ExoMars 2016

Trace Gas Orbiter og Schiaparelli lendingarfarið

Meginmarkmið ExoMars 2016 er að leita að vísbendingum um metan og önnur snefilefni í lofthjúpi Mars sem gætu bent til líffræðilegra eða jarðfræðilegra ferla á reikistjörnunni í nútíð eða fortíð. Önnur markmið eru að sýna fram á getu Evrópu til að lenda geimfari á Mars og koma endurvarpsstöð (Trace Gas Orbiter) á braut um rauðu plánetuna. Geimförin eru þannig og liður í undirbúningi fyrir frekari Marsferðir ESA.

ExoMars 2016 er annar leiðangur Evrópumanna til Mars og um leið önnur tilraun Evrópu til að lenda geimfari á Mars. Í desember 2003 fór Mars Express geimfar ESA á braut um Mars. Með í för var lítið lendingarfar, Beagle 2, sem lenti heilu og höldnu á Mars á jóladag 2003. Hins vegar náðist aldrei samband við Beagle 2 svo engin gögn fengust. Ekki var vitað um afdrif geimfarsins fyrr en það fannst á myndum Mars Reconnaissance Orbiter árið 2015.

Leiðangurslok ExoMars 2016 eru áformuð árið 2022.

1. ExoMars geimáætlunin

ExoMars Mars-áætlun ESA samanstendur af tveimur leiðöngrum, brautarfari og tilraunarlendingu árið 2016 og jeppa árið 2018. Mynd: ESA

Í desember árið 2009 samþykkti stjórn ESA, Geimvísindastofnun Evrópu, ExoMars geimáætlunina. Markmið ExoMars áætlunarinnar er að prófa nýja tækni til Marsrannsókna með því að senda tvö geimför til Mars árin 2016 og 2018 í leit að svörum þeirri spurningu hvort líf hafi einhvern tímann þrifist á rauðu plánetunni. Áætlunin er einnig liður í undirbúningi fyrir sýnasöfnunarferð til Mars á þriðja áratug 21. aldar.

Tveir leiðangrar eru á döfinni í ExoMars áætluninni. Árið 2016 verður Trace Gas Orbiter brautarfarinu skotið á loft ásamt tilraunafari sem á að lenda á yfirborði reikistjörnunnar og sýna fram á getu ESA til að lenda sínum fyrsta jeppa á Mars tveimur árum síðar, árið 2018, í seinni ExoMars leiðangrinum. Báðir leiðangrar eru gerðir í samvinnu við rússnesku geimvísindastofnunina Roscosmos.

Helstu markmið ExoMars geimáætlunarinnar eru:

• Að lenda rannsóknartæki heilu og höldnu á yfirborði Mars

• Að lenda farartææki á yfirborði Mars, þ.e.a.s. jeppa

• Að komast niður í berggrunn Mars til þess geta safnað sýnum og undirbúið þau til frekari greiningar.

Á sama tíma verða mikilvægar vísindarannsóknir gerðar, til dæmis:

• Leit að merkjum um líf á Mars

• Rannsóknir á fjölbreytileika jarðefnafræði og vatns á yfirborðinu

• Rannsóknir á snefilgösum í lofthjúpi Mars og uppruna þeirra.

Upphaflega stóð til að ESA ynni með NASA að rannsóknum á Mars. Hætt var við þau áform árið 2012 þegar NASA varð að draga sig úr samstarfinu til þess að greiða fyrir kostnað við James Webb geimsjónaukann sem fór langt fram úr fjárhagsáætlun.

Í mars 2012 tilkynnti ESA að rússneska geimvísindastofnunin Rosmosmos myndi leggja til tvær Proton eldflaugar og annan búnað fyrir jeppann árið 2018.

2. Geimskot og ferðalag til Mars

ExoMars 2016 verður skotið á loft með þriggja þrepa rússneskri Proton-M eldflaug frá Baikonur Cosmodrome geimhöfninni í Kasakstan í mars 2016. Geimskot er fyrirhugað hinn 14. mars en skotglugginn er opinn til 25. mars.

