Curiosity (Mars Science Laboratory)

Curiosity jeppinn er fimm sinnum þyngri en forverar hans Spirit og Opportunity. Um borð í honum eru fullkomnustu vísindatæki sem send hafa verið til Mars. Jeppinn er í raun rannsóknarstöð sem mun gera efnagreiningar á jarðveginum og rannsaka jarðmyndanir í tilraun til að finna og greina byggingarefni lífs og varpa ljósi á loftslagssögu reikistjörnunnar.

Jeppanum var skotið á loft með Atlas V 541 eldflaug. Ferðalagið til Mars tók næstum níu mánuði. Ný lendingartækni var notuð enda Curiosity of stór til að unnt væri að lenda honum á sama hátt og Spirit og Opportunity.

Jeppanum er ætlað að aka allt að 20 km um yfirborð Mars í að minnsta kosti eitt Marsár (668 Marsdaga) eða sem jafngildir 686 jarðdögum, en líklegt er að leiðangurinn verði mun lengri.

Smíði jeppans og yfirumsjón með verkefninu er í höndum Jet Propulsion Laboratory í Pasadena í Kaliforníu. Kostnaður við verkefnið í heild nemur um 2,5 milljörðum bandaríkjadala.

Nafn

Mars Science Laboratory er ekkert sérstaklega þjált og eftirminnilegt nafn. Þess vegna stóð NASA fyrir keppni meðal bandarískra skólabarna á aldrinum 5 til 18 ára í að gefa jeppanum nýtt nafn í samvinnu við Walt Disney, Pixar og teiknimyndina Wall-E. Yfir 9.000 tillögur bárust og fékk almenningur að greiða níu bestu tillögunum atkvæði sitt.

Þann 27. maí 2009 tilkynnti NASA að Mars Science Laboratory skildi nefndur Curiosity eftir uppástungu 12 ára skólastúlku frá Kansas í Bandaríkjunum, Clöru Ma að nafni. Fyrir vikið fékk hún að rita verðlaunatillöguna á jeppan sjálfan og vera viðstödd geimskotið og lendinguna.

Lending

Skref 1: Lofthemlun hefst þegar Curiosity byrjar að falla í gegnum lofthjúp Mars. Mynd: NASA

Mjög erfitt er að koma stórum jeppa heilu og höldnu í gegnum lofthjúp Mars. Lofthjúpurinn er of þykkur til þess að geimför geti lent með samskonar hætti og Apollo geimfararnir lentu á tunglinu en að sama skapi of þunnur til þess að lofthemlun og fallhlífar dugi einar og sér. Forverar Curiosity, Spirit og Opportunity, lentu með hjálp loftpúða eins og frægt er. Curiosity er alltof stór til þess að það sé mögulegt í hans tilviki.

Fyrirhuguð lendingarsvæði könnunarfara á Mars hafa hingað til verið tiltölulega víðfeðm. Þannig voru lendingarsvæði Spirit og Opportunity 120 km x 50 km að stærð. Curiosity var aftur á móti ætlað að lenda nákvæmlega á fyrirfram ákveðnum stað. Lendingarsvæði hans var aðeins 20 km að stærð. Curiosity lenti þess vegna með allt öðrum hætti en Spirit og Opportunity.

Skref 2: Fallhlíf opnast og hitaskjöldur fellur af. Jeppinn er enn í bakhlífinni. Mynd: NASA

Lendingarferlið tók aðeins sjö mínútur. Það hófst í um 130 km hæð yfir Mars þegar geimfarið snerti lofthjúpinn. Hraði þess á þeim tíma var um 21.000 km á klukkustund. Jeppinn var innan í hlífðarskel sem varði hann á leiðinni frá jörðinni til Mars og á leið hans í gegnum lofthjúpinn en hún skiptist í bakhlíf og hitaskjöld. Bakhlífin sáu um að fljúga að lendingarstaðnum á sama tíma og farið var á leið til lendingar.

Hitaskjöldurinn var 4,5 metra breiður, sá stærsti sem sendur hefur verið út í geiminn. Hans hlutverk var að draga úr haðanum niður í ríflega 400 metra á sekúndu. Á þeim hraða opnaðist fallhlífin, sem var 16 metrar í þvermál og 50 metra löng, og dró hún enn frekar úr hraðanum en dugði ekki til ein og sér.

