Jerzy Michał Pawlak: Misja “Ciekawość”9 min czytania

2012-08-05. To wie już cały Internet: w poniedziałek rano naszego czasu – w USA będzie to późny niedzielny wieczór – naukowcy i inżynierowie NASA będą w nerwach wyczekiwać na sygnał od łazika Curiosity, który ma tego dnia wylądować na powierzchni Marsa. NASA reklamuje procedurę lądowania jako najbardziej złożoną w dotychczasowej historii lotów do innych ciał niebieskich, zaś samego łazika, jako najbardziej zaawansowane technicznie i skomplikowane urządzenie wysłane dotychczas na inną planetę.

Lądowanie

Przyczyną, dla której konieczna jest skomplikowana procedura lądowania jest atmosfera marsjańska, zbyt rzadka by pozwolić na efektywne hamowanie aerodynamiczne (np. przy użyciu spadochronów), ale wystarczająco gęsta, by rozgrzać do wysokiej temperatury wchodzący w nią obiekt. Pojazd będzie wykorzystywał różne metody hamowania, rekonfigurując się kilkakrotnie podczas całego manewru. Lądowanie musi być przeprowadzone w pełni autonomicznie, ponieważ przy aktualnej odległości Marsa od Ziemi sygnał radiowy z planety biegnie do nas 14 minut, podczas gdy cały manewr, od momentu wejścia w atmosferę, trwać będzie około 7 minut. Dodatkowym utrudnieniem jest konieczność trafienia w stosunkowo niewielki obszar. Wyznaczony cel lądowania ma kształt elipsy o rozmiarach 20×7 km.

Manewr lądowania rozpocznie się odłączeniem kapsuły z łazikiem od modułu podróżnego, który podczas lotu na Marsa zapewniał łączność z Ziemią i korekty kursu. Kilka minut później kapsuła wejdzie, na wysokości około 125 km i przy szybkości prawie 6 km/s w atmosferę marsjańską i rozpocznie hamowanie atmosferyczne. Osłona cieplna rozgrzeje się przy tym do 1600°C.

Po czterech minutach takiego hamowania, na wysokości około 11 km i przy prędkości około 1500 km/h (wciąż naddźwiękowej) wyrzucony zostanie spadochron. Według NASA jest to największy w historii spadochron do użycia przy prędkości naddźwiękowej, średnica jego czasy wynosi prawie 20 m. Krótko po otwarciu spadochronu odrzucona zostanie zbędna juz osłona termiczna, wówczas radar oraz kamera lądownika po raz pierwszy zobaczą powierzchnię planety.

Po około dwóch minutach hamowania spadochronem, gdy lądownik osiągnie wysokość 1,6 km i prędkość opadania około 300 km/h kapsuła wraz ze spadochronem zostanie odrzucona. Lądownik będzie przez chwilę spadał swobodnie, po czym uruchomi silniki rakietowe. Poza spowolnieniem opadania, na tym etapie wykonany zostać musi manewr zapewniający uniknięcie zderzenia z opadającymi za lądownikiem kapsułą i spadochronem.

Ostatnia faza lądowania rozpocznie się, gdy lądownik osiągnie wysokość 20 m nad powierzchnią planety. Teoretycznie możliwe jest łagodne sprowadzenie go na powierzchnię samymi silnikami rakietowymi, jednak wzbiłoby to wielką chmurę pyłu, który mógłby uszkodzić pojazd. Wcześniejsze łaziki MER, lądujące na Marsie w 2004 roku, były w tym momencie po prostu zrzucane na powierzchnię planety i lądowały na poduszkach powietrznych. Jednak w wypadku pięciokrotnie cięższego Curiosity taki system byłby niepraktyczny (zbyt duży i ciężki). Zamiast tego lądownik zamieni się w „latający dźwig”, który opuści łazika na trzech linach na powierzchnię Marsa.