Ferðalagið til Mars tekur næstum sjö mánuði. Hinn 16. október losnar Schiaparelli lendingarfarið frá brautarfarinu og er lending fyrirhuguð á Meridiani Planum sléttunni hinn 19. október.

3. Trace Gas Orbiter

Trace Gas Orbiter er kassalaga geimfar, 3,2m x 2m x 2m að stærð. Sólarrafhlöður á tveimur þiljum sem samanlagt eru 17,5 metra á leng enda á milli framleiða um 2000 W afl og knýja rafkerfi geimfarsins. Að auki eru tvær liþíum rafhlöður um borð sem hafa um það bil 5100 wattstunda rýmd.

Við geimskot vegur Trace Gas Orbiter í heild rúm 4 tonn. Þar af vega mælitækin 112 kg og Schiaparelli lendingarfarið 600 kg.

Trace Gas Orbiter ekki aðeins hugsað sem rannsóknarfar, heldur endurvarpsstöð fyrir aðra Mars-leiðangra. Á geimfarinu er 2,2 metra breitt loftnett sem ntað verður til að senda upplýsingar til og frá geimförum á yfirborði Mars í framtíðinni.

Eftir komuna til Mars í október 2016 verður braut Trace Gas Orbiter smám saman lagfærð. Rúmu ári síðar, í desember 2017, verður geimfarið komið á pólbraut um Mars í 400 km hæð. Þá hefjast rannsóknir formlega.

3.1 Mælitæki

Mælitæki Trace Gas Orbiter geimfarsins

ExoMars Trace Gas Orbiter er ætlað að rannska þær gastegundir sem eru í snefilmagni í lofthjúpi Mars, eða innan við 1% af innihaldi hans. Könnuð verða sérstaklega efnasambönd úr vetni og kolefni eða brennisteini sem gætu verið merki um lífræn eða jarðfræðileg ferli í nútíð eða fortíð. Geimfarið á ennfremur að rannsaka staðbundið magn og staðbundna dreifingu þessara efna eftir árstíma.

Í Trace Gas Orbiter eru fjögur mælitæki:

• NOMAD — Nadir and Occultation for MArs Discovery: Þrír litrófsritar, tveir fyrir innrautt ljós og einn fyrir útfjólublátt, sem eiga að greina mismunandi efni í lofthjúpnum, þar á meðal metan og aðrar gastegundir í snefilmagni með því að skoða ljós sem berst frá sólinni í gegnum lofthjúpinn og endurvarp ljóss beint upp frá yfirborðinu.

• ACS — Atmospheric Chemistry Suite: Þrjú mælitæki sem nema innrautt ljós sem munu hjálpa vísindamönnum að rannsaka efnafræði og uppbyggingu lofthjúps Mars. ACS vinnur með NOMAD tækinu með því að mæla líka innrauðar bylgjulengdir og með því að taka myndir af sólinni þegar hún hverfur á bakvið Mars frá geimfarinu séð.

• CaSSIS — Colour and Stereo Surface Imaging System: Myndavél sem tekur stórar myndir af yfirborðinu í hárri upplausn (allt að 5 metrar á díl). CaSSIS veitir upplýsingar um jarðfræðilegt og aflfræðilegt samhengi yfirborðsuppspretta snefilgastegundanna sem NOMAD og ACS mæla.

• FREND — Fine Resolution Epithermal Neutron Detector: Nifteindanemi sem kortleggur vetni niður á eins metra dýpi við yfirborðið og finnur þannig út hvar vatnsís er að finna. Kortlagning FREND á yfirborðsís verður 10 sinnum nákvæmari en eldri mælingar.

