Jak na Ziemię wrócą próbki skał zebrane przez Perseverance? Czy to ma sens? Co już mamy w ziemskich laboratoriach?

Łazik Perseverance, który zaczął już jeździć po Marsie, podobnie jak wcześniejsze pojazdy będzie bardzo interesował się analizą marsjańskich skał za pomocą własnych instrumentów. Poza tym, jako pierwszy w historii pojazd zbierze próbki Marsa, które kiedyś wrócą na Ziemię.

Powyższe nie oznacza jednak, że fragmentów Marsa nie mamy już w ziemskich laboratoriach. Jak to możliwe, dowiecie się z tego tekstu. A także tego jak próbki z Marsa zebrane przez Perseverance trafią na Ziemię oraz jakich innych ciał niebieskich fragmenty zostały już przywiezione z Kosmosu.

Kawałek kosmicznej skały w laboratorium na Ziemi

Najpierw jednak ciekawostka.

Fragmenty pozaziemskich skał można znaleźć, na… spacerze

Naturalne próbki odległych ciał niebieskich znajdowane na Ziemi to meteoryty, które potocznie nazywamy „spadającymi gwiazdami”. Taki kosmiczny kamień można znaleźć na spacerze, choć łatwiej to powiedzieć niż zrobić. Poszukiwacze meteorytów muszą wiedzieć jak odróżnić to co pochodzi spoza naszego świata od zwykłych kamieni jak, ale też mieć niesamowite szczęście, by znaleźć się w odpowiednim miejscu w odpowiednim czasie. 

Pakowanie znalezionego meteorytu do torby

Najczęściej meteoryty to fragmenty komet, asteroid, ale ich źródłem może być też Mars. Wystarczy by kiedyś w przeszłości, fragment marsjańskiej skały w wyniku uderzenia innego ciała w Marsa został wyrzucony poza obręb dominującej grawitacji tej planety. Potem przez miliony, a może i miliardy lat może on obiegać Słońce, aż w końcu trafi „przypadkiem” na Ziemię.

Meteoryt z Marsa o numerze ALH84001 znaleziony przez poszukiwaczy z zespołu ANSMET na Antarktydzie

O tym, że są to meteoryty z Marsa wiemy dzięki analizie porównawczej składu, zawartości izotopów w takich meteorytach, z danymi zebranymi przez orbitery i łaziki na Marsie. Dlatego możliwe jest, że wiele marsjańskich kamieni nie doczekało się jeszcze identyfikacji, bo w ogóle nie zostały rozpoznane jako meteoryty, albo nie wykonano dokładnych testów.

Skały z Kosmosu lepiej przywozić niż czekać, aż same przylecą

Meteoryty mają pewną wadę. Już sam fakt, że trafiły na Ziemię i nie były zabezpieczone przed wpływem jej środowiska, wpłynął na ich „zanieczyszczenie”. Poza tym, trudno je dopasować do miejsca skąd pochodzą.

Dlatego najlepiej, gdy badamy próbki atmosfery, gruntu, pyłu, które są dostarczone w maksymalnie sterylnych warunkach do sterylnych laboratoriów na Ziemi. Próbki, których pochodzenie jak i czas zebrania można dokładnie określić.

Niezrealizowane plany przywiezienia fragmentów Marsa na Ziemię

Łazik Perseverance jako część projektu Mars Sample Return (MSR), to pierwszy raz, gdy plan przywiezienia próbek z Marsa lub jego księżyców wyszedł poza fazę koncepcyjną i osiągnął etap realizacji.

Fobos i Deimos, zdjęcia wykonane przez sondę Mars Recoinassance Orbiter w 2008 i 2009 roku

Wcześniej, w XXI wieku, sugerowano przywiezienie próbek w ramach misji Hall, Alladin, dotyczących Fobosa i Deimosa. Ze względu na znikomą grawitację lądowanie i start z tych księżyców Marsa nie wymagałby znaczących nakładów energetycznych. NASA interesowała się także projektem Red Dragon, czyli zarzuconą w 2017 roku koncepcją bezzałogowej misji SpaceX z wykorzystaniem pojazdów Dragon 2. Rozpatrywano ewentualne rozszerzenie misji na projekt przywiezienia skał marsjańskich na Ziemię.

