Konstnärens koncept för möjliga utforskningsprogram. Bildkredit: NASA Klicka för att förstora
Har du någonsin gått över en ullmatta i skor med lädersula en torr vinterdag och sedan sträckt ut handen mot ett dörrhandtag? ZAP! En svidande gnista hoppar mellan dina fingrar och metallknoppen.
Det är statisk urladdning – blixtsnabb skrift.
Statisk urladdning är bara irriterande för alla på jorden som lever där vintrarna har exceptionellt låg luftfuktighet. Men för astronauter på månen eller på Mars kan statisk urladdning vara ett riktigt problem.
'På Mars tror vi att jorden är så torr och isolerande att om en astronaut var ute och promenerade, när han eller hon väl återvände till livsmiljön och sträckte ut handen för att öppna luftslussen, kan en liten blixt fälla kritisk elektronik', förklarar Geoffrey A Landis, fysiker med Photovoltaics and Space Environmental Effects Branch vid NASA Glenn Research Center i Cleveland, Ohio.
Detta fenomen kallas triboelektrisk laddning.
Prefixet 'tribo' (uttalas TRY-bo) betyder 'gnugga'. När vissa par av olika material, som ull och hårt läder med skosula, gnuggar ihop, ger ett material upp en del av sina elektroner till det andra materialet. Separationen av laddning kan skapa ett starkt elektriskt fält.
Här på jorden har luften omkring oss och kläderna vi bär vanligtvis tillräckligt med fukt för att vara anständiga elektriska ledare, så alla laddningar som separeras genom att gå eller gnugga har en klar väg till jord. Elektroner blöder ner i marken istället för att samlas på din kropp.
Men när luft och material är extraordinärt torra, som en torr vinterdag, är de utmärkta isolatorer, så det finns ingen färdig väg till marken. Din kropp kan ackumulera negativa laddningar, möjligen upp till fantastiska 20 tusen volt. Om du rör en ledare, till exempel ett dörrhandtag i metall, så – ZAP! – laddas alla ackumulerade elektroner ut på en gång.
På månen och på Mars är förhållandena idealiska för triboelektrisk laddning. Jorden är torrare än ökensand på jorden. Det gör den till en utmärkt elektrisk isolator. Dessutom är jorden och de flesta material som används i rymddräkter och rymdfarkoster (t.ex. aluminiserad mylar, neoprenbelagd nylon, Dacron, uretanbelagd nylon, trikå och rostfritt stål) helt olika varandra. När astronauter går eller rovers rullar över marken samlar deras stövlar eller hjul elektroner när de gnider sig genom gruset och dammet. Eftersom jorden är isolerande och inte ger någon väg till marken, kan en rymddräkt eller rover bygga upp en enorm triboelektrisk laddning, vars storlek ännu är okänd. Och när astronauten eller fordonet kommer tillbaka till basen och rör metall – ZAP! Lamporna i basen kan slockna, eller ännu värre.
Landis och kollegor på NASA Glenn märkte detta problem först i slutet av 1990-talet innan Mars Pathfinder lanserades. 'När vi körde ett prototyphjul av Sojourner-rovern över simulerat marsdamm i en simulerad marsatmosfär, fann vi att den laddades upp till hundratals volt', minns han.
Den upptäckten bekymrade forskarna så mycket att de modifierade Pathfinders roverdesign och lade till nålar som var en halv tum långa, gjorda av ultratunn (0,0001 tum diameter) volframtråd vässad till en punkt, vid basen av antenner. Nålarna skulle tillåta alla elektriska laddningar som byggts upp på rovern att blöda ut i den tunna marsatmosfären, 'som en blixtstång i miniatyr som fungerar omvänt', förklarar Carlos Calle, ledande forskare vid NASA:s laboratorium för elektrostatik och ytfysik vid Kennedy Space Center , Florida. Liknande skyddsnålar installerades också på Spirit och Opportunity rovers.
På månen, 'Apollo-astronauter rapporterade aldrig att de blev suckade av elektrostatiska urladdningar', konstaterar Calle. 'Men framtida månuppdrag som använder stor grävutrustning för att flytta massor av torr smuts och damm kan producera elektrostatiska fält. Eftersom det inte finns någon atmosfär på månen kan fälten växa sig ganska starka. Så småningom kan urladdningar ske i vakuum.'
'På Mars', fortsätter han, 'kan urladdningar inte ske vid mer än några hundra volt. Det är troligt att dessa kommer att ta formen av koronala glöd snarare än blixtar. Som sådana kanske de inte är livshotande för astronauterna, men de kan vara skadliga för elektronisk utrustning.'
Så vad är lösningen på detta problem?
Här på jorden är det enkelt: vi minimerar statisk urladdning genom att jorda elektriska system. Att jorda dem betyder bokstavligen att ansluta dem till jorden - att dunka kopparstavar djupt ner i marken. Markstavar fungerar bra på de flesta ställen på jorden eftersom jorden är på flera fot djupt fuktig och är därmed en bra ledare. Jorden själv tillhandahåller ett 'hav av elektroner', som neutraliserar allt som är anslutet till den, förklarar Calle.
Det finns dock ingen fukt i månens eller Mars jord. Inte ens isen som tros tränga igenom Mars-jorden skulle hjälpa, eftersom 'fruset vatten inte är en särskilt bra ledare', säger Landis. Så markstavar skulle vara ineffektiva för att etablera en neutral 'gemensam mark' för en mån- eller marskoloni.
På Mars kan den bästa marken ironiskt nog vara luften. En liten radioaktiv källa 'som den som används i rökdetektorer,' skulle kunna fästas på varje rymddräkt och till livsmiljön, föreslår Landis. Lågenergi-alfapartiklar skulle flyga iväg in i den sällsynta atmosfären, träffa molekyler och jonisera dem (ta bort elektroner). Således skulle atmosfären runt livsmiljön eller astronauten bli ledande och neutralisera eventuell överskottsladdning.
Att uppnå en gemensam grund på månen skulle vara svårare, där det inte ens finns en sällsynt atmosfär som hjälper till att tappa laddningen. Istället kan en gemensam grund skapas genom att gräva ner ett stort ark av folie eller nät av fina trådar, möjligen gjorda av aluminium (som är mycket ledande och kan utvinnas från månens jord), under hela arbetsområdet. Då skulle alla livsmiljöns väggar och apparater vara elektriskt anslutna till aluminiumet.
Forskningen är fortfarande preliminär. Så idéer skiljer sig åt bland fysiker som söker, ja, någon gemensam grund.
Ursprunglig källa: Nyhetsmeddelande från NASA