Odnalezienie życia poza Ziemią będzie największym przełomem w nauce od początku istnienia naszej cywilizacji. O wielu lat dobrym kandydatem na planetę, na której mogło w przeszłości istnieć życie, a nawet przetrwać do dzisiaj jest Mars.
18 lutego 2021 po niezwykle emocjonującym lądowaniu, NASA dostarczyła już piąty łazik na powierzchnię Marsa.
Zanim przejdę do opisu misji najnowszego łazika, przypomnę krótko historię badań Czerwonej planety prowadzoną przez Amerykę. Tak się, bowiem złożyło, że Rosjanie upodobali sobie Wenus, a Amerykanie Marsa.
Pierwszym łazikiem na obcej planecie był malutki, bo ważący zaledwie 10,6 kg „Sojourner”, który w lipcu 1997 roku wylądował na Marsie w ramach misji „Pathfinder” („Tropiciel”).
Piszę planecie, bo pamiętać trzeba, że w 1970 roku Związek Sowiecki wysłał na nasz księżyc przełomową sondę „Łuna 17”, która dostarczyła na jego powierzchnię pierwszy w historii pojazd bezzałogowy „Łunochod 1”, w 1972 roku „Łuna 21” dostarczyła „Łunochoda 2”, będącego niewątpliwie pierwowzorem dla łazików marsjańskich.
Ale wracajmy do misji „Pathfinder“!
Po wejściu w atmosferę, sonda hamowała aerodynamicznie, poczym otworzył się spadochron i odrzucona została tarcza chroniąca sondę przed spłonięciem. Po odrzuceniu tarczy lądownik, opuszczał kapsułę na lince i taki zespół opadał dalej na wysokość kilkudziesięciu metrów, jednocześnie napełniając gazowe balony – poduszki chroniące lądownik ze wszystkich stron. Potem na krótko włączane była rakietowe silniki redukujące opadnie niemal do zera. Po tym manewrze na wysokości kilkunastu metrów nad gruntem, uwalniany był podwieszony na lince lądownik, który spadał swobodnie na powierzchnię. Lądował „twardo”, bo z przyśpieszeniem ok. 14 g, jednak otoczony nadmuchiwanymi balonami amortyzującymi uderzenie. Kiedy ta konstrukcja przestawała się toczyć i podskakiwać – czasem wykonywała kilkanaście podskoków - specjalne sensory spuszczały gaz z poduszek – balonów tak, aby platforma, na której stał łazik znalazła się na górze. Nawet, jeśli to by się nie udało, to lądownik w kształcie owocu drzewa buczyny otwierał się w takiej kolejności, aby ustawić platformę właściwie - ten sposób lądowania przejęły następne misje „Spirit” i „Opportunity”.
Obudowa otwierając się rozkładała panele baterii słonecznych i odsłaniała łazik. Po „obudzeniu” i rozłożeniu anteny, podwozia i paneli słonecznych mógł on po specjalnej rampie zjechać na powierzchnię. Robot nie był w pełni autonomiczny, i musiał pozostawać w zasięgu widzenia kamer lądownika. Chodziło tu o łączność radiową, której łazik nie mógł nawiązać bezpośrednio z Ziemią i potrzebował do tego przekaźnika znajdującego się w lądowniku.
Maleństwo wykonywało podstawowe analizy chemiczne skał przy pomocy spektrometru rentgenowskiego, nadawało komunikaty meteorologiczne i wykonało ponad pół tysiąca zdjęć otoczenia. Łazik pokonał zaledwie 100 metrów zanim lodowata noc zamroziła jego baterie podtrzymujące dodatnią temperaturę we wnętrzu maszyny i robocik zasnął z powodu braku energii. Próby obudzenia maszyny trwały do marca 1998 roku, ale panele baterii słonecznych nie były w stanie dostarczyć wystarczająco energii, aby po marsjańskiej zimie obudzić maszynę. Jednak i tak misja trwała ponad dwukrotnie dłużej niż przewidywany miesiąc. Zebrane doświadczenia pozwoliły na budowę w pełni autonomicznych łazików.