Perseverance oprócz pojemników na próbki zabrał na Marsa „świadków”

Perseverance jest pierwszym autonomicznym pojazdem, który zbierze próbki skał z powierzchni Marsa, przygotuje je zamykając w specjalnych tubach (kształtem przypominają latarki marki Maglite) i odłoży na później w wybranych lokalizacjach na jego trasie. Pojemniki są wykonane głównie z tytanu, ważą 57 gramów każdy i pomieszczą kilkanaście gramów próbek z Marsa.

Pojemnik numer 241 - test "czystości"

Warto zwrócić tu uwagę, że wśród tub przygotowanych na próbki jest też 5 tub nazwanych świadkami. Umieszczono w nich materiały, które są w stanie przechwycić zanieczyszczenia w postaci gazu, śladów działania systemu napędowego podczas lądowania łazika i ewentualne związki, które mimo ogromnej ostrożności trafiły z Ziemi na Marsa. Te tuby będą również dostarczone na Ziemię, a dzięki zgromadzonej w nich zawartości, analizujący próbki będą mieli punkt odniesienia i możliwość oceny czy próbki miały szansę być zanieczyszczone ziemskimi substancjami w trakcie pobierania.

Ramię robotyczne w Perseverance ma 2,1 metra długości

Sam mechanizm, który ma dokonać pobrania próbek i ich przechowania, najpierw na pokładzie łazika, jest wyrafinowaną konstrukcją. Operatorzy Perseverance maja do dyspozycji różnego rodzaju wiertła, tak by dostosować się do napotkanej powierzchni. W przeciwieństwie do kreta w misji InSight, łazik dysponuje znacznie większym rezerwuarem energii i bardziej wyspecjalizowaną aparaturą (w postaci ramienia robotycznego), by radzić sobie z nieoczekiwanymi kolejami losu.

Mechanizm do przechowywania próbek we wnętrzu Perseverance

Miejsce zrzutu próbek przez Perseverance musi być dokładnie udokumentowane

Pozostawienie zebranych tub z próbkami musi nastąpić w miejscu, które będzie łatwe do odnalezienia w przyszłości. W końcu może zdarzyć się tak, że w trakcie marsjańskiej burzy pyłowej zostaną one pokryte pyłem i piaskiem co utrudni ich wizualne wykrycie.

Dlatego operatorzy misji wybierając takie miejsce zadbają, by lokalizacja była dokładnie określona za pomocą obserwacji z orbity, które pozwalają określić współrzędne na powierzchni, a także by w okolicy znajdowały się punkty kontrolne w postaci charakterystycznych skał.

Żeby odkryć i przygotować próbki do powrotu na Ziemię potrzebne będą… łaziki

Brzmi to zaskakująco, ale trudno przecież oczekiwać, by bezzałogowy pojazd, który poleci na Marsa odebrać próbki, wylądował dokładnie w miejscu ich składowania, ewentualnie w zasięgu robotycznych ramion lądownika.

Dlatego taki lądownik, który wyposażony będzie w pojazd powrotny, będzie miał ze sobą też łazik (o rozmiarach porównywalnych z łazikiem Opportunity). Bez aparatury badawczej, ale to bardzo mobilną. Taki łazik odkryje miejsce składowania próbek, przywiezie je z powrotem do lądownika, a potem…

…dużo zależy od tego co wymyślą inżynierowie Northrop Grumman Systems Corporation of Elkton. Ta firma bowiem otrzymała od NASA kontrakt na opracowanie systemu napędowego dla dwustopnionych pojazdów (tzw. MAV czyli Mars Ascent Vehicle), które zabiorą próbki z powierzchni Marsa.

