Jak se osvětluje jižní pól Měsíce
Jak dobře známe Měsíc? Pokud byste se zeptali lunárních geologů, řekli by vám, že nás čeká ještě mnoho objevování, zejména v oblasti jižního pólu Měsíce. Potenciální přítomnost vody v této oblasti přitahuje pozornost vědců i komerčních firem. Voda – nebo vodní led – na Měsíci by mohla být roztavena nebo dokonce rozložena na vodík a kyslík, čímž by poskytla nezbytné zdroje pro astronauty.
Potvrdit, zda se v této oblasti skutečně nachází led, a případně jej lokalizovat, však nebude snadné. Kromě již tak náročného úkolu dopravit stroje na Měsíc, je terén na jeho jižním pólu obzvlášť nebezpečný. Hluboké krátery pokrývají značnou část této oblasti. Většina z nich je trvale ve tmě a panují v nich extrémně nízké teploty, což činí přistání, průzkum i navigaci nesmírně obtížnými. Situaci navíc ztěžují možné měsíční otřesy a geologické zlomy.
K řešení této výzvy jsou potřeba nové, inovativní technologie. Právě společnost Intuitive Machines (dále jen IM) patří k těm, které si to vzaly za své. V rámci mise, jejímž cílem je zpřístupnit Měsíc, vyvinula technologie – včetně lunárního landeru třídy Nova-C. Díky němu se podařilo uskutečnit první komerční přistání na Měsíci a zároveň první americké přistání po více než 50 letech. Tým Intuitive Machines také vyvinul µNova Hopper (pohonný dron o velikosti malé ledničky), který lze vypustit z jejich landeru. Tato technologie je určena ke studiu záhadné oblasti jižního pólu Měsíce a k hledání zdrojů, například ledu.
µNova Hopper byl navržen tak, aby odolal drsným podmínkám jižního pólu. Je konstruován tak, aby dokázal překonávat hluboké krátery, plnit svou misi autonomně i bez možnosti komunikace a následně se vrátit a předat získané informace. Pomocí další generace této technologie chtějí výzkumníci pořizovat fotografie a vrtat do regolitu na jižním pólu, aby zkoumali jeho složení a naučili se hledat stopy vody. Práce společnosti Intuitive Machines tak může přispět k širším cílům spojeným s hledáním vody a dalších zdrojů na Měsíci.
Pokud se nám podaří provrtat povrch a potvrdit naše teorie o tom, kolik vody tam je, případně zda tam vůbec je, bude to nesmírně vzrušující, protože to otevře cestu k vybudování základny a dokonce i čerpací stanice.
—Jordan Reynolds, avionický inženýr ve společnosti Intuitive Machines
Pokrok v lunární technologii
Přistání na jižním pólu Měsíce je pouze jedním z mnoha cílů společnosti Intuitive Machines, která pracuje na rozvoji technologií a změně fungování vesmírné ekonomiky tak, aby byla přístupnější pro celé lidstvo.
Například cílem Intuitive Machines je učinit vesmírnou ekonomiku udržitelnější díky použití motoru na metan a kyslík (methalox) pro svůj lander Nova-C. Methalox je čisté palivo tvořené kapalným metanem a kyslíkem. V kosmickém průmyslu je zajímavé také tím, že by mohlo být vyráběno mimo Zemi s využitím zdrojů nalezených na Měsíci a Marsu. Reynolds zdůrazňuje, že pokud lidstvo dokáže najít vodu na jižním pólu Měsíce a využít ji k výrobě paliva, tak že to ta nejzásadnější a nejvíce vzrušující představa. Intuitive Machines v této oblasti dělá významné pokroky a uvádí, že v rámci jejich mise IM-1 byl poprvé motor na methalox opakovaně zažehnut v hlubokém vesmíru.
