Stosunkowo niedawno na stronie pojawił się skrótowy artykuł opisujący planowaną misję badawczą ExoMars, teraz zaś przedstawiamy szersze jej omówienie.

Tłumaczenie i opracowanie: Karolina Okulska
Dodatkowa redakcja: Joanna Jodłowska

 
Program ExoMars ma na celu zbadanie środowiska biologicznego Marsa. Odbędzie się on w ramach przygotowań do przyszłych bezzałogowych, jak i załogowych misji badawczych. Informacje, których dostarczą przeprowadzone badania, odegrają również ogromną rolę  w procesie poszukiwania życia na innych planetach. ExoMars przewiduje zastosowanie orbitera, demonstratora lądowania oraz łazika. Program przeprowadzony zostanie dzięki współpracy ESA i NASA.

Orbiter i demonstrator lądowania

Pierwszą misją, która odbędzie się w ramach programu ExoMars, będzie wspólny lot orbitera i demonstratora lądowania (EDM). Misja ta planowana jest na rok 2016, a jej głównym celem będzie stwierdzenie obecności metanu i innych gazów śladowych w marsjańskiej atmosferze oraz przetestowanie kluczowych rozwiązań technologicznych, które zostaną potem wykorzystane przez ESA podczas międzynarodowej misji w roku 2020 .

Orbiter i EDM zostaną wyniesione na orbitę przez rakietę Atlas V 421, a następnie razem polecą na Marsa. Lot po trajektorii bezpośredniej pozwoli na skrócenie dryfu do około 9 miesięcy. Po przybyciu na orbitę Marsa, EDM zostanie wystrzelony ku powierzchni i podąży torem hiperbolicznym w stronę Czerwonej Planety. Po kilku dniach, na orbitę wejdzie orbiter. Wykonawszy serię manewrów, m.in. hamowanie w atmosferze, ulokuje się on na orbicie na wysokości 400 km i będzie gotowy do przeprowadzenia swej misji badawczej.

Orbiter i demonstrator lądowania

Pierwszą misją, która odbędzie się w ramach programu ExoMars, będzie wspólny lot orbitera i demonstratora lądowania (EDM). Misja ta planowana jest na rok 2016, a jej głównym celem będzie stwierdzenie obecności metanu i innych gazów śladowych w marsjańskiej atmosferze oraz przetestowanie kluczowych rozwiązań technologicznych, które zostaną potem wykorzystane przez ESA podczas międzynarodowej misji w roku 2020 .
 
Orbiter i EDM zostaną wyniesione na orbitę przez rakietę Atlas V 421, a następnie razem polecą na Marsa. Lot po trajektorii bezpośredniej pozwoli na skrócenie dryfu do około 9 miesięcy. Po przybyciu na orbitę Marsa, EDM zostanie wystrzelony ku powierzchni i podąży torem hiperbolicznym w stronę Czerwonej Planety. Po kilku dniach, na orbitę wejdzie orbiter. Wykonawszy serię manewrów, m.in. hamowanie w atmosferze, ulokuje się on na orbicie na wysokości 400 km i będzie gotowy do przeprowadzenia swej misji badawczej.

Orbiter: poszukiwanie gazów śladowych w marsjańskiej atmosferze

Misja orbitera, którą kieruje ESA, ma na celu zbadanie atmosfery planety. Oznacza to przede wszystkim poszukiwanie gazów śladowych, na przykład metanu czy produktów jego rozpadu, które mogą okazać się niezwykle ważne ze względów biologicznych. Narzędzia (europejskie i amerykańskie), w które wyposażony będzie orbiter, pozwolą przeprowadzić różnorodne badania, np.:
  • Niezwykle dokładne pomiary gazów śladowych, dzięki którym stanie się możliwe ustalenie składu atmosfery Czerwonej Planety. Orbiter może też dostarczyć ważnych wskazówek o pochodzeniu gazów, np. czy źródło gazów jest wulkaniczne czy biogeniczne.
  • Pomiary i wykonywanie niskiej rozdzielczości obrazów aerozoli w atmosferze, badania nad zmianami temperatury oraz tworzenie map występowania gazów innych niż metan.
  • Wykonywanie wysokiej rozdzielczości obrazów gazów dla ustalenia cech geologicznych źródła (jeżeli dotyczy).