Start z Marsa to krytyczny element misji MSR

Pierwszym etapem misji MSR będzie pokonanie grawitacji Marsa. Ponieważ jest ona sporo słabsza od Ziemskiej, skonstruowanie odpowiednio wydajnego napędu nie wydaje się problemem. Z drugiej strony, próbki zabrane będą przez niewielkie pojazdy, nie tak duże jak MAV z filmu Marsjanin, a to tworzy spore wyzwanie.

Lądownik i łaziki powstają we współpracy NASA i ESA, podobnie jak orbiter, który przejmie wyniesione na orbitę Marsa próbki i zabierze je w podróż powrotną na Ziemię.

Przywożenie kamieni z Marsa. Czy to w ogóle ma sens?

Część misji MSR związana z powrotem na Ziemię dopiero zaczęła nabierać realnych kształtów. Część związana ze zbieraniem próbek może być realizowana niezależnie i dlatego tego zadania podjął się łazik Perseverance.

W tym wszystkim zastanawiająca jest rozpiska czasowa przedsięwzięcia. Start potrzebnych pojazdów, w tym orbitera, który powróci na Ziemię, i lądownika z łazikiem, który odnajdzie próbki, przewidziany jest w ciągu 5 lat. Na zakończenie misji poczekać musielibyśmy kolejne 5 lat, a to oznacza, że próbki na Ziemię wróciłyby około 2031 roku.

Projekt kapsuły, w której próbki będą przewiezione z Marsa na Ziemię

Biorąc pod uwagę czas trwania projektów eksploracji planet, dekada to nie jest tak długo, ale gdyby przyjrzeć się ambicjom człowieka dotyczącym załogowego lotu na Czerwoną Planetę, robi się niepokojąco ciasno w czasie. Planujemy bowiem, niezależnie od tego czy będzie to samo NASA, samo SpaceX, czy też inna agencja kosmiczna jak CNSA (Chińska Narodowa Agencja Kosmiczna), wysłać ludzi na Marsa do końca przyszłej dekady, czyli przed 2040 rokiem.

Owszem wciąż dostalibyśmy próbki znacznie wcześniej niż polecą astronauci, ale o ile więcej skał do analizy znajdą eksploratorzy Marsa na samej planecie. Z drugiej strony oznacza to, że już pierwsza ekspedycja powinna zabrać ze sobą odpowiednią aparaturę do prowadzenia eksperymentów bardziej zaawansowanych niż to co jest w stanie zrobić łazik Perseverance. Teoretycznie, bo wracając na Ziemię pierwsza marsjańska ekipa zabrałaby ze sobą znacznie więcej próbek niż przewiduje projekt Mars Sample Return. O ile pierwsi Marsjanie z Ziemi będą szybko wracać do domu i czy w ogóle tak postapią, a to z kolei jest jeszcze przedmiotem dyskusji.

Na fragmenty Marsa poczekamy, za to przywieźliśmy już sporo skał z Księżyca

XX-wieczny program Apollo można oceniać z różnych perspektyw. Jako ogromne przedsięwzięcie machiny propagandowej, zimnowojenny sukces naukowy, dowód na to, że człowiek potrafi opuścić Ziemię i polecieć na inny obiekt w Układzie Słonecznym, a także jako ze wszech miar udany plan przywiezienia próbek księżycowych skał.

Pojemnik ze skałami przywiezionymi przez astronautów z misji Apollo 11

W trakcie sześciu misji Apollo, od 11 do 17 (pamiętajmy że Apollo 13 nie wylądował na Księżycu), zebrano 382 kilogramy próbek. Najbardziej owocna pod tym względem była ostatnia z misji, która zgromadziła 741 próbek o łącznej wadze 111 kilogramów. Te próbki to zarówno odwierty z głębokości około 3 metrów, jak i pojedyncze fragmenty skał znalezione i odłupane na powierzchni Księżyca. Wkład misji Apollo 17 nie dziwi, wszak była to pierwsza załoga, która zabrała ze sobą nie tylko naprędce wyszkolonych w rozpoznawaniu skał astronautów, ale też doświadczonego geologa, Harrisona Schmitta.

