De Nieuwsgierigheid Rover heeft gedurende de vijf jaar dat het op het oppervlak van Mars opereert een aantal ongelooflijke ontdekkingen gedaan. En tijdens het uitvoeren van zijn onderzoek heeft de rover ook een aantal serieuze kilometers gemaakt. Het kwam echter zeker als een verrassing toen leden van het Curiosity science-team tijdens een routineonderzoek in 2013 merkten dat de wielen scheurtjes in hun loopvlak hadden opgelopen (gevolgd door onderbrekingen die in 2017 werden gemeld).
Kijkend naar de toekomst hopen onderzoekers van het Glenn Research Center van NASA rovers van de volgende generatie uit te rusten met een nieuw wiel. Het is gebaseerd op de "Spring Tire", die NASA halverwege de jaren 2000 samen met Goodyear ontwikkelde. In plaats van opgerolde staaldraden te gebruiken die in een maaspatroon zijn geweven (wat deel uitmaakte van het oorspronkelijke ontwerp), heeft een team van NASA-wetenschappers een duurzamere en flexibelere versie gemaakt die de ruimteverkenning zou kunnen revolutioneren.
Als het erop aankomt, hebben de maan, Mars en andere lichamen in het zonnestelsel een ruw, bestraffend terrein. In het geval van de maan is het belangrijkste probleem de regoliet (ook bekend als maanstof) die het grootste deel van het oppervlak bedekt. Dit fijne stof is in wezen grillige stukjes maansteen die grote schade aanrichten aan motoren en machineonderdelen. Op Mars is de situatie iets anders, met regolith en scherpe rotsen die het grootste deel van het terrein bedekken.
In 2013, na slechts een jaar aan de oppervlakte, begonnen de wielen van de Curiosity-rover tekenen van slijtage te vertonen doordat ze onverwacht ruw terrein doorkruisten. Dit zorgde ervoor dat velen zich zorgen maakten dat de rover zijn missie misschien niet zou kunnen voltooien. Het leidde er ook toe dat velen in het Glenn Research Center van NASA een ontwerp heroverwogen waaraan ze bijna tien jaar eerder hadden gewerkt, dat was bedoeld voor hernieuwde missies naar de maan.
Voor NASA Glenn is de ontwikkeling van banden al ongeveer een decennium een focus van onderzoek. In dit opzicht keren ze terug naar een aloude traditie van NASA-ingenieurs en wetenschappers, die begon in het Apollo-tijdperk. Destijds evalueerden zowel het Amerikaanse als het Russische ruimtevaartprogramma meerdere bandenontwerpen voor gebruik op het maanoppervlak. In totaal zijn drie grote ontwerpen voorgesteld.
Ten eerste had je de wielen speciaal ontworpen voor Lunokhod rover, een Russisch voertuig waarvan de naam zich letterlijk vertaalt naar "Moon Walker". Het wielontwerp voor deze rover bestond uit acht stugge velgen, gaasbanden die met fietsspaken aan hun assen waren bevestigd. Er werden ook metalen schoenplaatjes aan de buitenkant van de band gemonteerd om een betere tractie in het maanstof te garanderen.
Vervolgens was er het concept van NASA voor een Modularized Equipment Transporter (MET), dat werd ontwikkeld met de steun van Goodyear. Deze niet-aangedreven kar werd geleverd met twee met stikstof gevulde, gladde rubberen banden om het gemakkelijker te maken om de kar door maangrond en over rotsen te trekken. En dan was er het ontwerp voor het Lunar Roving Vehicle (LRV), het laatste NASA-voertuig dat de maan bezocht.
Dit bemande voertuig, waarmee Apollo-astronauten rond reden op het uitdagende maanoppervlak, vertrouwde op vier grote, flexibele gaaswielen met stijve binnenframes. Halverwege de jaren 2000, toen NASA begon met het plannen van nieuwe missies naar de maan (en toekomstige missies naar Mars), begonnen ze de LRV-band opnieuw te evalueren en nieuwe materialen en technologieën in het ontwerp op te nemen.
De vrucht van dit hernieuwde onderzoek was de Spring Tire, het werk van mechanisch onderzoekingenieur Vivake Asnani, die nauw samenwerkte met Goodyear om het te ontwikkelen. Het ontwerp vereiste een airless, conforme band bestaande uit honderden opgerolde staaldraden, die vervolgens tot een flexibel gaas werden geweven. Dit zorgde niet alleen voor een laag gewicht, maar gaf de banden ook de mogelijkheid om hoge belastingen te dragen terwijl ze zich aan het terrein aanpassen.