Pokud jde o komunikaci, IM poskytuje také ověřené řešení pro komunikaci v cislunárním prostoru – Lunar Data Network (LDN). Tato síť podporuje mise v blízkosti Měsíce prostřednictvím svého lunárního operačního centra, globální sítě antén a připravovaných družic pro přenos dat mezi Zemí a Měsícem. S očekávaným nárůstem počtu satelitů v příštích letech bude potřeba komunikační infrastruktury v cislunárním prostoru růst – a právě LDN tuto potřebu pomůže pokrýt.
Za hranicemi cislunárního prostoru má IM dlouhodobé plány i v souvislosti s Marems. Aby tyto projekty a technologie uspěly, musí tým důkladně testovat všechny své návrhy a přizpůsobovat je drsnému prostředí vesmíru. A k tomu právě využívají simulační softwary Ansys.
Fotografie vozidla společnosti Intuitive Machines. Zdroj: Intuitive Machines
Mířit na Měsíc pomocí simulačních softwarů
Jako malý startup s omezenými zdroji a personálem zjistila společnost Intuitive Machines, že simulace jsou klíčem k úspěchu. Díky simulacím mohou rychleji a snadněji testovat různé způsoby řešení problémů, což zároveň podporuje i jejich kreativitu. Scénáře typu „co kdyby“, například použití jiného návrhu přistávacích nohou nebo kardanů, lze vyzkoušet virtuálně. Poté mohou inženýři na základě výstupů simulačních analýz snadno zjistit, jak změny těchto proměnných ovlivňují klíčové parametry návrhu, jako jsou celkové napětí, zatížení a tepelný výkon.
Simulace jsou pro nás násobitelem výkonu. Umožňují nám zkoušet různé nápady velmi rychle.
Tým IM využívá simulace využívá k nezbytným analýzám a testům během celé mise. Například už ve fázi počátečního návrhu – při snižování hmotnosti, což je pro vesmírné technologie zásadní. Další požadavky zahrnují zajištění toho, že stroje přežijí síly při startu i extrémní teploty během mise – když na jednu stranu dopadá sluneční záření a druhá je ve stínu a v mrazu.
Naše analýzy nám pomáhají navrhovat systémy, které z hlediska tepla i napájení vydrží extrémní změny teplot.
K provádění těchto výpočtů využívala společnost IM software Ansys Systems Tool Kit (STK) pro digitální inženýrství misí. Jedním ze způsobů, jak tento software použili, bylo modelování slunečních paprsků a určování, kdy dopadnou na lander a hopper a kdy k nim žádné světlo nedosáhne. To jsou důležité informace, které by bylo obtížné simulovat fyzickými testy na Zemi.
Díky simulacím mohl tým Intuitive Machines také provádět tepelné analýzy a sledovat, jak se teplo šíří složitými materiály – úkol, který by ručně zabral obrovské množství času. „Řekl bych, že v časových rámcích, které máme, je to téměř nemožné. Proto se velmi silně spoléháme na analýzy simulačních nástrojů a balík Ansys je v tomto ohledu fantastický.“ Tvrdí Jason Soloff z IM.
Dostupný webinář k této tématice
Zajímá Vás problematika vesmíru?
- Co je Ansys STK a jak může obohatit vaše projekty?
- Jak lze modelovat a simulovat letové trajektorie a satelitní systémy k zajištění optimálních drah a postupů?
- Jak můžete analyzovat pokrytí a efektivitu komunikačních systémů a maximalizovat dosah a spolehlivost?
- A další...
Jedním z důvodů, proč je simulační software Ansys pro tým tak užitečný, jsou jeho multifyzikální schopnosti. Intuitive Machines pracuje na nesmírně složitých multifyzikálních problémech, které nejsou jen o fungování antén nebo o strukturní analýze vibrací či rázů. Jde o propojení všech těchto disciplín do jednotného souboru modelů a simulačních nástrojů, které umožňují dělat to, co daná společnost potřebuje.