Gene Cernan z misji Apollo 17 pobiera próbki gruntu księżycowego

Wiele z tych próbek zbadano od razu, niektóre z nich dopiero niedawno otworzono, a około 70 wystawionych jest publicznie na całym świecie. W Polsce fragmenty Księżyca, z misji Apollo 11, znajdują się w Olsztyńskim Planetarium Astronomicznym. Pewnie są też takie próbki, których nie zaliczono do ogólnej statystyki, bo zawieruszyły się gdzie indziej. Niektórym przypisuje się z kolei księżycowe pochodzenie, choć nie ma na to wystarczających dowodów.

Waga wszystkich Marsjańskich próbek zebranych w ramach programu MSR będzie znikoma w porównaniu nawet z pierwszą dostawą z Ksieżyca. Astronauci Apollo 11 przywieźli około 22 kilogramów próbek. Trzeba jednak pamiętać, że lot z Marsa potrwa znacznie dłużej niż lot z Księżyca, a przez ten cały czas próbka musi być doskonale zabezpieczona. Poza tym statek transportowy będzie miał znacznie mniejszą ładowność niż moduły księżycowe.

Rosjanie też przywieźli sobie trochę Księżyca, ale niecałe pół kilograma

Lata 70. XX wieku to czas gdy rywalizacja pomiędzy Związkiem Radzieckim a USA była szczególnie zacięta. W pierwszej połowie tego dziesięciolecia Rosjanie mieli jeszcze mikrą nadzieję, że również kosmonauci polecą na Księżyc. To jednak się nie udało, za to trzy sondy Luna zebrały w sumie 301 gramów próbek. Pierwsza z nich Luna 16 była trzecią misją po Apollo 11 i Apollo 12, która zaowocowała próbkami z Księżyca.

Kapsuła powrotna z próbkami zebranymi przez sondę Luna 16

Chiny w 2020 sprowadziły ponad 1,5 kilograma Księżyca na Ziemię

Kolejnym krajem, który ma własne próbki z Księżyca stały się Chiny, gdy w ubiegłym roku sonda Change 5 powróciła na Ziemię przywożąc 1731 gramów księżycowych skał i pyłu. Kolejne misje, w tym Change 6, która jest kopią zapasową Change 5, również mają w planach przywiezienie próbek skał księżycowych. Oczywiście ze względu na inne miejsce lądowania poznamy bliżej inną część naszego naturalnego satelity i jego historii.

Na księżycowych skałach nie kończy się lista próbek materii spoza Ziemi, które spoczywają w laboratoriach. Sięgaliśmy też w stronę Słońca i w kierunku pasa asteroid.

Próbki wiatru słonecznego i pyłu międzygwiezdnego

Choć brzmi to co najmniej zaskakująco, to była taka misja, nazwana Genesis, której celem było zebranie próbek wiatru słonecznego. Próbki powstawały poprzez wtopienie w specjalny materiał podkładowy (wykonany między innymi z krzemu, złota czy diamentu) wspomnianych cząstek materii tworzących wspomniany wiatr.

Sonda nie poleciała jednak do samego Słońca, bo wtedy problemem stałby się nie tylko powrót, ale nawet samo zbieranie próbek w ekstremalnych warunkach. Dlatego sonda Genesis odleciała niezbyt daleko, bo około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, by krążąc wokół tak zwanego punktu L1 zbierać wiatr.

Zasobnik z próbkami Genesis powrócił na Ziemię w 2004 roku. Nie do końca tak jak to planowano, gdyż przechwycenie w trakcie swobodnego opadania się nie powiodło, a kontener rozbił się na pustyni. Większość próbek utracono, tylko część nadawała się do analizy.