Om te zien hoe de Spring Tire op Mars zou presteren, begonnen ingenieurs van NASA's Glenn Research Center ze te testen in het Slope-lab, waar ze ze door een hindernissenparcours liepen dat de Martiaanse omgeving simuleerde. Hoewel de banden over het algemeen goed presteerden in gesimuleerd zand, ondervonden ze problemen wanneer het gaas vervormde na het passeren van grillige rotsen.
Om dit aan te pakken, bespraken Colin Creager en Santo Padua (respectievelijk een NASA-ingenieur en materiaalwetenschapper) mogelijke alternatieven. Na verloop van tijd waren ze het erover eens dat de staaldraden moesten worden vervangen door nikkel-titanium, een legering met vormgeheugen die zijn vorm kan behouden onder zware omstandigheden. Zoals Padua uitlegde in een videosegment van NASA Glenn, was de inspiratie om deze legering te gebruiken zeer toevallig.
'Ik was toevallig hier in het gebouw, waar het Slope-lab is. En ik was hier voor een andere bijeenkomst voor het werk dat ik doe in vormgeheugenlegeringen, en toevallig kom ik Colin tegen in de hal. En ik had zoiets van ‘wat doe je terug en waarom ben je niet in het impactlab?’ - omdat ik hem kende als student. Hij zei: 'Nou, ik ben afgestudeerd en ik werk hier al een tijdje fulltime ... Ik werk in Slope.'
Ondanks dat hij tien jaar bij JPL werkte, had Padua het Slope-lab nog niet eerder gezien en nam hij een uitnodiging aan om te zien waaraan ze werkten. Nadat Padua het laboratorium was binnengekomen en naar de veerbanden had gekeken die ze aan het testen waren, vroeg hij of ze problemen met deformatie hadden. Toen Creager toegaf dat ze dat waren, stelde Padua een oplossing voor die toevallig zijn vakgebied was.
"Ik had nog nooit van de term vormgeheugenlegeringen gehoord, maar ik wist dat [Padua] een ingenieur materiaalkunde was", zei Creager. “En dus hebben we sindsdien samengewerkt aan deze banden, gebruikmakend van zijn materiaalkennis, met name in legeringen met vormgeheugen, om deze nieuwe band te bedenken waarvan we denken dat die een revolutie teweeg zal brengen in planetaire roverbanden en mogelijk zelfs banden voor de aarde . '
De sleutel tot het vormen van geheugenlegeringen is hun atoomstructuur, die zo is samengesteld dat het materiaal zijn oorspronkelijke vorm 'onthoudt' en er naar kan terugkeren nadat het is blootgesteld aan vervorming en spanning. Na het bouwen van de band met vormgeheugenlegering stuurden de ingenieurs van Glenn deze naar het Jet Propulsion Laboratory, waar het werd getest in de Mars Life Test Facility.
Over het geheel genomen presteerden de banden niet alleen goed in gesimuleerd Marszand, maar waren ze ook bestand tegen zware straffen zonder moeite. Zelfs nadat de banden helemaal tot hun as waren vervormd, konden ze hun oorspronkelijke vorm behouden. Ze slaagden er ook in om dit te doen met een aanzienlijk laadvermogen, wat een andere voorwaarde is bij het ontwikkelen van banden voor verkenningsvoertuigen en rovers.
De prioriteiten voor de Mars Spring Tyre (MST) zijn het bieden van een grotere duurzaamheid, betere tractie in zacht zand en een lager gewicht. Zoals NASA aangeeft op de MST-website (onderdeel van de Glenn Research Center-website), zijn er drie grote voordelen aan het ontwikkelen van hoogwaardige, conforme banden zoals het Spring Wheel:
'Ten eerste zouden rovers grotere gebieden van het oppervlak kunnen verkennen dan momenteel mogelijk is. Ten tweede, omdat ze zich aanpassen aan het terrein en niet zo veel wegzakken als starre wielen, kunnen ze zwaardere ladingen dragen voor dezelfde gegeven massa en volume. Ten slotte kunnen ze, omdat de conforme banden energie kunnen absorberen van schokken bij matige tot hoge snelheden, worden gebruikt op bemande verkenningsvoertuigen die naar verwachting zullen bewegen met snelheden die aanzienlijk hoger zijn dan de huidige Mars-rovers. ”
De eerste beschikbare mogelijkheid om deze banden te testen, is slechts een paar jaar verwijderd, wanneer NASA's Mars 2020 Rover zal naar de oppervlakte van de Rode Planeet worden gestuurd. Eenmaal daar aangekomen, gaat de rover verder waar nieuwsgierigheid en andere rovers zijn gestopt, op zoek naar tekenen van leven in de harde omgeving van Mars. De rover is ook belast met het voorbereiden van monsters die uiteindelijk naar de aarde zullen worden teruggestuurd door een bemande missie, die naar verwachting ergens in de jaren 2030 zal plaatsvinden.