4. Schiaparelli lendingarfarið

Trace Gas Orbiter (svarti kassinn) og Schiaparelli (gullitað) við prófanir í Frakklandi hinn 23. apríl 2015. Mynd: ESA/S. Corvaja

Schiaparelli er tilraunafar sem ætlað er að sýna fram á getu Evrópumanna til að stýra lendingu stærri geimfara á Mars, þ.e. jeppa árið 2018. Áður en það er gert þarf að prófa tækni og ferli sem notuð verða í komandi Marsleiðöngrum.

Schiaparelli er skífulaga 1,65 metra breitt geimfar og vegur í heild 600 kg. Geimfarið gengur fyrir rafhlöðum og á að endast í um það bil viku.

Schiaparelli tilraunarfarið er nefnt eftir ítalska stjörufræðingnum Giovanni Schiaparelli sem kortlagði yfirborð rauðu plánetunnar þegar hún var í heppilegri gagnstöðu árið 1877.

Schiaparelli gerði athuganir í gegnum sjónauka og teiknaði net ráka sem hann taldi sig sjá á yfirborðinu. Hann gerði ráð fyrir að um náttúrulega árfarvegi væri að ræða og kallaði þá „canali“. Hugtakið var þýtt sem „áveituskurður“ og héldu margir að þeir væru skýrar vísbendingar um menningarsamfélag sem lifði á Mars.

4.1 Lendingarferlið

Lending Schiaparelli tilraunafarsins. Mynd: ESA

Þremur dögum fyrir lendingu verður Schiaparelli losað frá Trace Gas Orbiter. Til að spara raforku verður geimfarið ekki ræst fyrr en nokkrum klukkustundum áður en það snertir lofthjúp Mars.

Schiaparelli snertir lofthjúp Mars í 122,5 km hæð, þá á um það bil 21.000 km hraða á klukkustund. Hitaskjöldurinn, sem er 2,4 metrar á breidd, hægir á ferð geimfarsins niður í um 1650 km hraða á klukkustund. Hitaskjöldurinn nær allt að 1500 gráðu hita þegar mest er.

Í 11 km hæð verður fallhlífin, sem er 12 metra breið, opnuð. Í um 7 km hæð fellur hitaskjöldurinn af. Dopper ratsjá er ræst í geimfarinu og hraðamælir en tækin eru notuð til að geimfarið geti staðsett sig miðað við yfirborðið.

Í 1,3 km hæð eða svo verður bakhlífin losuð frá. Þá ferðast geimfarið á um 270 km hraða á klukkustund og eru þá eldflaugar ræstar. Bremsuflaugarnar hægja á ferðinni niður í 2 km á klukkustund.

Þegar Schiaparelli er í tveggja metra hæð er slökkt á bremsuflaugunum. Fellur geimfarið þá í frjálsu falli niður á yfirborið og rekst á það á um það bil 11 km hraða á klukkustund. Grind geimfarsins er hönnuð til þess að taka höggið á sig og verja tækjabúnaðinn gegn hnjaski.

Geimfarið sjálft stjórnar lendingunni enda Mars svo óralangt frá Jörðinni að útilokað er að stjórna henni þaðan. Geimfarið getur ekki forðast stóra hnullunga, ef einhverjir eru, eða mikinn landslagshalla á lendingarstaðnum, Meridiani Planum sléttunni. Schiaparelli er hannað til að lenda á landslagið með allt að 40 cm háa steina og í allt að 12,5° halla.

4.2 Mælitæki

Schiaparelli er fyrst og fremst tilraunafar. Í því eru þó sex mælitæki sem munu gera mælingar í 2-8 daga á Mars, gangi allt að óskum. Að auki eru mælar sem kallast COMARS+ á bakhlíf Schiaparelli sem mæla hitaflæðið í kringum geimfarið þegar það kemur inn til lendingar.