Skref 3: Eldflaugakrani fellur úr bakhlífinni.  Mynd: NASA

Þegar fallhlífin hafði dregið úr hraðanum niður í um 80 metra hraða á sekúndu, féll jeppinn úr bakhlífinni. Hann var fastur undir eldflaugaknúinni lendingareiningu sem hægði á ferðinni niður í 0,75 metra á sekúndu. Þessi eining var í raun eldflaugakrani sem slakaði jeppanum niður.

Kraninn tryggði að jeppinn lenti mjúklega á yfirborði Mars. Þegar jeppinn snerti yfirborðið, beið kraninn í um tvær sekúndur til þess að staðfesta lendinguna. Þá losnuðu kapplarnir frá jeppanum, kraninn flaug burt og brotlenti í öruggri fjarlægð norðan við jeppann. Við lendinguna þyrlaðist upp mikið ryk.

Aldrei áður hafði verið lent með þessum hætti á annarri reikistjörnu. Allt ferlið var skipulagt í þaula fyrirfram, enda varð lendingin að vera sjálfvirk.

Skref 4: Kraninn lætur jeppann síga niður á yfirborðið og flaug svo burt. Mynd: NASA

Að lendingin skuli hafa tekist fullkomlega er stórkostleg afrek. Vegna þess hve Mars er langt frá jörðinni þegar lendingin átti sér stað (248 milljón km) var útilokað fyrir vísindamenn að stýra henni sjálfir. Skilaboðin voru 14 mínútur að berast milli reikistjarnanna.

Á meðan þessu stóð var jörðin að setjast frá Gale gígnum séð og utan kallfæris. Þau þrjú gervitungl sem eru á sveimi um Mars — bandarísku gervitunglin Mars Odyssey og Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) og hið evrópska Mars Express — hlustuðu eftir merkjum frá Curiosity og beindu til jarðar. Mars Odyssey streymdi beint frá Mars en MRO afkóðaði merkin og sendi þau síðan til jarðar, sem tók lengri tíma. Fyrstu myndir bárust örfáum mínútum eftir lendingu.

Jeppinn

Stærðarsamanburður á Curiosity, Spirit/Opportunity og Sojourner Marsjeppunum. Mynd: NASA/JPL

Curiosity jeppinn er 2,7 metra langur og 900 kg að þyngd. Af því eru tæp 80 kg vísindatæki. Jeppinn verður því ekki ósvipaður að stærð og Mini Cooper. Til samanburðar eru Marsjepparnir Spirit og Opportunity 1,57 metra langir og aðeins 174 kg að þyngd en þar af eru aðeins 6,8 kg vísindatæki.

Á yfirborðinu getur jeppinn ekið yfir allt að 75 cm háar hindranir sem verða á vegi hans en líklega verður reynt að forðast þær. Mestu ökuhraði á sléttu og föstu yfirborði er 4 sentímetrar á sekúndu eða um 140 metrar á klukkustund. Líklegt er að hraðinn verði alla jafna minni eða á að giska 30 metrar á klukkustund, stundum meiri. Þrátt fyrir þennan litla hraða vonast vísindmenn til að jeppinn aki að minnsta kosti 20 km á meðan leiðangrinum stendur.

Á jeppanum eru sex hjól og er hvert og eitt mótordrifið. Tvö fremstu og tvö öftustu hjólin hafa einnig sjálfstæða stýrimótora sem gera jeppanum kleift að snúa sér heilan hring á punktinum.

Curiosity jeppinn þolir allt að 45 gráðu halla án þess að eiga á hættu að velta. Þrátt fyrir það munu menn reyna að forðast að aka honum í meira en 30 gráðu halla.

Afl

Hér sjást verkfræðingar NASA og JPL prófa Curiosity jeppan. Mynd: NASA

Um borð í Curiosity jeppanum er lítill kjarnaofn sem sér honum fyrir orku, ólíkt Spirit og Opportunity sem eru knúnir áfram af sólarorkunni. Raforkan verður til úr varmanum sem hlýst af náttúrulegri hrörnun plútons-238 samsætunnar. Á þennan hátt er orkuframleiðslan óháð árstíðum og tíma dags.

