjańskich kluczowym wyzwaniem jest znalezienie materiałów zdolnych do zachowania swoich właściwości i funkcji w szerokim zakresie temperatur. Szacuje się, że atmosfera Marsa jest około 150 razy rzadsza niż Ziemi(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a to oznacza, że nie magazynuje ona ciepła równie skutecznie. W wyniku tego dzienne wahania temperatury wynoszą 50–100°C (w zależności od wybranego miejsca lądowania). Takie warunki są szczególnie trudne dla gumy, kluczowego materiału opon lub gąsienic łazików, dzięki któremu możliwa jest szybsze przemieszczanie się na dalsze odległości i z większymi ładunkami. „4 czerwca 2025 r. łazik Curiosity(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zarejestrował dzienne zmiany temperatury na poziomie między -79 a -30 stopni Celsjusza(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Nawet przy znacznie łagodniejszych wahaniach temperatur na Ziemi kierowcy pojazdów często zmieniają opony z letnich na zimowe, i na odwrót” — zauważa Rafał Anyszka(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynator projektu RED 4 MARS(odnośnik otworzy się w nowym oknie), twórca gumy, która jest w stanie wytrzymać marsjańskie temperatury. Realizację projektu umożliwiło wsparcie w ramach programu działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
Odkrywanie (marsjańskiego) koła na nowo
Obecnie łaziki marsjańskie poruszają się na kołach cienkościennych kołach aluminiowych, które są lżejsze, ale umożliwiają maksymalną prędkość wynoszącą jedynie 180 metrów na godzinę. Chociaż sprawdziło się to w przypadku wcześniejszych łazików, Curiosity był zbyt ciężki na koła aluminiowe, które nie mogą rozpraszać energii poprzez „tłumienie” drgań, tak jak robi to guma. A to oznacza, że są one nieporęczne i zawodne. Anyszka z Uniwersytetu w Twente(odnośnik otworzy się w nowym oknie), instytucji przyjmującej, mówi o tym w ten sposób: „Ujmijmy to prosto: jeżeli chcemy przewozić ładunki i załogę szybko, potrzebujemy łazików z kołami gumowymi odpornymi na naprężenia”. W ramach projektu opracowano gumę opartą na mieszaninie dwóch elastomerów(odnośnik otworzy się w nowym oknie): kauczuku silikonowego, najbardziej elastycznego, o temperaturze zeszklenia (poniżej której traci elastyczność) wynoszącej około -125 °C, oraz kauczuku butadienowego, mniej elastycznego, ale posiadającego dobre właściwości mechaniczne i odpornego na zużycie. Dzięki testom udało się osiągnąć najlepszy stosunek obu tych składników mieszanki, który pozwolił zachować elastyczność w bardzo niskich temperaturach. Ale nie był to koniec wyzwań: te elastomery, podobnie jak woda i olej, nie są mieszalne termodynamicznie, czyli mówiąc prosto nie mieszają się ze sobą. Rozwiązaniem okazało się dodanie cząstek wypełniacza z sadzy, które adsorbują makrocząsteczki obu kauczuków i tworzą połączoną strukturę na poziomie mikroskopowym. Dodawanie jednak dużej ilości wypełniaczy wymaga zastosowania substancji pomocniczych do skorygowania lepkości mieszanki. „Zazwyczaj takimi substancjami pomocniczymi są oleje, ale ze względu na fakt, że łaziki nie są transportowane w hermetycznych kontenerach, mogłyby migrować na powierzchnię gumy i ulatniać się w próżnię, zanieczyszczając sprzęt. Znaleźliśmy więc alternatywę w postaci płynnego kauczuku butadienowego” — wyjaśnia Anyszka. Kolejną przeszkodą było to, że elastomery wymagają także innych dodatków chemicznych do wulkanizacji, czyli procesu utwardzania, w którym cząsteczki wiążą się chemicznie, tworząc sieć reagującą elastycznie na zewnętrzne naprężenia. Zespół opracował klasyczny układ oparty na siarce, ale wykorzystał do tego specjalny gatunek kauczuku silikonowego o małej zawartości nienasyconych grup winylowych, które reagowałyby z siarką. Dwie powstałe prototypowe opony poddano testom mechanicznym, aby prześledzić ewentualne zmiany w ich zachowaniu. Obie były w stanie zachować swoje właściwości wiskoelastyczne w jak możliwe najszerszym zakresie temperatur(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Jak zauważa Anyszka: „Kiedy zmierzyliśmy prawdopodobne starzenie się naszych prototypów na Marsie, odkryliśmy, że przy najwyższych dawkach promieniowania byłyby w stanie zachować swoje właściwości mechaniczne przez co najmniej 80 000 lat. Co za przyjemna niespodzianka!”
Dodatkowe zastosowania przynoszą więcej ziemskich korzyści
Odkrycia projektu RED 4 MARS bezpośrednio pomagają realizować unijną Strategię kosmiczną dla Europy(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a zwłaszcza jej ambicje wspierania bardziej innowacyjnego i konkurencyjnego globalnie europejskiego sektora kosmicznego. Wyniki projektu są już otwarcie dostępne(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a publikacje ukażą się wkrótce. W międzyczasie zespół poszukuje partnerów do zbadania możliwości komercyjnych. „Elastyczność naszej gumy w niskich temperaturach sprawia, że idealnie nadaje się do szeregu zastosowań, takich jak misje polarne do badań naukowych lub eksploracji zasobów. Ponadto dzięki wysokiej odporności na zużycie może zastąpić niektóre obecne zastosowania gum, ograniczając generowanie mikroplastiku” — zapowiada Anyszka.
