Mars i wgląd w jego sprawy wewnętrzne - InSight wylądował na Czerwonej Planecie

W przypadku naukowych misji kosmicznych najważniejszym pytaniem, na które należy udzielić odpowiedzi jest „po co?”. No właśnie, po co NASA we współpracy z europejskimi instytutami zdecydowało się wysłać na Marsa kolejny już stacjonarny lądownik, zamiast sposobić się do wyprawy kolejnego łazika? Czyżby nadal były jakieś niejasności? Są i to poważne, ale nie tyle niejasności, co pytania które oczekują odpowiedzi. Pytania o przeszłość i budowę wewnętrzną tej planety, a także genezę niezliczonych podobnych do Marsa światów, które obiegają odległe Słońca.

Odpowiedź tę możemy poznać dzięki badaniom sejsmologicznym, a tych jak na Marsie nie przeprowadzano od czasów lądowników Viking w połowie lat 70. XX wieku. Zainstalowane na nich sejsmometry były zresztą o wiele mniej czułe i izolowane od zakłóceń niż aparatura, którą przywiózł na Marsa InSight (ang. Interior Exploration using Seismic Investigations Geodesy and Heat Transport). Dlatego można uznać, że dopiero ten lądownik, który 26 listopada tuż przed godziną 21 (CSE) pomyślnie wylądował na Marsie, pozwoli nam uzyskać pierwsze solidne sejsmogramy Czerwonej Planety.

Misja InSight rozpoczęła się 5 maja 2018 roku startem z bazy amerykańskich sił powietrznych w Vanderberg.

Lądowanie InSight jak Phoenixa, ale tylko z pozoru

Dla osób, które interesują się sylwetkami pojazdów kosmicznych, kształt InSight od razu przypomni lądownik Phoenix z 2008 roku. Istotnie są one bardzo podobne, w przypadku obu istotne są badania powierzchni i tego co pod nią, ale cel InSight jak i zastosowana aparatura naukowa są całkiem inne. Przede wszystkim InSight wyląduje w pobliżu równika Marsa, a Phoenix lądował w pobliżu bieguna. Phoenix wykrył w 2008 roku lód, a potem ślady wody. InSight z kolei pozna najgłębsze tajemnice naszego sąsiada.

InSight z częściowo rozłożonymi panelami słonecznymi jeszcze w Ziemskim laboratorium

InSight to pierwszy od czasów Phoenixa lądownik marsjański. O badaniach Marsa słyszymy i piszemy bardzo często, ale ostatnią dekadę zdominowały badania z orbity i misje łazików. Wśród nich dzielnego Opportunity, który nadal nie zgłosił się po ustaniu burzy pyłowej (kontrola misji zamierza wydzwaniać do łazika jeszcze przez co najmniej kilka miesięcy).

Naziemne testy spadochronów hamujących o średnicy 11,8 metrów każdy.

InSight w podobny sposób jak Phoenix został wyhamowany w atmosferze Marsa. Użyto osłony termicznej, a potem spadochronów. Tak samo 10 lat temu wspomagano się użyte zostaną rakietowe silniki hamujące (InSight ma ich 12 oprócz 8 silników, które służyły do korekty trajektorii lotu w przestrzeni kosmicznej) w ostatniej fazie lotu (gdy lądownik znajdzie się niżej niż 1,6 kilometra nad powierzchnią), by pojazd łagodnie (z prędkością około 8 km/h) osiadł na powierzchni Marsa na trzech amortyzujących nogach. Wydawałoby się, że wszystko co działo się 26 listopada nad Elysium Planitia było powtórką z rozrywki, która miała miejsce dekadę temu.

Dla kontroli lotu misji InSight nie było to jednak rutynowe działanie, a kompletnie nowa operacja, z nowymi niewiadomymi. Nie tylko ze względu na różne miejsca lądowania. A także z powodu różnic w masie obu pojazdów - InSight jest cięższy o 35 kg od Phoenixa (ważył 608 kilogramów tuż po odłączeniu się od modułu transferowego), oraz innych prędkości podejścia - InSight wleciał w atmosferę Marsa z prędkością 5,5 km/s (o 0,1 km/s mniejszą niż Phoenix).