Ofninn er hannaður og smíðaður af Boeing fyrirtækinu. Við upphaf leiðangurs framleiðir hann 125 watta afl og 100 wött að fjórtán árum liðnum. Curiosity framleiðir 2,5 kílówattstundir af raforku á dag, en til samanburðar framleiða Spirit og Opportunity 0,6 kílówattstundir á dag með sólarorkunni. Orkan fer að mestu í að knýja jeppann áfram, starfrækja tölvuna um borð og vísindatækin.

Á lendingarstað jeppans getur lofthitinn sveiflast frá því að vera rétt yfir frostmarki niður í -127°C. Þess vegna er mikilvægt að halda réttu hitastigi á jeppanum. Þetta er annars vegar gert með kælivöka sem berst um leiðslur í jeppanum og hins vegar umframvarmanum sem til verður í kjarnaofninum.

Þótt jeppinn framleiði orku svo til stanslaust verður samt sem áður að fara sparlega með hana yfir köldustu vetrarmánuðina. Á þeim árstíma fer meiri orka í að halda jeppanum heitum.

Markmið

Curiosity er fyrst og fremst ætlað að finna út hve lífvænleg Mars var í fyrndinni eða er hugsanlega í dag. Til þess þarf jeppinn að uppfylla átta vísindaleg markmið sem eru að:

• Finna út magn og eðli lífrænna kolefnasambanda

• Finna út magn kolefnis, vetnis, niturs, súrefnis, fosfórs og brennisteins á yfirborðinu en þessi efni eru byggingarefni lífsins eins og við þekkjum það

• Greina þau einkenni sem gætu bent til áhrifa lífrænna ferla

• Rannsaka samsetningu efna, samsæta og steinda á yfirborði Mars sem og jarðefna rétt undir yfirborðinu

• Túlka þau ferli sem hafa myndað og breytt bergi og jarðvegi á Mars

• Varpa ljósi á þróun lofthjúps Mars síðustu 4 mlljarða ára

• Kanna núverandi ástand, dreifingu og hringrás vatns og koldíoxíðs

• Mæla geimgeislun við yfirborð Mars  

Mælitæki

Í Curiosity jeppanum eru mælitæki sem greina eiga hve lífvænlegur staður Mars var eitt sinn. Mynd: NASA

Til að mæta þessum metnaðarfullu markmiðum eru tíu vísindatæki um borð í Curiosity. Í skrokknum eru sýnagreiningartæki, Sample Analysis at Mars (SAM) og CheMin sem eiga að greina lífræn efni og gastegundir í lofthjúpnum og af yfirborðinu. Í SAM er gasskiljunartæki, massagreinir og stillanlegur leysi-litrófsgreinir. Massagreinirinn á að greina gastegundir í lofthjúpnum og þeim sem losna úr jarðvegssýnunum er þau eru hituð. Með gasskiljunartækinu eru stakar gassameindir greindar í sundur. Leysi-litrófsgreinirinn mun svo gera nákvæmar mælingar á samsætuhlutföllum súrefnis og kolefnis úr koldíoxíði og metani á Mars. Með þeim hætti er unnt að skera úr um hvort þessi efni séu af jarðfræðilegum eða lífrænum toga. CheMin (Chemistry & Mineralogy) er röntgengreiningartæki sem mælir með beinum hætti, efnasamsetningu bergsins og jarðvegsins. Það gerir vísindamönnum kleift að finna nákvæmlega út hvers konar steindir eru á yfirborðinu.

Vísindatækin í farmi Curiosity jeppans. Mynd: NASA

Á mastri jeppans eru nokkrar myndavélar. Áhugaverðastar eru sennilega MastCam og ChemCam. MastCam tekur 10 ramma á sekúndu í 1280x720p háskerpuupplausn. Gangi allt að óskum, gætum við fengið að sjá fyrstu þrívíðu háskerpumyndskeiðin frá annarri reikistjörnu með þessari myndavél. James Cameron, leikstjóri Titanic, The Abyss, Avatar og fleiri góðra mynda, er meðlimur í rannsóknarhópnum sem er á bak við myndavélina.

