W różnych sytuacjach dotychczasowe ziemskie rozwiązania stają się mniej skuteczne, a w skrajnych warunkach potrafią kompletnie zawodzić. Ponadto podczas misji kosmicznych jakakolwiek nieprzebyta przeszkoda może stanowić o klęsce i stracie ogromnych nakładów zaangażowanych w to przedsięwzięcie. W związku z tym misje projektuje się w sposób maksymalnie pewny, a użyte rozwiązania są specjalnie dopasowane do konkretnych celów i warunków panujących podczas wykonywania zadań. Prowadzi to do wielu bardzo ciekawych rozwiązań inżynieryjnych.

Jednym z nich były... ażurowe koła. Zazwyczaj kojarzą się nam one z oponami bądź kółkami z tworzywa, jednakże takie konstrukcje są nieskuteczne w wielu warunkach. Na Marsie temperatura potrafi wynosić nawet -130 stopni Celsjusza, co doprowadzi do łatwego zniszczenia tradycyjnych kół, bowiem plastyczne tworzywo, które formuje oponę, stanie się kruche i ulegnie uszkodzeniu. Ponadto ciężkie warunki terenowe potrafią uszkadzać w znaczny sposób koła tradycyjne, nie mogące dopasowywać się do terenu, tak jak opony używane na Ziemi. Jest jeszcze wiele innych problemów - szczególnie przy jeździe po luźnym gruncie, w którym standardowe koła mogą ulec łatwemu zakopaniu. O ile jadąc autem w warunkach polowych możemy rozwiązać taki problem na wiele sposobów, to przy misji kosmicznej taka sytuacja najprawdopodobniej oznacza natychmiastową klęskę. W związku z tym NASA zdecydowało, iż należy zaprojektować koła, które będą mniej narażone na wkopanie się w luźną materię pokrywającą obce ciała niebieskie i na uszkodzenia podczas eksploatacji w niekorzystnych warunkach.

Projektując koła, które mają wedrzeć się w marsjańską glebę, silnie zainspirowano się pomysłem kół użytych w łazikach księżycowych, w których rolę odpowiadającą oponie spełnia ażurowa konstrukcja z metalowych drutów. Jednakże tamte koła były projektowane z użyciem tradycyjnych materiałów, a przez lata inżynieria materiałowa znacznie posunęła się do przodu. Zadecydowano więc, że koła łazika marsjańskiego wykonane zostaną z materiału, którego właściwości dodatkowo wspomogą konstrukcję – nitinolu, stopu niklu i tytanu. Posiada on pamięć kształtu, czyli potrafi po odkształceniu odzyskać pierwotną formę pod wpływem ciepła. Efekt ten zachodzi, gdyż wywoływana przez temperaturę lub naprężenia przemiana fazowa odwraca efekt odkształcenia plastycznego. Mianowicie materiał taki podgrzany lub naprężony po odkształceniu w fazie martenzytycznej powraca po podgrzaniu do kształtu, jaki nadano mu w fazie austenitycznej.

W konstrukcji ażurowego koła łazika wykorzystuje się pseudosprężystość – po osiągnięciu naprężenia krytycznego w stopie zachodzi przemiana martenzytyczna, zaś przy jego zdejmowaniu zachodzi odwrotna przemiana martenzytyczna i powraca on do pierwotnie zapamiętanego w fazie niskotemperaturowej kształtu. Pozwoli to na użycie mniejszej liczby kół (4 zamiast 6), przy utrzymaniu podobnych właściwości jezdnych łazika. Zaprojektowane w ośrodku badawczym NASA Glenn Research Center koła mają ponadto zachować się jak sprężyny, dopasowując się do wymagającego terenu. To kolejny świetny przykład, jak inżynieria materiałowa pomaga ludzkości w odkrywaniu tajemnic świata!

Autor: Krzysztof Jurko
 

Źródła:

• The Little Tires That Could… Go to Mars - https://www.nasa.gov 
• https://www.researchgate.net/.../238621002_Designing_a... - artykuł o badaniach prowadzących do zaprojektowania koła księżycowego
• https://www.nasa.gov/specials/slope360/  - tutaj można spojrzeć, jak opisane koła wyglądają w czasie testu
• Photo credits: NASA