Ostatni etap lądowania na Marsie

Choć różnice wydają się nieznaczne, to były wystarczająco duże, by znany już model lądowania nie miał tu zastosowania. Zresztą lądowanie na Marsie to zawsze ryzykowna procedura ze względu na bardzo rzadką w porównaniu z Ziemską atmosferę (procedura lądowania rozpoczęła się około 130 km nad powierzchnią planety). Co więcej InSight wylądował o 1,5 kilometra wyżej niż Phoenix, a to oznacza że w mniejszym stopniu mógł liczyć na hamujący wpływ ciśnienia atmosferycznego (szczególnie w ostatniej fazie lądowania).

Prawie jak pieczenie ciasta - tak wyglądała budowa osłony termicznej dla InSight

By sprostać większym wymaganiom NASA użyła wytrzymalszych lin podtrzymujących spadochrony hamujące (musiały one wytrzymać szarpnięcie podczas otwarcia i trzy kolejne minuty hamowania, począwszy od ponaddźwiękowej prędkości na wysokości 16 kilometrów), a osłona termiczna miała większą grubość niż ta z 2008 roku. W trakcie lądowania osłona nagrzewała się do około 1500 stopni Celsjusza, przy okazji pomagając InSight zwolnić ponad 20 tysięcy kilometrów na godzinę do około 1600 km/h zanim możliwe stało się otwarcie spadochronów.

Osłona umieszczona na lądowniku. Podczas lądowania osłona zwrócona była w dół. Jej średnica wynosiła 2,64 metra.

Te wszystkie działania zapobiegawcze podjęto też ze względu na ryzyko napotkania niekorzystnych warunków (burza pyłowa) w trakcie lądowania InSight. Paradoksalnie, taka burza w globalnej skali rozpętała się niedługo po starcie sondy z Ziemi w maju tego roku i skończyła przed lądowaniem InSight.

Lądowanie dwa lata później niż zakładano, ale za to lot w towarzystwie

Początkowo InSight miał trafić na Marsa już w 2016 roku. Powodem opóźnienia były problemy z działaniem sejsmometru, czyli jednego z najważniejszych instrumentów naukowych. Został on tak skalibrowany by wyczuwać drgania powierzchniowe o amplitudzie porównywalnej z rozmiarami atomu wodoru. To wymaga z kolei zachowania doskonałej (z naszego punktu widzenia) próżniowej izolacji aparatury od wpływu czynników zewnętrznych. W grudniu 2015 roku okazało się, że ta izolacja nie działa prawidłowo, a wyeliminowanie problemu potrwa na tyle długo, by nie dało się wykorzystać najbliższego okna startowego na Marsa. Kolejne miało miejsce dopiero po 26 miesiącach wiosną 2018 roku i zostało wykorzystane.

Po lewej pozycja Ziemi i Marsa 5 maja 2018 roku, po prawej u góry pozycja planet 26 listopada 2018 roku. Podziałka ze skokiem 20 dni.

InSight leciał na Marsa podobnie jak wcześniejsze sondy i lądowniki. Gonił Marsa w jego ruchu orbitalnym, pod koniec loto nieco go wyprzedzając, a podczas startu wykorzystano dodatkową prędkość, którą nadaje mu obiegająca Słońce Ziemia. W przeciwieństwie do opisywanej niedawno misji BepiColombo, InSight nie korzystał z asysty grawitacyjnej.

Lot InSight był jednak pod pewnym względem wyjątkowy. Lądownik nie podążał na Marsa sam. W odległości kilku kilometrów (po obu stronach InSight) od niego leciały dwie miniaturowe sondy MarCO czyli Mars Cube One (typu CubeSat, o wymiarach 36,6 x 24,3 x 11,8 cm bez paneli słonecznych i anteny). Wystrzelono je wraz z InSight rakietą Atlas V401.

