ExoMars 2016 - co już wiemy i czego się dowiemy o Czerwonej Planecie?

14 marca 2016 roku z kosmodromu Bajkonur w Rosji wystartowała rakieta Proton na pokładzie której umieszczono skonstruowaną przez inżynierów i naukowców z ESA sondę TGO wraz z lądownikiem Schiaparelli. Po siedmiu miesiącach międzyplanetarnej podróży, pojazd dotarł do Marsa. Rozpoczęła się główna faza misji ExoMars 2016.

Początek misji Exo Mars 2016

Trzy dni temu nastąpiła separacja sondy i lądownika Schiaparelli, który 19 października miał osiąść na powierzchni planety. Gdy minęła godzina lądowania, a wieści z lądownika nie nadchodziły (łączność utracono podczas jego wejścia w atmosferę Marsa), pojawiły się obawy, czy Schiaparelli nie podzieli losu wielu nieudanych marsjańskich misji. Na szczęście, w końcu jednej ze stacji nasłuchowych w Indii (a także sondzie Mars Express) udało się namierzyć sygnał lądownika. 

Wiemy, że przynajmniej większość etapów lądowania na Marsie zakończyła się sukcesem. Jak wielkim, pokaże analiza danych pobranych z lądownika, które są teraz analizowane przez naukowców.

Z kolei TGO, czyli Trace Gas Orbiter dopiero po wykonaniu sekwencji manewrów orbitalnych zajmie odpowiednią do badań marsjańskiej atmosfery orbitę. Obecnie wiemy, że hamowanie sondy i jej wejście na orbitę Marsa zakończyło się sukcesem. 

TGO i Schiaparelli to część projektu ExoMars, który podzielono na dwa etapy - pierwszy realizowany w tym roku, drugi dopiero w 2020 roku (wcześniej planowano go na 2018, kiedy TGO rozpocznie na dobre badania naukowe atmosfery Marsa). Czemu mają one posłużyć? Czy nie poznaliśmy już wystarczająco tej planety? Poszukajmy odpowiedzi na te pytania.

Najprościej odpowiedzieć jest na drugie z pytań. Nie. Naukowcy nie mają jeszcze wiedzy o Marsie w małym palcu, choć wiemy już dużo, dużo więcej niż choćby kilkanaście lat temu. Odpowiedź na pierwsze pytanie? Cel zawsze jest jeden, choć realizowany na różne sposoby. Lepsze poznanie historii planety, na powierzchni której kiedyś mogła płynąć woda i istniało życie (być może tylko w prymitywnej postaci). A także ciała niebieskiego, które w przyszłości możemy skolonizować.

Misje aktualnie badające Marsa

Zainteresowanych dodatkowymi informacjami odsyłam do tekstów na temat marsjańskich orbiterów, niewielkich bliźniaczych łazików Spirit i Opportunity jak i najważniejszej obecnie misji na powierzchni - łazika Curiosity czyli projektu Mars Science Laboratory.

Na orbicie Marsa jest całkiem tłoczno, w porównaniu do innych ciał niebieskich w Układzie Słonecznym. Najstarszą aktywną misją jest Mars Odyssey, która pada powierzchnię planety. Europejski Mars Express, o którym więcej piszę poniżej, pojawił się tuż przed łazikami z 2004 roku. Dwie pozostałe sondy NASA to MRO (Mars Recoinassance Orbiter), który raczy nas od wielu lat świetnej jakości zdjęciami powierzchni Marsa oraz MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution), której cele są podobne jak europejskiej sondy TGO.

Sonda MAVEN

Ma ona jednak całkowicie inną (bardzo wydłużoną) orbitę wokół Marsa. Z tego też powodu MAVEN koncentruje się na badaniach wyższych warstw atmosfery Marsa (a także jonosfery i oddziaływań z wiatrem słonecznym), a europejski TGO, którego orbita jest podobna do tej jaka ma sonda MRO, skupi się na rejonach bliższych planecie.

Sonda TGO

Na tym nie koniec. Indyjska agencja kosmiczna umieściła prawie dokładnie dwa lata temu na orbicie Marsa orbiter MOM (zwany też Mangalayaan). Jest to przede wszystkim platforma testowa, która ma potwierdzić zdolność Indii do samodzielnego prowadzenia misji planetarnych i komunikacji w skali Układu Słonecznego.

Drugorzędnym, ale nie mniej wartościowym celem, są badania morfologiczne powierzchni Marsa, a także badania atmosfery. Sonda wyróżnia się kamerą, która ma bardzo szerokie pole widzenia zdolne do ujęcia całej tarczy planety na jednym zdjęciu, a także najniższymi kosztami realizacji (niespełna 75 milionów dolarów).

Europa na Marsie przed ExoMars

Pierwszym programem badań Marsa był projekt Mars Express, z którego doświadczeń korzystała później również misja Venus Express. Sonda Mars Express dotarła na Marsa w grudniu 2003 roku i rozpoczęła kompleksowe badania powierzchni planety - jej atmosfery, klimatu, mineraologii i geologii, a także obserwacje wizualne powierzchni. Sonda niosła także lądownik Beagle 2, o którym wspominam później.