W styczniu 2004 roku na Marsie wylądował kolejny łazik, był to „Opportunity”. W maju tego samego roku wylądował jego bliźniak „Spirit”.
To były już większe całkowicie autonomiczne maszyny. Lądowały w ten sam sposób, co „Sojourner”, odbijając się wielokrotnie od powierzchni otoczone gazowymi poduszkami. Wyposażono je w lepsze kamery umieszczone na specjalnym maszcie tak, aby mogły obserwować otoczenie miej więcej z wysokości, na jakiej znajduje się głowa człowieka. To znacznie ułatwiało orientację w terenie ekipy sterującej łazikami.
„Opportunity” podczas swojej misji przejechał znacznie większy dystans niż przewidywali projektanci. Łazik działał do 2018 roku, a pokonana przez niego trasa liczy imponujące 45 kilometrów.
Możecie ją zobaczyć na zdjęciu poniżej.
Zdjęcie: Archiwum NASA
„Spirit” miał mniej szczęścia. W 2009 roku wpadł w bardzo drobny piach i zakopał jedno z kół po oś. Próby wydobycia go z opresji nie powiodły się i łazik utknął na stałe. Prawdopodobnie jego ogniwa słoneczne zostały zasypane tak grubą warstwą pyłu, że maszyna utraciła źródła zasilania i zamilkła w 2010 roku działała 2245 marsjańskich dni!
Najbardziej doniosłym odkryciem misji „Opportunity” i „Spirit’a” było udowodnienie wilgotnej przeszłości Marsa. Na zdjęciu poniżej wydać warstwy hematytu. Hematyt to minerał, który geologicznie i chemicznie dowodzi, że na Marsie była woda w stanie ciekłym. Pokazuje go zdjęcie poniżej wykonane przez „Opportunity”.
Zdjęcie: Archiwum NASA
Misje były ogromny sukcesem, zdobyto bezcenne doświadczenia w sterowaniu łazikami, poznano marsjańską pogodę i zmierzono się z podstawowym jej problemem. Bardzo gwałtownymi burzami pyłowymi, które stale i bezlitośnie zasypywał ogniwa słoneczne łazików zmniejszając ich wydajność aż do całkowitego kryzysu zasilania. Wynikiem przemyśleń technicznych była rezygnacja w przyszłych misjach z tego źródła zasilania.
Sfotografowany przez "Opportunity" "diabełek powietrzy", czy marsjańska trąba powietrzna. Zdjęcie: NASA
Nowa generacja robotów, czyli Mars Science Laboratory .
Pierwszym łazikiem tej linii był „Curiosity”. To już łazik wielkości samochodu osobowego. Zrezygnowano w nim z ogniw słonecznych, wracając do sprawdzonych w misjach międzyplanetarnych, takich jak „Pionier” i „Voyager”, plutonowych ogniw termoelektrycznych. Reakcja rozpadu izotopu plutonu wydziela stale 2000 Wat energii cieplnej. Wokół rozgrzanego do temperatury ok. 500 °C rdzenia, umieszczono elementy termoelektryczne zamieniające energię cieplną na elektryczną. Nie jest to proces bardzo wydajny, a jego sprawność wynosi zaledwie 6%, co wystarcza do stałego wytwarzania 110 Watt mocy elektrycznej. Niewiele? Niewiele, ale produkcja energii jest niezależna od pory dnia. Zatem w nocy, kiedy łazik nie prowadzi badań, ładowane są akumulatory litowe. Co więcej – bateria dzięki wytwarzaniu nadmiaru ciepła ogrzewa wnętrze maszyny przez sprytnie zaprojektowane przewodniki ciepła, co odciąża zapotrzebowanie na energię elektryczną, w poprzednich maszynach zasilanych ogniwami słonecznymi zużywaną na ogrzewanie przedziału systemów elektronicznych. Izotop plutonu 238 jest tak dobrany, że posiada niską promieniotwórczość, co eliminuje konieczność stosowania ciężkich osłon przed promieniowaniem i izotop ten wykazuje stosunkowo długi czas połowicznego rozpadu (ok. 87 lat), co czyni taki generator bardzo długowiecznym.