Intuitive Machines ve vesmíru. Zdroj: Intuitive Machines
Zajištění správné funkčnosti a optimalizace komunikačních systémů
Intuitive Machines využívala Ansys simulace například pro ověření správné orientace antén i pro porovnávání propustnosti a šířky pásma různých pozemních stanic a rádií. Pro tyto komunikační analýzy tým znovu použil software Ansys STK, aby mimo jiné analyzoval, jak silná je jejich komunikace, kolik dat lze přenést, jaký je předpokládaný šum signálu, jaká je jeho síla a další parametry. Soloff popisuje, jak simulace a modelování skutečně pomáhají zvládat složité elektromagnetické analýzy. Společnost například používá software Ansys HFSS pro vysokofrekvenční elektromagnetické simulace a RF (radiofrekvenční) simulace k analýze a optimalizaci antén, vyzařovacích diagramů a elektromagnetického záření pro komunikaci.
To ale nejsou jediné způsoby, jak v Intuitive Machines využívají simulace ke zlepšování svých technologií. Fotografie jsou pro společnost zásadními datovými body, zejména snímky jižního pólu Měsíce. Reynolds uvádí, že se tým zaměřil na využití simulačního softwaru k zajištění toho, aby během mise dokázal tyto obrazové informace úspěšně získat a přenést. Díky simulacím mohl tým koordinovat s poskytovateli komunikace a vybrat ty služby, které byly pro misi nejvhodnější.
Je to obrovské týmové úsilí dostat něco na Měsíc. Možnost použít simulaci k přípravě na celosvětovou misi skutečně pomáhá. STK software neprovádí jen širokou škálu analýz současně, zvládá to i při velmi dynamických podmínkách mise. U misí do hlubokého vesmíru se mohou podmínky, jako je světlo, teplota, rychlost, terén, trajektorie a síla signálu rychle měnit. STK umožňuje inženýrům tyto změny modelovat a zohlednit během celé mise. Například jsme krátce po přistání použili modelování terénu a komunikace v STK k pochopení toho, jak byla naše sonda orientována vzhledem k systému Země, Slunce a Měsíce po dynamickém přistání.
—Jordan Reynolds
Simulační analýzy zobrazující inerciální osy Země (nahoře) a inerciální osy Měsíce (dole). Zdroj: Intuitive Machines
Najít řešení během hodin či minut
Ve všech oblastech, kde tým používá simulační software, se ukazuje jako společný jmenovatel vyšší efektivita. Soloff říká, že analýzy, které by bez simulací trvaly týdny, zabraly s využitím softwaru Ansys jen několik dní. To je nesmírně důležité, protože tým často nemá měsíce na řešení problémů – někdy potřebuje najít řešení během hodin či minut.
Tato rychlost se promítá i do schopnosti činit informovaná rozhodnutí v reálném čase během samotných misí. Reynolds například vyvíjí simulaci v reálném čase, do které lze během mise přivádět telemetrii z landeru, simulovat ji v softwaru Ansys STK a začít během mise získávat situační povědomí. To je užitečné, protože to umožňuje výzkumníkům rychle pochopit situaci mise pomocí modelů, místo aby museli data manuálně interpretovat na obrazovce. Pokud se tedy stane něco neočekávaného, mohou reagovat mnohem rychleji.
Samozřejmě, rychlost je bezcenná bez přesnosti, což je důvod, proč se tým IM spoléhá na ověřené technologie. Díky simulačním softwarům Ansys šetří čas, aniž by museli obětovat přesnost. To zvyšuje efektivitu, umožňuje přesunout úsilí a omezené zdroje na jiné části mise a být konkurenceschopnější a připravenější na misi v kratším časovém období.
To, co nám tyto nástroje dávají, není jen čas, ale také jistota v našich analýzách. Bez modelování a simulací bychom jednoduše nemohli dělat to, co děláme.
—Jason Soloff
Zvědavost, kterou v nás vesmír vzbuzuje, je pojítkem pro mnoho lidí – od rodiny, která stráví večer pozorováním hvězd během letní noci, až po ty, kteří si na tomto poli budují kariéru a provádějí špičkový výzkum.