Jedno z urządzeń, szerokokątna kamera, której bliżej do amatorskiego sprzętu niż zaawansowanej aparatury obserwacyjnej, miało działać wyłącznie podczas separacji lądownika. Przez kilka lat była nieaktywna, ale po ponownym uruchomieniu w 2007 okazała się bardzo pomocnym narzędziem. Od maja 2015 roku chętnie wykorzystywanym przez studentów (Mars Webcam) i miłośników nauki. Kamera ta potrafi wykonywać podobnie jak Indyjski orbiter, zdjęcia pokazujące całą tarczę planety. Wykonywane regularnie zdjęcia można obejrzeć na profilu Flickr.

Tak widzi Marsa szerokokątna kamera przeznaczona dla uczniów i miłośników nauki

Mars Express okazał się bardzo udaną misją mimo niewielkich kosztów (około 150 milionów euro) realizacji. Dzięki tej sondzie udało się uzyskać wysokiej jakości trójwymiarowe obrazy Marsa, które pokazują różnorodność struktur na powierzchni.

Trójwymiarowe obrazy powierzchni Marsa

Wyniki obserwacji Mars Express wskazują, że Mars musiał kiedyś być ciałem niebieskim na powierzchni którego znajdowała się woda w stanie ciekłym (udało się stworzyć model czasowy powstawania i zaniku jezior), a obecnie jest ona obecna w postaci podpowierzchniowych warstw lodu. Wedle ocen, stopienie całego lodu w marsjańskich czapach polarnych pozwoliłoby na pokrycie planety wszechoceanem o głębokości około 11 metrów. Zamarzniętą wodę w postaci lodu wykryto w warstwach chmur, które są obecne na wysokościach około 80 kilometrów.

Mars Express zaobserwował też jeszcze wyżej położone (około 100 km) formacje chmur, których powstawanie jest, jak przypuszczają naukowcy, związane z aktywnością Słońca.

Europejscy naukowcy poznali cześć mechanizmów, które mogą odpowiadać za obecny stan atmosfery Marsa, a na dodatek odkryli ślady metanu, który sugeruje aktywność geologiczną. Ta według innych badań mogła mieć miejsce wcale nie tak dawno (kilka milionów lat) w kosmicznej skali.

Powierzchnia Marsa na zdjęciu z Mars Express

Mars Express był pierwszą sondą, która zaobserwowała zorze polarne na Marsie (widoczne w ultrafiolecie). Obserwacje są bardzo trudne ze względu na brak globalnego pola magnetycznego, tak jak ma to miejsce w przypadku Ziemi. Dzięki tej sondzie udało się zauważyć również warstwy ozonowe w atmosferze Marsa.

Kolejnym ważnym wkładem do wiedzy o Marsie są badania księżyca Phobos, większego z dwóch naturalnych satelitów tej planety. Choć niewielki rozmiarami (stanowi nieforemną bryłę o wymiarach około 27x22x18 km) to bardzo znany ze względu na bardzo niewielką odległość od powierzchni
Marsa (kilka tysięcy km). Badania Mars Express (sonda zbliżyła się na odległość nawet tylko 45 km od powierzchni) pomogły określić wewnętrzną strukturę Phobosa, która obecnie określana jest jako przypominająca porowatą gąbkę.

Phobos widziany przez kamery Mars Express

Na tym osiągnięcia Mars Express się nie kończą. Paliwa w silnikach manewrowych starczy by sonda mogła działać jeszcze przynajmniej przez dekadę - do 2026 roku.

Misja ExoMars 2016

Początkowo kooperantem w projekcie ExoMars była NASA, ale cięcia budżetowe w 2012 roku zmusiły ESA do znalezienia nowego partnera. Daleko nie szukano, pomoc przyszła z Rosji, która zapewniła platformę do wyniesienia sondy w Kosmos, a także pomoc przy budowie instrumentów badawczych.

Sonda TGO wraz z lądownikiem Schiaparelli zostały wyniesione na orbitę w marcu tego roku i po siedmiu miesiącach dotarły do Marsa. Przeznaczenie TGO to na razie kwestia przyszłości, dopiero w 2018 roku rozpoczną się naukowe obserwacje, które mają potrwać co najmniej do 2022 roku. W przeciwieństwie do lądownika o czym piszę poniżej.

Przyjrzyjmy się jak TGO wygląda z bliska. Sonda ma kształt prostopadłościanu o wymiarach 3,2x2x2 metry i wadze startowej 4332 kilogramów. Panele słoneczne po rozłożeniu mają rozpiętość 17,5 metra i zapewniają 2000 W mocy dla 4 instrumentów naukowych ważących jedynie 114 kilogramów.

Energia gromadzona jest w dwóch akumulatorach litowo-jonowych o pojemności 5100Wh. Sondę wyposażono w 2,2 m średnicy antenę wysokiej mocy i 3 dodatkowe mniejszej o łącznej mocy 65W, które zapewniają komunikację z Ziemią w paśmie X. Dodatkowe anteny służą komunikacji z powierzchnią planety.