Funkcje orbitera

Przeprowadzanie badań naukowych będzie głównym celem orbitera, aż do przybycia dwóch łazików, w 2018 roku. Wówczas to rozpocznie się druga misja programu ExoMars. Na tym etapie orbiter stanie się kluczowym narzędziem komunikacji z łazikami na Marsie, bedzie on pełnił funkcję przekaźnika danych: jego zadaniem będzie wysyłanie poleceń oraz przesyłanie danych na Ziemię za pomocą sieci ESA.

Demonstrator lądowania (EDM): testowanie technologii

Dzięki EDM Europa rozwinie technologię lądowania na Marsie opartą na kontrolowaniu orientacji oraz prędkości lądowania. EDM został zaprojektowany tak, aby w jak największym stopniu wykorzystać rozwiązania, które są już rozwijane w ramach programu ExoMars, jak na przykład: specjalne tworzywo, które chroni przed anormalnymi temperaturami, system spadochronowy, system wysokościomierzy radarowych (wykorzystujących efekt Dopplera), oraz system hamowania końcowego o napędzie na ciekłe paliwo.

Po wejściu w atmosferę Marsa, moduł otworzy spadochron i wyląduje, używając do tego zamkniętego systemu naprowadzania, nawigacji i sterowania (GNC) opartego na radarowym  (dopplerowskim) czujniku wysokości oraz pokładowych zespołów przyrządów do pomiaru bezwładności (IMU). IMU będą sterować systemem napędowym – silniki sterujące będą mogły być włączane i wyłączane wedle potrzeby, dzięki czemu osiągalne będzie na wpół miękkie lądowanie.

Przypuszcza się, że EDM przetrwa na powierzchni Marsa przez około 8 dni marsjańskich, korzystając z nadwyżek energii wyprodukowanych przez baterie. Możliwości przeprowadzania badań naukowych przez EDM są ograniczone ze względu na ilość energii, a także miejsce oraz narzędzia wewnątrz demonstratora. Mimo to EDM będzie wyposażony w komplet czujników, które pozwolą na niewielkie badania powierzchni planety.

Utrzymywanie kontaktu z dala od domu

Podczas startu i lotu, ESA będzie kierowała orbitem i EDMem poprzez sieć komunikacji kosmicznej Europejskiego Centrum Operacji Kosmicznych.

Po odłączeniu, orbiter podejmie próbę monitorowania transmisji danych z EDM (nadawanych na falach UHF) podczas wejścia semonstratora na orbitę, opadania i lądowania na powierzchni planety. Dodatkowo również inne orbitery, kierowane przez NASA lub ESA, będą wykonywały to zadanie, aby zagwarantować przekazanie danych. Co więcej naziemny system komunikacji będzie także odbierał sygnał w fazie wchodzenia ładunku na orbitę, opadania i lądowania na powierzchni Marsa.

Orbiter pozostanie pod kontrolą ESA na wszystkich etapach misji: podczas wprowadzania na orbitę planety i pobytu na niej, hamowania w atmosferze, przeprowadzania badań naukowych, a także transmisji danych.  Planowanie misji oraz podejmowanie działań związanych z pomocą techniczną (NP. planowanie badań naukowych oraz przekazywanie poleceń orbiterowi) odbywać się będzie we współpracy z NASA.

ESA będzie monitorowała wszystkie działania EDM podczas tych ośmiu dni marsjańskich, kiedy będzie on operował samodzielnie na powierzchni Marsa.

Łazik na Marsie w 2018 roku

Łazik ma zasadnicze znaczenie dla misji ExoMars, ze względu na zdolność poruszania się po powierzchni planety, przeprowadzania podpowierzchniowego wiercenia, a także automatycznego pobierania próbek gruntu oraz przygotowywania ich do analizy. Będzie wyposażony w komplet narzędzi przeznaczonych do przeprowadzania badań egzobiologicznych i geochemicznych (moduł Pasteur). Dzięki wbudowanym ogniwom słonecznym jbędzie w stanie wytwarzać niezbędną energię elektryczną, a nowatorskie baterie i jednostki grzewcze umożliwią mu przetrwanie zimnych marsjańskich nocy.