Rannsóknarbúnaður Schiaparelli nefnist einu nafni DREAMS (Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface) og samanstendur af sex mælitækjum:

• MetWIND — Vindmælir sem mæla vindhraða og vindátt,
  

• DREAMS-H — Rakamælir,
  

• DREAMS-P — lofþrýstingsmælir,
  

• MarsTem — Lofthitamælir,
  

• Solar Irradiance Sensor — Mælir magn ryks í lofthjúpnum og þar af leiðandi skyggnið,
  

• MicroARES — Mælir rafhleðslu í lofthjúpnum við yfirborðið

Mælitæki Schiaparelli lendingarfarsins. Mynd: ESA

DREAMS aflar fyrstu gagnanna um rafsvið við yfirborð Mars með MicroARES. Mælingar þess tækis, auk mælinga Solar Irradiance Sensor á magni ryks í lofthjúpnum, eiga að bæta til muna þekkingu á hlutverki rafkrafta sem lyfta upp ryki og leiða til rykstorma. Rakamælingar DREAMS-H veita vísindamönnum líka mikilvægar upplýsingar um rakastigið til að skilja betur rafmögnun ryksins.

Verkfræðingar og vísindamenn sem vinna við Schiaparelli munu greina gögn frá geimfarinu þegar það ferðaðist í gegnum lofthjúpinn, annars vegar til að ganga úr skugga um að lendingarferlið hafi farið rétt fram og hins vegar til að rannsaka aðstæður, svo sem vindáttir, vindhraða og loftþrýsting, í efri hluta lofthjúpsins. Þessi rannsókn er kölluð AMELIA (Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis) og er hún lykillinn að bættum lofthjúpslíkönum um Mars.

Engin eiginleg myndavél er um borð í Schiaparelli. Hins vegar er lítil myndavél undir geimfarinu sem byrjar að taka myndir þegar hitaskjöldurinn fellur burt. Vélin tekur 15 ljósmyndir úr lofti með einnar og hálfrar sekúndu millibili og hættir tökum strax lendingu. Myndirnar verða til dæmis notaðar til að mæla gegnsæi lofthjúpsins. Fyrst um sinn verða þær geymdar í minni Schiaparelli en sendar til Jarðar ásamt öðrum gögnum nokkrum mínútum eftir lendingu. Myndavélin var sett saman úr varahlutum frá Herschel geimsjónaukanum.

Á Schiaparelli verða speglar, nokkurs konar endurskinsmerki, sem geimför á braut um Mars geta notað til að skjóta leysigeislum á og staðsett þannig geimfarið nákvæmlega.

4.3 Lendingarstaður

Schiaparelli lendir á Meridiani Planum sléttunni á norðurhveli Mars í október 2016, skammt frá þeim stað sem Opportunity jeppi NASA lenti hinn 25. janúar 2004.

Fyrirhugað lendingarsvæði er innan 100 km x 30 km sporsökju. Í hægri enda sporöskjunnar (suðausturhlutanum) er Victoria gígurinn sem Opportuniy rannsakaði ítarlega.

Lendingarstaður Schiaparelli á Meridiani Planum sléttunni á Mars, skammt frá Opportunity jeppa NASA. Mynd: NASA/MOLA

Tengt efni

• Mars
  

• ExoMars 2018

• Ómannaðar geimferðir

Tenglar

• ExoMars á vef ESA

• ExoMars myndasafn ESA

Heimildir

1. ExoMars Trace Gas Orbiter and Schiaparelli Mssion (2016): Overview. ESA.int
   

2. ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). ESA.int
   

3. European Explorers in the Solar System. ESA.int
   

4. Beagle-2 Lander Found on Mars. ESA.int
   

5. The ExoMars Programme 2016-2018. ESA.int
   

6. ESA Member States Give Green Light to ExoMars Programme. ESA.int.
   

7. ExoMars Prepares to Leave Europe for Launch Site. ESA.int
   

8. ExoMars Lander Module Named Schiaparelli. ESA.int
   

9. Schiaparelli Science Package and Science Investigations. ESA.int
   

10. Schiaparelli: The ExoMars Entry, Descent and Landing Demonstrator Module. ESA.int
    

11. Meridiani Planum. ESA.int
    

– Sævar Helgi Bragason