ChemCam (Chemistry & Camera) er myndavél sem skýtur innrauðum leysigeisla að bergi eða jarðvegi úr allt að tíu metra fjarlægð. Þegar geislinn lendir á berginu gufar smávægilegt magn af efni upp af því. Öflug myndavél og litrófsgreinir kannar svo efnasamsetninguna þess sem gufaði upp af berginu úr fjarlægð.

Sýn listamanns á Curiosity jeppann á Mars. Mynd: NASA

Á jeppanum er fjarstýrður armur, nokkurs konar hönd sem teygir sig út frá honum, sækir sýni af yfirborðinu og færir í greiningartækin innan í skrokknum. Á arminum er MAHLI-myndavélin (Mars Hand Lens Imager) sem tekur smásjármyndir í lit af berginu og jarðveginum í 1600x1200 pixla upplausn. Á myndavélinni eru ljóstvistar (LED) sem gefa frá sér útblátt ljós svo hægt sé að mynda sýnin í myrkri eða til að flúrljóma þau. Fyrsta litmyndin sem barst frá Curiosity kom frá MAHLI.

Á arminum er einnig APXS röntgen-litrófsgreinir (Alpha Particle X-ray Spectrometer) sem mælir magn frumefna í bergi og jarðvegi. APXS hjálpar þannig til við að velja áhugaverðustu sýnin sem kanna á nánar í CheMin.

Þrjú tæki rannsaka umhverfið í kringum jeppann. RAD (Radiation Assessment Detector) er geislunarmælir sem mæla á skaðlega geimgeislun á yfirborðinu, nokkuð sem er mjög mikilvægt áður en haldið verður í mannaða rannsóknarleiðangra í framtíðinni. REMS (Rover Environmental Monitoring Station) er veðurathugunartæki sem mæla á loftþrýsting, lofthita, rakastig, vindhraða og útbláa geislun við yfirborðið. DAN (Dynamic Albedo of Neutrons) er svo ætlað að mæla vetni eða ís og vatn á eða við yfirborð Mars.

Á leiðinni niður að yfirborði Mars tók MARDI myndavélin (Mars Descent Imager) litmyndir í 1600x1200 pixla upplausn af yfirborðinu úr lofti. Myndatakan hófst í um 3,7 km hæð og lauk við lendingu. Teknir voru 4,5 rammar á sekúndu í um tvær mínútur. Með þessum hætti gátu vísindamenn kortlagt lendingarsvæðið og fundið áhugaverðustu staðina sem jeppinn á rannsaka.

Val á lendingarstað

Kort sem sýnir alla af meira en 60 mögulegum lendingarstöðum (rauðir) Curiosity jeppans og þeim fjórum (bláir) sem 150 vísindamönnum þótti álitlegastir eftir fimm ára rökræður. Ljósu skyggðu svæðin eru meira en 30 gráðum norðar og sunnan miðbaugs á Mars þar sem jeppinn getur ekki lent vegna mikils kulda. Svörtu svæðin eru of hálend til þess að jeppinn geti lent þar. Mynd: NASA

Miklu máli skipti að velja góðan lendingarstað. Hópur vísindamanna sem starfar við leiðangurinn mat kosti og galla allra lendingarstaða og valdi þann besta besta úr nokkrum álitlegum. Ekki var hægt að lenda hvar sem er á yfirborðinu af nokkrum tæknilegum ástæðum:

• Breiddargráða. Jeppinn verður að lenda nálægt miðbaug, hvorki norðan 30. breiddargráðu norður né sunnan 30. breiddargráðu suður. Ástæðan er sú að við lendingu verður jeppinn að geta haft samskipti við Mars Reconnaissance Orbiter sem er á hringsóli um Mars. Á veturna á Mars getur kuldinn á norðlægari og sér í lagi suðlægari breiddargráðum orðið mjög mikill sem getur haft áhrif á starfsemi jeppans.

• Hæð. Lendingarstaðurinn verður að vera í innan við 1 km hæð yfir meðalhæð yfirborðsins sem mælt var með MOLA tækinu í Mars Global Surveyor. Hærra er lofthjúpurinn of þunnur til að tryggja örugga lendingu.