Sondy MarCO jeszcze w trakcie testów na Ziemi

MarCO posłużyły realizacji udanego eksperymentu, który polega na wykorzystaniu takich miniaturowych pojazdów badawczych podczas podróży przez przestrzeń kosmiczną jako sprzętu komunikacyjnego i nawigacyjnego. MarCO wykorzystano do monitorowania lądowania InSight i przekazywania danych kontrolnych na Ziemię w paśmie UHF z prędkością 8 kbps. Lądowanie nadzorował również Mars Recoinassance Orbiter. Same nanosondy minęły ostatecznie Czerwona Planetę w odległości kilku tysięcy kilometrów. W pobliżu Marsa ich panele słoneczne zapewniają moc 17 W.

MarCO przypomina niewielki komputer z upchaną w jego wnętrzu elektroniką. Całość z panelami słonecznymi i anteną w przypadku pojedynczego MarCO waży 13,5 kilograma.

W dniu lądowania Ziemia była odległa od Marsa o 146 milionów kilometrów, a to oznacza że sygnał z Czerwonej Planety docierał do nas po około 8 minutach. Co ciekawe w prawie takiej samej odległości od Ziemi (około 147,6 miliona kilometrów) znajdowało się w tym dniu Słońce.

Elysium Planitia - spokojny dom dla Insight

Na Marsie lądować próbowało już kilkanaście pojazdów. Do udanych projektów zaliczamy misje łazików Sojourner, Spirit, Opportunity oraz Curiosity (odpowiednio 1997, 2004, 2004 i 2015). Pierwszym pojazdem ziemskimi na Marsie typu stajonarny lądownik był radziecki Mars 3 z 1971 roku. Niestety już po 20 sekundach zakończył swoją karierę na powierzchni. W pełni udanymi misjami były dopiero Vikingi z 1975 roku. W przeciwieństwie do łazików i orbiterów, do misji lądowników nie mamy wielkiego szczęścia. Ostatnią spektakularną z medialnej perspektywy „porażką” była europejska misja lądownika Schiaparelli (jako części bardzo udanej z kolei misji Gas Trace Orbiter).

Lokalizacje dotychczasowych lądowników NASA oraz miejsce lądowania InSight

InSight osiadł w zachodniej części Elysium Planitia około 600 km od miejsca lądowania łazika Curiosity. Okolica to wulkaniczna równina, której środek znajduje się nieznacznie na północ od równika Marsa. Curiosity lądował trzy lata wcześniej na bardziej górzystym i ciekawym ze względu na historię geologiczną terenie.

Tymczasem InSight będzie badać wnętrze Marsa, dlatego wybór lokalizacji miał zapewnić bezpieczeństwo misji. Wydawałoby się, że to mało wymagające kryterium, ale nie jedyne. InSight musi umieścić jeden z instrumentów (będzie on badał własności termiczne planety) w marsjańskiej glebie na głębokości od 3 do 5 metrów (dotychczasowy rekord ustanowiony przez Phoenixa to skromne 18 centymetrów - podobnej głębokości odwierty muszą wykonywać jako jedno z zadań łaziki podczas konkursów ERC). Powierzchnia powinna nadawać się też do łatwych odwiertów. Tutaj nie ma szans na powtórki, przenoszenie pojazdu z miejsca na miejsce. Tam gdzie opadł InSight, tam trzeba będzie kopać. Wybór miejsca ogranicza zasięg robotycznego ramienia.

Ramię manipulatora zainstalowane na InSight

Pierwotną listę 22 lokalizacji szybko zawężono do 3 nadających się dla celów misji miejsc. Wybór podyktowały obserwacje wykonane z orbity przez Mars Odyssey. Ten orbiter jest w stanie odróżnić skaliste podłoże od bardziej miałkiego oceniając jak szybko wychładza się ono z nadejściem nocy i nagrzewa o poranku.