Krótko po zetknięciu z podłożem ładunki pirotechniczne wystrzelą noże, które przetną liny łączące łazika z lądownikiem. Ma to zapobiec problemom w razie gdyby pozbawiony nagle obciążenia lądownik utracił stabilność i zaczął dryfować, pociągając za sobą pojazd. Po odcięciu lin lądownik odleci i ostatecznie rozbije się w bezpiecznej odległości kilkuset metrów od miejsca posadzenia łazika. Cała procedura lądowania, od wejścia w atmosferę do odcięcia lin, trwać ma niecałe 7 minut.

Cel misji

Krater Gale z zaznaczonym rejonem lądowania Curiosity. Źródło obrazka: NASA/JPL Krater Gale z zaznaczonym rejonem lądowania Curiosity. Źródło obrazka: NASA/JPL

Misja Curiosity (oficjalna nazwa to Mars Science Laboratory – Marsjańskie Laboratorium Naukowe, w skrócie MSL) jest zaprojektowana jako kontynuacja i rozszerzenie badań prowadzonych od 2004 roku przez łaziki MER (od Mars Exploration Rover), znane pod nazwami Spirit i Opportunity. Podstawowym celem misji MER było znalezienie na Marsie śladów działania wody w formowaniu się minerałów i ustalenie w ten sposób, czy na powierzchni Marsa istniała kiedyś woda w stanie ciekłym, a jeżeli tak – to jakie panowały tam wówczas warunki. Wyniki misji MER potwierdziły z dużym prawdopodobieństwem istnienie w przeszłości ciekłej wody na Marsie.

Podstawowym zadaniem Curiosity będzie ustalenie, czy na Marsie mogły panować warunki umożliwiające powstanie życia i poszukiwanie śladów tego życia – związków chemicznych, które mogły być wytworzone przez żywe organizmy. Łazik nie będzie poszukiwał życia jako takiego, jego aparatura nie jest dostosowana do detekcji żywych organizmów.

Dalszymi celami misji są: zbadanie geologicznej przeszłości Marsa, historii jego atmosfery, oraz zebranie danych potrzebnych do planowania przyszłej misji załogowej.

Jako rejon lądowania wyznaczony został krater Gale. Jest to stary (co najmniej 3,5 miliarda lat) krater uderzeniowy o średnicy 154 km, położony w pobliżu marsjańskiego równika. Jego charakterystyczną cechą jest wznosząca się w jego centrum, na ponad 5 km od dna krateru góra, nazwana Aeolis Mons. Ma ona wyraźnie warstwową budowę, co daje naukowcom nadzieję na dostęp do geologicznej historii planety. Minerały na dnie krateru sugerują, że była w nim niegdyś woda. Curiosity wyląduje na równinie położonej na północ od Aeolis Mons.

Artystyczna wizja Curiosity używającego ChemCam. Widoczna jest też „ręka” do pobierania próbek. Źródło obrazka: NASA/JPL

Budowa łazika

Curiosity waży około 900 kg i ma 3 m długości, jest więc rozmiarami zbliżony do niewielkiego samochodu osobowego. Porusza się na sześciu niezależnie napędzanych kołach, system ich zawieszenia, wypróbowany już we wcześniejszych łazikach marsjańskich, umożliwia skuteczne pokonywanie przeszkód terenowych o wysokości do 65 cm. Łazik może w warunkach marsjańskich pokonać do 200 m dziennie.

Źródłem energii jest generator radioizotopowy, zamienia on w energię elektryczną ciepło wydzielane w rozpadzie izotopu plutonu ²³⁸Pu. Dzięki temu, w przeciwieństwie do zasilanych energią słoneczną łazików MER, jest niezależny od pory dnia i roku. Generator produkuje 110 W energii elektrycznej, a nadmiar wydzielanego ciepła może być użyty do ogrzewania aparatury i elementów łazika (temperatura atmosfery na Marsie może spadać poniżej −100˚C).

