Что происходит с неработающими луноходами и марсоходами? Какие технологические барьеры мешают человечеству создать вечный вездеход?

Температурные сдвиги

Колебания температуры Земли от экстремальных до экстремальных довольно умеренные. То есть самое холодное обычно около -40С, а самое теплое около 40-45С.

Луна провела две недели под палящим солнечным светом, намного жарче (в зависимости от вашей отражательной способности), но значительно выше 100°C, и две недели намного холоднее. Не совсем абсолютный ноль (-273C), но довольно холодно, около -173C.

Это разница в 273 градуса по Цельсию. По сравнению с худшим случаем 80C на Земле. Вещи расширяются и сжимаются намного больше, чем 273 против 80. Таким образом, разработка схемы, которая может справиться с экстремальными условиями, является сложной задачей. Большинство коммерческих печатных плат растрескиваются только из-за теплового расширения. Сварные швы/припой очень сложно поддерживать при таких перепадах температуры.

Большинство марсоходов и других зондов, у которых есть РИТЭГ, используют его как для обогрева, так и для питания, чтобы согреться в течение ночи.

Марс не так уж плох, поскольку на самом деле у него есть атмосфера, которая немного смягчает его. Перепады температуры не такие сильные, но все же довольно плохие. От максимума 20C до -153C (173 градуса против 273 для Луны).

Ясно, что это можно сделать, как показали нынешние вездеходы, но это сложно и сложно. Требуется переход в спящий режим и использование энергии батареи, чтобы сохранить часть тепла.

Радиация

Луне, лишенной атмосферы, нечего защищать от солнечной радиации. У Марса немного лучше с тонкой атмосферой.

Расстояние

Вещи ломаются. Ничто не вечно. Смазка должна быть заменена в конце концов. Поскольку исправить это невозможно, требуется дополнительная избыточность. Однако, поскольку запуски очень дороги, вы ограничены массой.

Пыль

И на Луне, и на Марсе есть удивительно мелкая грязь, которая, кажется, проникает во все и на все. Астронавты Аполлона с трудом снимали его со скафандров после выхода на Луну. На Марсе также много пыли, как показали различные марсоходы.

Этот материал разрушает движущиеся части, так как ему каким-то образом удается попасть туда.

Если вы используете солнечные батареи для получения энергии на Марсе, это также покроет батареи, уменьшающие мощность, поскольку ветер откладывает ее. Миссии Opportunity/Spirit обнаружили, что ветер осаждал пыль, а иногда и счищал ее.

Теперь вам нужен механизм очистки солнечной батареи для поддержания питания, и еще один механический компонент, который можно сломать, и никто не сможет его починить.

Срок службы батареи

Перезаряжаемые батареи имеют конечный срок службы, прежде чем они перестанут удерживать заряд или до того, как он упадет до уровня, слишком низкого для выживания.

Подшипники

На движущиеся части может влиять пыль, но подшипники и некоторая смазка со временем изнашиваются.

Финансирование

Хотя это и не технологический предел как таковой, когда заканчивается финансирование для запуска программы, даже если аппарат / орбитальный аппарат / зонд все еще работает, руководство программы может сократить его срок службы.

В дополнение к ответу Джеффа комментарий Гарана содержит основную причину, по которой в конечном итоге все перестает работать. Любая машина с движущимися частями подвержена износу. Вы можете поддерживать работу машины очень долго, если будете ее обслуживать; посмотрите, например, на паровые двигатели в различных музеях промышленного наследия. За этими машинами постоянно следил человек с масленкой, и при необходимости детали заменялись или ремонтировались.

Планетоход — совсем другое дело: мы не можем его обслуживать или ремонтировать. Как только деталь выходит из строя, она уходит навсегда. При тщательном проектировании вы можете добавить некоторую избыточность. В каждом созданном нами марсоходе есть по крайней мере два основных компьютера: если один выходит из строя, его может взять на себя другой.

Для механических частей это сложнее. Колеса, например, являются основной точкой отказа: само колесо повреждается, и есть много чувствительных движущихся компонентов (см. комментарии Джеффа о подшипниках). Если вы хотите иметь возможность выбросить поврежденное колесо в сборе, вы добавляете больше движущихся частей и увеличиваете вероятность поломки. Добавление механики для замены поврежденных частей еще больше усложняет ситуацию, делая марсоход больше и тяжелее, что быстро делает проект более дорогим.

С блоком питания аналогичная проблема. Солнечные батареи, радиотермальные генераторы, ядерные установки — все это в конечном итоге приходит в негодность. Солнечные панели упали до ~ 70% от их первоначальной мощности за 25 лет. В РИТЭГе термопары со временем становятся менее эффективными. Даже на Земле нам в конечном итоге приходится выводить из эксплуатации ядерные установки из-за коррозии и распада критических компонентов. У РИТЭГов и ядерных установок также рано или поздно заканчивается топливо.

В дополнение к технологическим барьерам есть две основные причины не строить вездеходы с очень длительным сроком службы:

1. Расходы. Добавление избыточности увеличивает вес и сложность, а также увеличивает стоимость запуска. Можно рассчитывать, что Rolls-Royce прослужит намного дольше, чем Ford, но Rolls стоит достаточно, чтобы вы могли позволить себе купить десять Ford вместо одного Rolls.

2. Новая наука. Мы занимаемся этим всего несколько десятков лет. В каждой планетарной миссии есть новые и неожиданные находки. Имеет смысл запустить марсоход на несколько лет, а затем сесть и изучить то, что он обнаружил, что требует дальнейшего изучения с помощью новых, улучшенных инструментов. Один долгоживущий вездеход ограничивает вас одним набором инструментов. Наука развивается достаточно быстро, поэтому каждый созданный нами марсоход обладает гораздо большими возможностями, чем предыдущий.

Еще одна причина заключается в том, сколько данных вы можете сжать. Ровер — это очень ограниченная лаборатория, и через некоторое время он собирает все данные, которые может, из определенной области. Они медлительны, поэтому путешествовать в дальние страны очень нецелесообразно.

Curiosity, самый продвинутый вездеход, имеет среднюю скорость 1 см/с на равнине. Чтобы проехать один километр в идеальных условиях, требуется больше суток. На реальной поверхности вы должны избегать камней и взбираться вверх и вниз по холмам; это, вероятно, уменьшит скорость примерно в 2 раза. Мой родной город находится примерно в 200 км от следующей геологической единицы, поэтому Curiosity потребуется больше года, чтобы просто добраться туда, не останавливаясь для научных исследований. На данный момент, включая научные эксперименты, он проехал около 5 км почти за два года, поэтому фактическая средняя скорость составляет менее миллиметра в секунду.

Конечно, в одном и том же районе есть разные виды камней, и для полного исследования местности требуется много времени, и никогда не знаешь, когда найдешь что-то новое. Но даже в этом случае инвестиции, необходимые для получения следующей большой новинки, огромны (потому что это далеко). И к тому времени, когда марсоход доберется туда, мы могли бы отправить новый, с лучшим, более чувствительным оборудованием, в другую часть Марса в поисках новых захватывающих вещей.