Ostatecznie zdecydowano się wybrać monotonną dla oka, gładką i stosunkowo ubogą w kratery powierzchnię Elysium Planitia. Lądowanie InSight przewidziano w elipsie o wymiarach 130 x 27 kilometrów. Lądownikowi miał trafić prawie dokładnie w jej środek. A to oznacza, że pojazd równie idealnie musiał trafić w prostokątne okno wejściowe o wymiarach 10 x 24 km nad powierzchnią Marsa - teraz (30.12.2018) wiemy , że Insight trochę zboczył z kursu, ale szczęśliwe wylądował w bardzo dobrym do dalszych badań miejscu.

Na siedem minut przed wejściem w atmosferę Czerwonej Planety lądownik odłączył się od pojazdu transferowego, z którym był połączony przez całą podróż, by przyjąć odpowiednią pozycję do lądowanie.

W ustaleniu dokładnej pozycji InSight oprócz zdjęć z orbity pomoże w przyszłości również specjalnie przygotowany zestaw zwierciadeł, które odbijają światło lasera (LaRRI, czyli Laser Retroreflector for InSight). Podobnie jak takie układy umieszczone na Księżycu pozwalają precyzyjnie monitorować jego odległość od Ziemi, tak przyszłe sondy Marsa będą mogły poszukać InSight.

LaRRI widoczny w dolnej cześci zdjęcia - jest podobnych rozmiarów co piłka do tenisa

Niedługo otrzymamy 360 stopniowe panoramy wykonane kamerą lądownika, które pokażą na ile oczekiwania naukowców pokrywają się z rzeczywistością. Zresztą nie jest to chyba już tak istotne, skoro lądowanie przebiegło bez problemów. Istotniejsze będzie teraz, by powierzchnia okazała się odpowiednio miękka.

Komputer i zasilanie Insight

Choć Mars InSight jest podobny do Phoenixa, to lądowanie tamtego pojazdu miało miejsce przed dekadą. To zamierzchła przeszłość z perspektywy branży technologicznej, a dla mobilnej to wręcz eon. Dwa komputery InSight (główny i zapasowy) podobnie jak te w Phoenixie wydadzą się nam zabytkowe, ale z perspektywy technologii kosmicznych mamy tu spory postęp. Zastosowano w nich izolowany przed promieniowaniem procesor RAD 750 (architektura PowerPC) taktowany zegarem 115,5 MHz. Phoenix dysponował platformą RAD 6000 taktowaną zegarem 20 MHz. Pamięć na dane pomiarowe ma pojemność 8 GB.

Zródłem energii dla InSight są dwa charakterystyczne panele baterii słonecznych o kształcie 10-kąta (przekątna około 2,1 metra). Po wylądowaniu rozłożą się one niczym wachlarz. Dziennie wygenerują one około 3 kWh energii. Znacznie więcej niż wynosi dzienny budżet energetyczny łazika Curiosity i prawie 6 razy więcej niż byłyby w stanie wygenerować panele Opportunity. Nadmiarowa energia gromadzona jest w dwóch akumulatorach o pojemności 25 Ah.

W słoneczny dzień, w południe moc generowana przez panele słoneczne InSight to 600-700 W. Gdy pogoda się popsuje, a niebo zrobi mniej przejrzyste lądownik nadal będzie miał do dyspozycji moc 200-300 W.

InSight w laboratorium z rozłożonymi panelami baterii słonecznych

Do dziś najwięcej naszej uwagi pochłaniał start, podróż i lądowanie InSight na Marsie. Skoro mamy już te trzy etapy za sobą, pora na główną fazę misji. Badania naukowe. Zanim rozpoczną się one na dobre miną ponad dwa miesiące, przypomnijmy sobie jednak czego oczekujemy po tej misji.

Trzy kluczowe instrumenty naukowe i ich przeznaczenie

Liczba instrumentów umieszczanych w pojazdach naukowych często sięga kilkunastu. W przypadku InSight uwagę należy zwrócić przede wszystkim na 3 eksperymenty. Bardzo ważne, dlatego porażka choćby jednego z nich na pewno bardzo zasmuciłaby badaczy Czerwonej Planety.