Kolektor aerożelowy z misji Stardust

Druga z misji, o nazwie Stardust, przeleciała w 2004 roku w pobliży komety 81P/Wild. Zainstalowany na pokładzie kolektor zbudowany z aerożelowych komórek wychwycił pył kometarny. Jak się później okazało, w trakcie lotu zebrał także pył międzygwiazdowy. W 2006 roku sonda Stardust minęła Ziemię i zrzuciła kapsułę z próbkami, która została udanie odzyskana.

Fragmenty asteroid także trafiły na Ziemię

Na razie na Ziemię powróciły tylko próbki zebrane pojazdy wysłane w ramach japońskich misji Hayabusa i Hayabusa2. Pierwsza misja zakończyła się w 2010 roku, zasobnik z próbkami z drugiej wylądował na Ziemi niedawno w grudniu 2020 roku. W próbce pobranej w 2005 roku z powierzchni asteroidy 25143 Itokawa, naukowcy niedawno odkryli wodę i związki organiczne.

Wizualizacja sondy Hayabusa2 z wysięgnikiem do pobierania próbek i aktywnym napędem jonowym (fot: DLR, CC BY 2.0)

Pobieranie próbek w misji Hayabusa2, z asteroidy Ryugu, zrealizowano dwuetapowo. Najpierw gdy sonda zbliżyła się do powierzchni asteroidy, w kierunku jej powierzchni wystrzelono pocisk, który sprawił, że materia tworząca powierzchnię asteroidy wzbiła się w górę i została wciągnięta przez tubę dołączoną do orbitera. Drugi etap, trudniejszy, wiązał się z utworzeniem niewielkiego krateru na powierzchni asteroidy, a potem lądowaniem sondy, by pobrać próbkę spod powierzchni.

Trzecią misją, którą realizuje NASA, jest OSIRIS-REx. Etap związany z pobraniem próbek z asteroidy 101955 Bennu zakończony został sukcesem w październiku ubiegłego roku. W maju 2021 sonda ruszy w podróż na Ziemię, niosąc w swoim wnętrzu od 60 do 2000 gramów skał pobranych z Bennu. Dokładnej masy próbki nie znamy, gdyż zrezygnowano z manewrów pozwalających na jej oszacowanie.

Wizualizacja sondy ORIRIS-REx na powierzchnią Bennu

Sonda do pobrania próbek przygotowywała się przez wiele miesięcy pobytu na orbicie Bennu. Stopniowo zbliżała się do powierzchni asteroidy, aż w końcu, nie lądując na niej, wbiła próbnik w powierzchnię, by pobrać próbki. Powrót zawierającej je kapsuły na Ziemię planowany jest na wrzesień 2023 roku.

Zdjęcie miejsca, skąd pobrano próbki asteroidy Bennu

Nie wszystkie próbki są badane, część zostaje zachowana na przyszłość

Cechą nauki jest jej nieustanny postęp. Oznacza to, że to co dziś jesteśmy w stanie wywnioskować na podstawie obserwacji, czy też analiz składu skał, może być niczym w porównaniu z tym co da się dowiedzieć w przyszłości. Dlatego nie wszystkie próbki są od razu otwierane i analizowane.

Tuba z próbką spod powierzchni Księżyca. Zdjęcia wnętrza. Na dole rentgen wykonany w 1974 roku, na górze fotografia z 2019 roku w technice mikrotomografi rentgenowskiej

Część zachowuje się na później, tak jak to co przywieziono z Księżyca i otwarto po 40 latach, by wyposażeni w lepsze instrumenty badawcze naukowcy z przyszłości, zrobili z nich lepszy użytek. W końcu, aż tak nam się nie śpieszy.

Źródło: inf. własna, NASA, ESA, JAXA, Roskosmos

Czytaj więcej na temat Eksploracji Kosmosu:

• Czym różni się para astronauta od astronauty? ESA szuka kandydatów
• SpaceX „pomoże” NASA w dowożeniu ludzi na Księżyc. Jak?
• Łazik Perseverance już nadaje z Marsa - kto na Ziemi odbiera te dane i w jaki sposób?