Za bardzo udaną uznano koncepcję masztu z kamerami („Opportunity” i „Spirit”) i w nowym łaziku postarano się o wykorzystanie kamer wysokiej rozdzielczości umieszonych jeszcze wyżej niż w „Opportunity” i „Spirit”.
Wyposażenie badawcze przyprawiłoby o zawrót głowy niejedno laboratorium ziemskie.
Czego ta maszyna nie posiada?
- Kolorowe kamery dużej rozdzielczości (Mastcam)
- Kamery nawigacyjne (Navcams)
- Stacja meteorologiczna (REMS)
- Uniwersalna głowica do wiercenia w skałach i pobierania próbek RAI (Robotic Arm Instruments).
- Chemiczne laboratorium analizujące skład materiału z odwiertów. Tu mamy spektroskop rentgenowski APXS (Alpha Particle X-Ray Spectrometer) umieszczony na ramieniu w głowicy RAI.
- Ale też oparty na rentgenowskiej dyfrakcji i fluorescencji analizator umieszczony w kadłubie łazika, nazwany „CheMin” (Chemical and Mineralogy Instrument).
- Cudem techniki jest „ChemCam”, składający się z lasera wysyłającego promień odparowujący materiał poddany badaniu i teleskopu odbierającego świecenie obłoku plazmy. To promieniowanie skupiane w lustrze teleskopu - umieszczonego w głowicy na maszcie z kamerami - wysyłane jest o spektrometru analizującego skład chemiczny odparowanej substancji. To urządzenie dział „bezdotykowo” i pozwala dokonywać analizy składu chemicznego otoczenia bez konieczności pobierania próbek. Na zdjęciu poniżej widzicie impulsowy laser podczerwony dużej energii z mojego laboratorium podczas pracy.
Zdjęcie: Alpejski
Strumień światła widać jedynie dzięki odparowywaniu i towarzyszącemu temu świeceniu drobin kurzu z powietrza, bo samo promieniowanie dla naszego oka i aparatu fotograficznego jest niewidzialne! Widoczny jest świecący obłok plazmy. Podobnie działa „ChemCam”, jedynie światło pochodzące z obłoku trafia do spektrometru, zamiast do obiektywu mojego aparatu fotograficznego - jak na zamieszczonym zdjęciu.
- Na pokładzie łazika jest też chromatograf gazowy, służący do analizy składu atmosfery Marsa.
- Ciekawym przyrządem jat tzw DAN (Dynamic Albedo of Neutrons ) czyli analizator energii neutronów, potrafiący wykryć wodę w warstwach podpowierzchniowych marsjańskiego gruntu.
- Urządzenie składające się z trzech przyrządów analizujących, czyli SAM (Sample Analysis at Mars) zawiera: chromatograf gazowy, spektrometr masowy, spektrometr laserowy. Częścią urządzenia są też piece do podgrzewania próbek i manipulatory. SAM służy do wykrywania związków pochodzenia organicznego. Jest bardzo czuły bo wykrywa jedną cząstkę na miliard!
- Detektor promieniowania RAD (Radiation Assessment Detector) mierzący poziom promieniowania w zakresie alfa, beta i gamma. Mierzy energię i identyfikuje cząstki z dużą precyzją.
Jak widzicie, taki zestaw przyrządów ucieszy każdego chemika i fizyka.
System lądowania
O ile stosunkowo lekkie łaziki można było zrzucić na powierzchnię w balonach, to większe maszyny czyniły taką operację niezwykle ryzykowną dla jej poprawnego przebiegu. Inżynierowie NASA rozpatrywali kilka sposobów dostarczenia dużego łazika na powierzchnię.
W latach siedemdziesiątych Związek Sowiecki dwukrotnie dostarczył na powierzchnię Księżyca, pierwsze w historii kosmiczne łaziki. Były to zbudowane prze biuro konstrukcyjne Ławoczkina w Chimkach pod Moskwą „Łunochody”. Rosja wykorzystała tu przygotowane platformy dla sond Typu „Łuna”. Księżyc nie posiada atmosfery, więc sondy te nie musiały być osłonięte podczas lądowania.