• Halli og hæðarmunur. Halli landslagsins og hæðarmunur innan fyrirhugaðs lendingarsvæðis verður að vera eins lítill og mögulegt er til að auka líkur á öruggri lendingu.

• Stórgrýti og magn grýtis. Erfitt er að gera sér grein fyrir hversu grýtt lendingarsvæðið er fyrirfram. Lendi jeppinn t.d. á stórgrýti getur hann oltið eða einfaldlega fest sig. Mikil hjálp er af myndum frá HiRISE myndavélinni í Mars Reconnaissance Orbiter til að meta þennan hátt.

• Aðgengi. Þegar jeppinn er lentur verður hann að eiga auðvelt um vik að aka um svæðið.

Þótt þessi þættir hafi eflaust dregið úr von sumra um spennandi lendingarstað er Curiosity jeppinn betur í stakk búinn en nokkurt annað könnunarfar til að lenda á áhugaverðum stað.

Á fyrirhuguðum lendingarstað verður umhverfið að vera jarðfræðilega áhugavert. Þar verða að vera jarðfræðilegar vísbendingar um að vatn hafi mögulega verið til staðar í fyrndinni. Litrófsgreiningar brautarfara verða að hafa sýnt fram á vatnaðar steindir, sér í lagi leirsteindir og súlfatsölt á yfirborðinu.

Í nóvember 2008 var mögulegum lendingarstöðum fækkað úr 50 í 4 út frá myndum Mars Global Surveyor, Mars Odyssey og Mars Reconniassance Orbiter. Þessir staðir voru:

Staður	Staðsetning	Hæð	Jarðmyndanir
Holden gígurinn	26,37°S, 325,10°A	-1.940 metrar	Vatnaset og blaðsíliköt
Mawrth Vallis	24,01°N, 341,03°A	-2.246 metrar	Setlög frá Nóaskeiði og blaðsíliköt
Eberswalde gígurinn	23,86°S, 326,73°A	-1.450 metrar	Óseyri og blaðsíliköt
Gale gígurinn	4,49°S, 137,42°A	-4.451 metrar	Súlfatlög og blaðsíliköt, fjall með opnum setlögum

Gale gígurinn

Gale gígurinn á Mars. Svarta sporaskjan er lendingarsvæði Curiosity.

Þann 22. júlí 2011 tilkynnti NASA að Curiosity jeppinn myndi lenda í Gale gígnum á Mars sem er á mörkum gígótta suðurhálendisins og láglendis Elysium eldfjallasvæðisins.

Gale gígurinn er um 155 km breiður og misdjúpur, mest 4.674 metra undir gígbarminum. Gígurinn er nefndur eftir ástralska bankamanninum Walter Frederick Gale sem gerðist síðar stjörnufræðingur og rannsakaði Mars. Talið er að gígurinn sé milli 3,5 til 3,8 milljarða ára gamall.

Í miðju gígsins er stærðarinnar 5 km hátt sigðarlaga fjall eða bunga sem er mun yngra en gígurinn sjálfur. Fjallið nefnist Sharpfjall og hefur hlaðist upp við mismunandi aðstæður í sögu Mars fyrir tilverknað vatns og vinda. Fjallið er lagskipt sem mun gera vísindamönnum kleift að lesa sögu loftslags og veðrunar á reikistjörnunni. Svo virðist sem gígurinn hafi fyllst af seti sem síðan hafi rofið burt og skilið eftir fjallið í miðjunni.

Ofan í og í kringum gíginn eru mörg ummerki rennandi vatns í fyrndinni, sem árfarvegir, gljúfur og aurkeilur en Curiosity lenti við rætur einnar slíkrar. Aurkeilur myndast þegar vatn rennur niður halla, dreifist út og myndar keilulaga svuntu.

Í aurkeilunni í Gale gígnum sjást ummerki um leir, súlfatlög og blaðsíliköt sem hafa að öllum líkindum myndast í vatni.