W zamocowanej na ruchomym maszcie „głowie” robota mieszczą się dwie kamery, wyposażone w obiektywy o różnych ogniskowych. Jedna kamera będzie służyła do robienia „panoramicznych” zdjęć okolicy, druga do robienia zbliżeń na interesujące obiekty i formacje w pobliżu łazika. Ponadto w „głowie” zainstalowany jest instrument o nazwie ChemCam. Składa się on z lasera podczerwonego, którego impulsy mogą odparowywać wierzchnią warstwę skał i kamery ze spektrometrem analizującej świecenie plazmy powstałej w wyniku oświetlenia skały laserem. Umożliwia to analizę chemiczną skał z odległości do 7 m, instrument ten ma być wykorzystywany do wstępnej selekcji miejsc, z których pobierane będą próbki do dokładniejszych analiz.

Łazik posiada również „rękę” służącą do pobierania próbek. Zamontowana jest na niej kamera umożliwiająca robienie mikroskopowych zdjęć skał (z rozdzielczością kilkunastu mikronów), oraz spektrometr APXS. Oświetla on skałę promieniowaniem alfa z małego źródła promieniotwórczego i mierzy wtórne promieniowanie X, protonowe, a także odbite cząstki alfa. Umożliwia to dokładniejszą analizę chemiczną naświetlanej skały. Poza tym ręka wyposażona jest w świder i łopatkę, przy pomocy których pobierane będą próbki do analizy we wnętrzu łazika.

We wnętrzu Curiosity znajdują się dwa urządzenia do analizy zebranych próbek. W jednym z nich będą one oświetlane promieniami rentgena, badana będzie dyfrakcja promieniowania zdradzająca budowę krystaliczną analizowanego minerału, oraz fluorescencja ujawniająca jego skład chemiczny. W drugim próbki będą ogrzewane, a wydzielające się przy tym gazy będą analizowane przez spektrometr mas, chromatograf gazowy i spektrometr laserowy. Razem urządzenia te umożliwiają wykrywanie substancji organicznych i analizę składu izotopowego próbki. Przyrząd ten będzie również używany do analizy próbek marsjańskiej atmosfery.

Zestaw aparatury uzupełniają: stacja pogodowa do pomiarów stanu atmosfery, źródło i detektor neutronów, służące do wykrywania wody na lub tuż pod powierzchnią gleby i przyrząd mierzący natężenie różnego typu promieniowania jonizującego. Ten ostatni był jedynym przyrządem działającym już podczas lotu na Marsa, jego zadaniem jest ocena jak silnemu napromieniowaniu mogą być poddani członkowie załogowej misji na Marsa, w czasie lotu i podczas pobytu na planecie.

Udana misja Curiosity przyniesie nam wiele cennych informacji o Marsie, wśród nich może odpowiedzieć na pytanie czy na Marsie kiedykolwiek powstało życie. Odpowiedź ta będzie miała istotne znaczenie dla oceny szans powstawania życia we wszechświecie. Dlatego w poniedziałek rano zasiądę przed komputerem i będę, wraz z naukowcami NASA, trzymał kciuki za powodzenie lądowania i udaną misję. Kto chce się przyłączyć – lądowanie odbędzie się 6 sierpnia (w poniedziałek) o 7:31 naszego czasu, podana godzina uwzględnia opóźnienie transmisji sygnału na drodze Mars-Ziemia. Lądowanie będzie można oglądać „na żywo” na stronach http://www.jpl.nasa.gov.

Czas trwania misji Curiosity określony został na co najmniej dwa lata, ale wcześniejsze doświadczenia dają nadzieję na znaczne przekroczenie tego czasu. Łaziki MER, które miały działać przez minimum trzy miesiące, przekroczyły go wielokrotnie. Spirit pracował przez 6 lat nim zamilkł, zaś Opportunity funkcjonuje nadal, właśnie niedawno został wybudzony ze „snu zimowego” i przygotowuje się do kolejnego sezonu badań.

Jerzy Michał Pawlak