Ale Mars to, co innego. Tu osłony chroniące sondy przed spłonięciem są konieczne.
Zdjęcie: NASA
Z technicznego punktu widzenia, lądowanie dużej maszyny na platformie podobnej do tej, jaka lądowała na Księżycu było możliwe, ale wymagało dużej kapsuły. Zespół taki po odrzuceniu osłon byłby dość wysoki i każde lądowanie na nierówności byłoby równoznaczne z przewróceniem się lądownika. Tym bardziej, że odbywa się ono bez możliwości korekcji w czasie rzeczywistym, ze względu na kilkudziesięciominutowe opóźnienia komunikacji z sondą. Zatem rozwiązanie to odrzucono.
Nie wiem czy inżynier, który wymyślił system lądowania Mars Science Laboratory na Marsie zainspirowany był ratownictwem górskim, ale działa on podobnie jak opuszczanie na tzw długiej linie ratownika do poszkodowanej osoby. Ale po kolei!
Lądowanie „bezpośrednio po drodze”, czyli siedem minut terroru.
Procedura opisana w tej części jest wspólna dla misji „Curiosity” i „Perseverance”.
Kapsuła lądująca oddziela się od modułu podróżnego rakiety na 10 minut przed wejściem w atmosferę i nie wykonuje żadnych manewrów hamowania silnikami. Wymagałoby to dużej ilości paliwa, a statek im mniejszy tym lepszy. Zatem kapsuła wchodzi w atmosferę planety z ogromną prędkością mniejszą od podróżnej o różnicę pomiędzy prędkością orbitalną Marsa a prędkością sondy mierzoną w odniesieniu do Słońca! A prędkość podróżna w to ponad 77 000 kilometrów na godzinę! Zatem w momencie wejścia w atmosferę Marsa nasza kapsuła lądownika ma prędkość 19 500 km/h.
I tu zaczynają się problemy. Mars ma rzadszą od Ziemi atmosferę, a im cięższy aparat lądujący tym więcej energii musi on wytracić, aby wyhamować bezpiecznie.
Pierwsza faza – aerodynamicza - polega na rozpraszaniu energii kinetycznej pojazdu na energię termiczną w wyniku intensywnego tarcia cząstek atmosfery o kadłub kapsuły. Tarcie to dzięki tarczy osłony termicznej nie czyni szkody kapsule. Kształt kapsuły jest tak zaprojektowany, że dzieki siłom aerodynamicznym utrzymuje ona stabilność kierunkową. Wyposażona jest w silniki korekcyjne sterujące trajektorią lotu.
Faza druga – spadochronowa. Rzadka atmosfera wymusza stosowanie spadochronów hipersonicznych, które otwierają się w momencie optymalnym dla dalszego przebiegu hamowania. Otwarcie spadochronów następuje przy prędkości 460 m/s, co w atmosferze Marsa jest dwukrotną prędkością dźwięku.
W momencie, kiedy kapsuła opada na spadochronie odrzucana jest tarcza termiczna i odsłoniona zostaje platforma – dźwig z napędem rakietowym, pod którą przymocowany jest łazik.
Faza trzecia – rakietowe hamowanie. Łazik postanowiono podwiesić pod platformą wyposażoną w zespół ośmiu silników - umieczonych w czterach parach. Pracują tylko cztery silniki i w tylko w razie awarii uruchamiany ma być drugi zapasowy w parze.
Po optymalnym wyhamowaniu opadania na spadochronie od kapsuły oddziela się platforma lądownika i rozpoczyna samodzielny lot od intensywnego hamowania z użyciem silników rakietowych. Platforma wyposażona jest w doskonały system inteligentnej nawigacji optycznej, stale obserwującej teren pod nią i manewruje tak, aby dostarczyć łazik dokładnie w przewidziane planem miejsce!