TGO czyli Trace Gas Orbiter

Czy będzie zajmował się TGO? Jak wskazuje nazwa jego przeznaczeniem jest poszukiwanie w marsjańskiej atmosferze śladów związków, które mogą mieć związek z procesami biologicznymi. TGO będzie szukał między innymi metanu, pary wodnej, tlenków azotu, acetylenu, a także podejmie próby zebrania danych, które pomogą określić pochodzenie i naturę źródeł tych gazów.

Wydaje się, że TGO nie będzie miał wiele do roboty, lecz implikacje wynikające z połączenia wyników jego obserwacji i tego co już wiemy dzięki Mars Express, a także misjom NASA, mogą mieć znacznie większe znaczenie niż to teraz się wydaje.

TGO podczas testów

Precyzja aparatury TGO jest trzy rzędy większa niż wcześniej wysyłanych pojazdów badawczych, dzięki czemu uda nam się stworzyć dużo dokładniejsze modele atmosfery Marsa i lepiej poznać jej okresową zmienność.

Sonda TGO w trakcie obserwacji będzie poruszała się po prawie kołowej orbicie w odległości około 400 km od powierzchni Marsa. Mimo tej odległości i wspomnianych celów badawczych, TGO podejmie się także mapowania rozkładu wodoru, który może występować tuż pod powierzchnią planety.

Te badania mogą okazać się pomocne w określeniu miejsc gdzie występują podpowierzchniowe zasoby zamarzniętej wody, co przełoży się na dodatkowe informacje ułatwiające wybór miejsca lądowania dla potencjalnych załogowych misji na Czerwoną Planetę.

Przeznaczenie lądownika Schiaparelli

Tenże lądownik jest urządzeniem, które jest wielką próbą przed dostarczeniem w 2020 roku na powierzchnię Marsa europejskiego łazika. Poniżej film demonstrujący jak przebiegało lądowanie Schiaparelliego ma Marsie.

Oczywiście nie przeszkodziło to w wyposażeniu go w aparaturę naukową, która ma działać przez kilka dni, być może tydzień. Posłuży ona obserwacjom meteorologicznym oraz zebraniu danych, które będą przydatne w trakcie planowanie kolejnych lądowań na Marsie.

Lądownik Schiaparelli w trakcie testów

Jest to druga próba dostarczenia na powierzchnię Marsa europejskiego lądownika. Pierwsza jak wiemy zakończyła się niepowodzeniem. Brytyjski pojazd Beagle 2, który odłączył się w grudniu 2003 roku od sondy Mars Express osiadł na powierzchni planety (co sugerują zdjęcia wykonane w 2015 roku przez MRO), ale jeszcze wcześniej utracony został kontakt radiowy i misja została przerwana.

Zwierciadła odblaskowe umieszczone na lądowniku

By uniknąć problemów z ewentualnym zlokalizowaniem lądownika, teraz i w przyszłości, na jego pokładzie umieszczono zestaw specjalnych zwierciadeł odblaskowych, które pozwolą na namierzenie Schiaparelliego za pomocą wiązek światła laserowego. Tak jak czynimy to dziś w przypadku pozostawionych na Księżycu pojazdów.

19 października 2016 - sądny dzień (zakładamy, że lądowanie się udało)

Schiaparelli odłączył się od TGO już 16 października, a dziś wszedł w atmosferę Marsa z prędkością 21000 km/h na wysokości 121 kilometrów. Potem wszystko potoczyło się jak w kalejdoskopie - trwało około 6 minut.

Na wysokości 11 kilometrów, czyli takiej jaką osiągają samoloty pasażerskie, prędkość spadła do 1700 km/h co pozwoliło otworzyć spadochrony (atmosfera Marsa jest znacznie rzadsza niż Ziemska). Spadochrony spowolniły lądownik do 250 km/h a tuż przed lądowaniem, po odrzuceniu spadochronów, uruchomione zostały silniki manewrowe.

Na wysokości około 2 metrów silniki wyłączono by pozwolić lądownikowi samodzielnie osiąść na powierzchni. Siłę uderzenia przejęły specjalne tłumiki (przypominające samochodowe absorbery siły uderzenia) na podstawie lądownika.

Kolejny etap Exo Mars

Projekt Exo Mars nie skończy się wraz z umilknięciem lądownika Schiaparelli. Przez najbliższy rok TGO będzie zajmował odpowiednią dla badań naukowych orbitę. Wiosną 2018 roku rozpocznie regularne badania. W 2020 roku (dwa lata później niż wcześniej planowano) na Marsa ma trafić misja Exo Mars 2020. Jej elementami będą europejski łazik i rosyjski lądownik.

Europejski łazik będzie w stanie nie tylko przemierzać powierzchnię planety, ale także wykonywać podpowierzchniowe odwierty (na głębokość do 2 metrów), coś czego nie potrafi na razie nawet Curiosity (jest w stanie pobierać jedynie próbki z powierzchni).

Źródło: ESA, NASA, Lockheed, inf. własna