Po raz pierwszy w historii stajemy przed szansą badań sejsmiki Marsa. Dokonamy tego za pomocą sejsmometru SEIS, który wyposażono w sześć sensorów zdolnych mierzyć ruchy powierzchni przy bardzo szerokim zakresie przemieszczeń. Częstość rejestrowanych drgań może zmieniać się od 0,0016 Hz (raz na 10 minut) do 50 Hz (50 razy na sekundę). Wspomniana precyzja pomiaru pozwala wykrywać albo bardzo słabe drgania, albo te, które mają miejsce w odległych częściach planety. Dzięki odpowiednim modelom można je odpowiednio zidentyfikować.

Komora próżniowa sejsmometru ma objętość 3 litrów. Detektor wygeneruje dziennie tylko 5 MB danych, ale będą to liczby, które moga zmienić nasze rozumienie Marsa

SEIS to ciekawy konstrukcyjnie element. Jego elektronika umieszczona na lądowniku jest połączona kablem z czujnikiem, który specjalne prawie dwumetrowej długości ramię umieści bezpośrednio na powierzchni planety. Na podstawie danych zgromadzonych przez SEIS naukowcy chcą opracować dokładny model budowy wewnętrznej Marsa. Dane sejsmiczne przydatne będą też do oceny jak często Mars jest obecnie bombardowany przez meteoryty. Tych zjawisk nie da się zobaczyć z Ziemi, a nawet z orbity Marsa, ale pozostawiają one ślad w postaci charakterystycznych drgań.

Drugi eksperyment RISE (Rotarion and Interior Structure Experiment) nie wykorzystuje dedykowanego instrumentu. W zamian posiłkuje się bezpośrednią komunikacją radiową z Ziemią by analizować zmiany w położeniu osi obrotu Marsa. Te informacje przydadzą się do badań zachowania jądra planety. Obecny stan wiedzy zakłada istnienie bardzo gęstego jądra o średnicy około 1700 km (+/- 300 km), prawdopodobnie częściowo płynnego, ale te wszystkie informacje muszą być potwierdzone.

Budowa wewnętrzna Marsa i jej porównanie ze strukturą wewnętrzną Ziemi (Earth) oraz Księżyca (Moon). Szary i ciemnobrązowy kolor to jądro (to ziemskie jest wielkości całego Marsa), pomarańczowo-brązowe odcienie to płaszcz, a szaro-fioletowym kolorem oznaczono skorupę.

Trzeci eksperyment, któremu kibicujemy najbardziej ze względu na kluczowy udział polskich instytucji naukowych, to HP3 (Heat Flow and Physical Properties Probe). Jego celem jest analiza rozchodzenia się ciepła wewnątrz planety. Z danych gromadzonych przez sensor HP3 można będzie wywnioskować jak wyglądała geologiczna przeszłość, jaka jest teraźniejszość, a także jaka będzie przyszłość planety.

Po lewej SEIS, po prawej HP3, a w głębi gruntu czujnik. Przez całą misję zebrane zostaną dane, które zmieszczą się w pliku o rozmiarze 44 MB. 

Zanim jednak czujnik zacznie pracę będzie musiał być umieszczony odpowiednio głęboko pod powierzchnią. I w tym miejscu (i czasie) swoje bardzo ważne wejście będzie miał wykonany w Polsce sprzęt.

Polskie kopanie na Marsie

By umieścić czujnik termiczny na głębokości kilku metrów zastosowano specjalny mechanizm kreta, który niczym młotek w ciągu 30 dni wykona od 5 do 20 tysięcy uderzeń. Stanowiący odpowiednik obucha w tradycyjnym młotku wolframowy element wykorzysta energię kinetyczną dostarczaną przez mechanizm sprężynowy by stopniowo zagłębiać się w powierzchni Marsa.