Platforma pełni też rolę latającego dźwigu i potrafi po zawiśnięciu nad gruntem opuścić łazik bardzo delikatnie na powierzchnię na czterech linach. Łazik natychmiast po wyczuciu kontaktu z podłożem odrzuca te liny i platforma odlatuje na dużą odległość od miejsca lądowania.
Ten genialny system wymaga zaawansowanego inteligentnego sytemu nawigacji, podejmującego decyzje nawet w momencie nawarstwienia się możliwych błędów i niedokładności. Zadaniem lądownika w takiej sytuacji jest wybór bezpiecznego miejsca posadzenia łazika.
Testy systemu nawigacyjnego nad "Death Valley" w Kalifornii. Zdjęcie: NASA
To bardzo delikatne lądowanie powoduje, że łazik dotyka gruntu z prędkością nie większą niż 70 centymetrów na sekundę! Dla porównania klasyczny polski spadochron ratowniczy stosowany przez pilotów oferuje zetknięcie z ziemią z prędkością pomiędzy 5 a 6 metrów na sekundę. A w porównaniu do misji „Sojourner”, „Spirit” i „Opportunity” które „przyziemiały” z prędkością ok. 14 m/s to absolutny komfort.
Zatem teraz oberzyeć możecie jak to wyglądało z punktu widzenia kamer lądowniaka misji. To była pierwsza telemetryczna transmisja obrazu na żywo z lądowanie na obcej planecie.
„Perseverance” – misja w poszukiwaniu życia.
Nowy łazik ma specjalną misję do wykonania. Od dawna pojawiają w świecie naukowym nieoficjalne informacje o odkryciu dowodów na istnienie życia na tej planecie w przeszłości. Kilka tygodni po lądowaniu „Curiosity” NASA zwołała konferencję, na której miała podać przełomowe dla ludzkości wieści. Niestety na konferencji nie podano żadnych rewelacji, a nawet informacji, które nie byłyby już znane – skupiono się na podaniu dowodów na płynącą w przeszłości po powierzchni czerwonej planety wodę. Wywołało to zdziwienie wśród badaczy, którzy potrafią na podstawie publikowanych już materiałów wyrobić sobie opinię i postawić hipotezy, w oczekiwaniu na dowody. Ale NASA od owej konferencji, na której zapowiadała rewelacje, nie dostarczyła żadnej przełomowej wiadomości.
Co zatem się stało? Aby odpowiedzieć sobie na to pytanie musimy cofnąć się w czasie.
Misja „Viking”
Na 200 lecie USA, zaplanowano lądowanie na Marsie pierwszej sondy, która miała pobrać próbki gruntu i zbadać je pod kątem obecności organizmów żywych. 20 lipca 1976 na Marsie wylądował „Viking 1”, a 3 września „Viking 2”. To były pierwsze sondy, którym udało się wylądować na powierzchni Marsa. Miały bogate jak na tamte czasy instrumentarium z chromatografem gazowym, stacją sejsmiczną, meteorologiczną, ramieniem do pobierania próbek gruntu i cieplarką biologiczną, w której przeprowadzono eksperyment próby hodowli organizmów z gleby.
Wynik był zaskakujący, bo gleba wykazywała zadziwiające własności. Reagowała pozytywnie na eksperyment spełniając kryteria obecności organizmów żywych, jednocześnie przyrządy naukowe nie odnalazły materii organicznej.
Przeciwnicy zastosowanej w eksperymencie procedury, przypuścili szturm na NASA i nie szczędzili słów krytyki. W raporcie końcowym opublikowanym w 1988 roku, badacze Jet Propulsion Laboratory, które nadzoruje misje sond bezzałogowych uznali, krytykę, ale pozostawili sobie furtkę na przyszłość uznając wyniki za tajemnicze i nie do końca wyjaśnione.