Niðurstöður

Fyrsta Marsárið

Sjá einnig: Eitt Marsár liðið frá því að Curiosity lenti á rauðu reikistjörnunni

Mynd Mars Reconnaissance Orbiter af Curiosity koma inn til lendingar. Jeppinn er enn í bakhlífinni sem hangir í fallhlífinni en hitaskjöldurinn hefur fallið frá. Mynd: NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona

Lending Curiosity jeppans gekk eins og í sögu og bárust fyrstu myndir frá Hazcam myndavélunum undir jeppanum örfáum mínútum síðar í gegnum Mars Odyssey gervitunglið.

Á sama tíma og Curiosity kom inn til lendingar flaug Mars Reconnaissance Orbiter yfir svæðið og tók mynd með HiRISE myndavél sinni úr 340 km fjarlægð. Á myndinni sjást fallhlífin og bakhlífin eftir að hitaskjöldurinn hafði fallið burt. Rúmri mínútu eftir að sú mynd var tekin lenti jeppinn.

Degi síðar flaug Mars Reconnaissance Orbiter aftur yfir lendingarsvæðið. Á mynd sem þá var tekin sést að hitaskjöldurinn féll um 1.200 metra suður af Curiosity, fallhlífin og bakhlífin um 615 metra vestur af honum en eldflaugakraninn féll skáhalt niður á yfirborðið 650 metrum norður af jeppanum. Um 140 kg af eldsneyti voru þá eftir í honum. Jeppinn var sjálfur í 12 km fjarlægð frá þeim stað sem hann á að aka upp Sharpfjall og 28 km frá norðurbrún Gale gígsins.

Fyrsta litmyndin barst frá MAHLI smásjármyndavélinni. Hún var fremur óskýr enda tekin í gegnum gegnsæja en mjög rykuga linsuhlíf.

Skammt frá lendingarstaðnum ók Curiosity fram á sérkennilegt lag sem minnti einna helst á brotna, upphleypta gangstéttarhellu. Lagið var 10 til 15 cm þykkt og vakti mikla athygli vísindamanna. Í því voru ávalar steinvölur, límdar saman með sandi. Samskonar lög finnast út um alla Jörð — í uppþornuðum árfarvegum!

Eftir aðeins fáeinar vikur á Mars hafði Curiosity staðfest það sem sást utan úr geimnum. Jeppinn hafði lent á ævafornum árfarvegi. Vatnið, sem var nokkuð straumhart og djúpt, bar með sér sand og steina sem rákust á og rúnuðust. Þetta var óyggjandi sönnun fyrir fljótandi vatni!

Hálfum kílómetra frá lendingarstaðnum nam Curiosity staðar, gróf í sandinn og boraði í bergið. Greining á borsýnunum sýndu að Curiosity stóð á ævafornum vatnsbotni. Fyrir rúmum þremur milljörðum ára var þarna stöðuvatn úr ferskvatni sem var hugsanlega drykkjarhægt. Á sömu slóðum fann jeppinn kolefni, vetni, súrefni, fosfór og brennistein — nokkur af lykilefnum lífs — bundin í bergið. Á sínu fyrsta Marsári hafði Curiosity staðfest að reikistjarnan var eitt sinn lífvænlegur staður!

Niðurstöður mælinga Curiosity á lofthjúpi Mars sýndu engin merki um metan, sem kom nokkuð á óvart. Mælingarnar útiloka samt ekki tilvist metans en setja efri mörk á mögulegu magni þess í lofthjúpnum. Curiosity mun halda áfram að þefa eftir metani næstu árin.

Tengt efni

• Blogg: Curiosity finnur sönnunargögn um að Mars hafi verið lífvænlegur

• Blogg: Curiosity í vísindalegu nammilandi — Finnur holufyllingar og sethnyðlinga

• Blogg: Curiosity þefar af lofthjúpi Mars en finnur enga metanlykt

• Blogg: Curiosity gerir óvænta uppgötvun
  

Heimildir

• Heimasíða Curiosity jeppans
• Vefsíða Planetary Society
• NASA's Next Mars Rover to Land at Gale Crater. Sótt 22.07.11
  

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2012). Curiosity (Mars Science Laboratory). Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/solkerfid-large/geimferdir/curiosity-mars-science-laboratory (sótt: DAGSETNING).