Testy ramienia, które opuści całą aparaturę z młotkiem na powierzchnię Marsa. Pośrodku widoczna taśma, która zapewni komunikację instrumentu z lądownikiem

Testy mają wiele faz, część z nich (szczególnie te na początku) odbywa się w warunkach mało fotogenicznych

Ten krytyczny dla powodzenia w zasadzie połowy misji element InSight zaprojektowano i wykonano w Warszawie w Centrum Badań Kosmicznych PAN we współpracy z firmą Astronika, która koordynowała współpracę z Instytutem Lotnictwa, Instytutem Spawalnictwa, Politechniką Łódzką i Politechniką Warszawską. Trzymamy kciuki i czekamy na pierwsze sprawozdania z pracy polskiego krecika. A poniżej zdjęcie, które pokazuje jak on wygląda.

Wnętrze mechanizmu kreta HP3

Kret ma rozmiary podobne do wymiarów standardowej pałki policyjnej

Geologia to nie wszystko

Grzechem byłoby nie wykorzystać wolnej przestrzeni ładunkowej na lądowniku na kilka dodatkowych urządzeń pomiarowych. Te w postaci pakietu APSS (Auxiliary Payload Sensor Subsystem) stanowią zbiór czujników lokalnego pola magnetycznego (to na Marsie ma szczególnie niepokorny charakter), ciśnienia atmosferycznego, temperatury i prędkości wiatru (te trzy ostatnie parametry mierzy aparatura taka jak ta, którą stosouje Curiosity). Pozwolą one monitorować na bieżąco warunki atmosferyczne w miejscu lądowania.

Platforma z instumentami naukowymi, zwrócona górą w dół - przy okazji widać montaż pomocny przy budowie sondy (ciekawostka: w produkcji tego typu akcesoriów specjalizuje się polski oddział koncernu Sener)

Dane z magnetometru (pierwsze tego typu urządzenie umieszczone bezpośrednio na powierzchni Marsa) uzupełnią informacje, które zbierają marsjańskie orbitery, by jeszcze lepiej zrozumieć naturę słabego niestety i szczątkowego pola magnetycznego Marsa.

Będą też zdjęcia

Na pokładzie znalazły się też dwie kamery. Jedna (tak zwana ICC czyli Instrument Context Camera) jest przytwierdzona na stałe do lądownika. Ma 120 stopniowe pole widzenia, a jej główną rolą jest  nadzorowanie pracy umieszczonych na powierzchni instrumentów. Druga z kamer (tak zwana IDC czyli Instrument Deployment Camera) umieszczona na ruchomym ramieniu z 45 stopniowym polem widzenia ma możliwość wykonywania panoramicznych zdjęć. Funkcjonalność tej kamery jest podobna do kamer nawigacyjnych stosowanych w łazikach marsjańskich. Obie kamery wyposażono w sensory CCD o rozdzielczości 1 Mpix.

Pierwsze już nie zabrudzone zdjęcie z powierzchgni Marsa. Sceptyk powie, że "większość kadru przesłaniają klamoty". Optymista zauważy "ważne, że stoi prosto".

Zdjęcia zapewne najbardziej ucieszą nas na początku misji InSight na powierzchni Marsa, ale najpierw czeka lądownik pierwsza noc w nowym miejscu. A potem co najmniej dwa lata badań.

Koszty misji - podsumowanie

Ze strony USA inwestycja w InSight to 814 milionów dolarów. W tej cenie zawierają się koszty rakiety, obsługi misji przez pierwszy rok. W MarCO z kolei NASA i JPL zainwestowały 18,5 miliona dolarów. Europejska inwestycja w projekt zamkneła się w około 180 milionach dolarów, choć do tej sumy należałoby doliczyć też mniejsze kwoty związane z mniejszymi instytucjami.

Są to znacznie niższe koszty niż w przypadku misji BepiColombo, ale jak już wyjaśniałem przy okazji tego pojazdu, jest to zrozumiałe. 

Źródło: NASA, inf. własna, Astronika (zdjęcie Kreta HP3)