Allan Hills 84001 (ALH 84001)
W 1996 roku NASA ogłosiła, że w jednym z meteorytów znalezionych na Antarktydzie znajdują się struktury mogące być skamieniałymi formami bakterii. Meteoryt ten spełniał wszystkie cechy pochodzącej z Marsa skały. W meteorycie tym nazwanym Allan Hills 84001 (ALH 84001) znaleziono też skomplikowane substancje organiczne. Ogłoszenie tego odkrycia wywołało burzę w świecie naukowym i mediach. Podobnie jak w przypadku eksperymentu na pokładach „Vikingów”, naukowcy toczyli ostre spory i w zasadzie nikt nikogo nie przekonał do swoich racji. Element niepewności pozostał.
Jak widzicie, takie odkrycie musi być jednoznaczne i absolutnie niepodważalne. Wszyk odkrycie pozaziemskiego życia, będzie najbardziej doniosłym faktem w rozwoju naszej cywilizacji i nauki którą ona stworzyła. Zadanie dostarczenia takich dowodów spoczywa teraz w rękach – ach pardon – w manipulatorach i przyrządach łazika „Perseverance”.
Na tropach życia.
NASA po doświadczeniach wyniesionych z poszukiwań prowadzonych przez „Curiosity” już doskonale wie, jakich dowodów jej potrzeba. Ponieważ „Curiosity” działa doskonale nadal, robot ten ustawiony pod kątem badać geologicznych będzie kontynuować swoją misję jeszcze długo, a „Perseverance” spokojnie skupi się na weryfikacji hipotez, jakie powstały w wyniku opisanych wyżej misji prowadzonych przez NASA.
„Perseverance” otrzymał wyposażenie umożliwiające nie tylko analizę próbek. Robot będzie je zbierać i umieszczać w specjalnych kapsułach, które za parę lat zostaną odebrane przez misję cargo, Ziemia – Mars – Ziemia.
Na pokładzie łazika, umieszczono też pierwszy w historii aparat latający wysłany (aerodynę) przez ludzkość na inną planetę. Tak, więc „Perseverance” używać będzie do 90 sekundowych lotów rozpoznawczych dwukilogramowego śmigłowca o przeciwbieżnych wirnikach. Tu przypomnę, że ZSRR wysłało na Wenus pierwszą sonę używającą do badania atmosfery tej planety swobodne balony (aerostaty) o czym pisałem w notce https://www.salon24.pl/u/alpejski/1076725,wenus-zycie-wenusjanskie-a-moze-jednak-ziemskie .
Wszystko wskazuje na to, że niebawem dowiemy się, że życie jest powszechnym zjawiskiem we Wszechświecie. Specjaliści sądzą, że niektóre osady skalne odnalezione na Marsie przez „Curiosity” zgodnie z naszą wiedzą i analizami wykazują organiczne pochodzenie i z ogromny prawdopodobieństwem zostały wyprodukowane z udziałem organizmów. Niewielu mówi o tym oficjalnie, ale w kuluarach przy odrobinie dobrego alkoholu języki się rozwiązują.
Zatem czy za jakiś czas na moim blogu napiszę – witajcie w nowych czasach? Czasach w których ujrzymy nasze miejsce we Wszechświecie w nowym świetle?
Było by to cudowne ukoronowanie procesu w nauce zapoczątkowanego 100 lat temu udowodnieniem, że galaktyka Andromedy jest właśnie galaktyką, a nie jak przez wiele lat uważano mgławicą. Od tamtego odkrycia wiemy, że takich galaktyk we wszechświecie są miliardy. To liczby niewyobrażalne dla nas ludzi. Wiemy też, że w naszej galaktyce takich planet jak Ziemia muszą być miliardy. Trudno to sobie wyobrazić?
Zycie jest moim zdaniem wpisane w ewolucyjny proces zachodzący we Wszechświecie. Nie po to umierały gwiazdy, aby nikt nie mógł podziwiać tego ogromu i piękna, jakie nas otacza. Każdy ato naszego ciała powstał w tamtych umarłych gwiazdach, a my jesteśmy stworzeni z tego kosmicznego prochu i sami obracamy się w proch, ale przez tą krótką daną nam chwilę, mamy przywilej zobaczenie cudu jakim jest świat.
Inne tematy w dziale Technologie