Ze względu na ograniczoną możliwość komunikacji z łazikiem (jedna lub dwie sesje na dzień marsjański), jest on niezwykle samodzielny. Naukowcy na Ziemi będą określać miejsca docelowe na podstawie skompresowanych trójwymiarowych zdjęć zrobionych przez aparat umieszczony na antenie łazika. Ustali on wówczas odpowiednie rozwiązania nawigacyjne i przemierzy mniej więcej 100 metrów na dzień. W celu wyznaczenia stosownej trasy, wykorzysta trójwymiarowe kamery nawigacyjne i komputery, dzięki którym tworzyć będzie cyfrowe mapy terenu. Dla zapewnienia bezpieczeństwa, wykorzystane zostaną kamery przeznaczone specjalnie do unikania zderzeń.

Łazik poruszał się będzie na sześciu kołach. Każda para kół zamocowana będzie na niezależnie obracającej się belce wahliwej, napęd jest natomiast przekazywany dzięki przegubowej konstrukcji zawieszenia. Każdym kołem można oddzielnie sterować i każde może się obracać niezależnie od innych, dzięki czemu możliwe jest dostosowanie wysokości pojazdu oraz jego kąta nachylenia do powierzchni, po której się porusza. Umożliwia to swego rodzaju „chodzenie”, szczególnie przydatne podczas poruszania się po miękkim i mało spójnym podłożu , na przykład po wydmach.  Co więcej, zastosowanie inklinometrów i żyroskopów pozwoli na zachowanie stabilności oraz umożliwi większą kontrolę poruszania się. Dodatkowo, zastosowanie czujników słonecznych pozwoli na określenie bezwzględnej orientacji łazika podczas poruszania się po powierzchni Marsa i na ustalenie jego położenia względem Ziemi.

Zdjęcia wykonane podczas podróży, a także dane zgromadzone przez radar badający powierzchnię, pozwolą naukowcom na Ziemi wyznaczyć odpowiednie miejsce wiercenia. Następnie, narzędzie przeznaczone do pobierania próbek samodzielnie wykona odwiert na wymaganą głębokość (maksymalnie 2m). Narzędzie dokona też badania minerałów znajdujących się na ścianach otworu wiertniczego i pobierze niewielką próbkę gruntu, która zostanie przekazana do analizy w laboratorium wewnątrz pojazdu – laboratorium wyposażone będzie w cztery rodzaje narzędzi i kilka mechanizmów wspierających. Próbka zostanie starta na drobny proszek, który zostanie dogłębnie przeanalizowany pod względem właściwości chemicznych, fizycznych i widmowych.

Dane naukowe zostaną skompresowane i przesłane na Ziemię przy użyciu satelity retransmitującego. Z łazikiem będzie się on porozumiewać na falach UHF i będzie w stanie przetransmitować dziennie ok.  100 Mbit danych.

Misja Mars Sample Return

Fascynujący ludzi od wieków Mars pozostaje głównym celem bezzałogowej międzynarodowej misji badawczej. Istnieje ku temu kilka powodów:
  • W Układzie Słonecznym to Mars jest planetą najbardziej podobną  do Ziemi. Z jego geologii wynika, że po powierzchni płynęła niegdyś woda. Na Ziemi woda oznacza życie, nasuwa się zatem oczywiste pytanie: czy istnieje lub kiedykolwiek istniało ono na Marsie?
  • Dotychczas Czerwona Planeta okazała się najbardziej przystępną do przeprowadzania badań wskazujących czy życie istnieje lub kiedykolwiek istniało gdzie indziej we wszechświecie. Możemy zatem szukać odpowiedzi na pytania o ewolucję życia poprzez wysłanie na Marsa serii coraz bardziej złożonych technologicznie misji badawczych.
  • Mars jest dla nas potencjalnym etapem pośrednim w zakresie odkrywania kosmosu.

Misja Sample Return kluczem do zrozumienia Czerwonej Planety

Sprowadzanie próbek gruntu marsjańskiego na Ziemię, mimo że jest wielkim wyzwaniem ze względów technologicznych, jest również niezbędnym krokiem dla formułowania odpowiedzi na niezwykle ważne pytania naukowe. Odpowiedzi tych nie otrzymamy przeprowadzając wyłącznie misje in situ, dlatego też tak istotne jest przeprowadzenie badań w laboratoriach na Ziemi.

Misja Mars Sample Return jest kamieniem milowym w badaniu Układu Słonecznego, a w szczególności Marsa jako środowiska, które nadaje się potencjalnie do zamieszkania. Niektóre z istotnych czynników wpływających na opracowanie tego typu misji to: miejsce lądowania, wielkość próbek oraz ich pobieranie i zabezpieczanie.

W celu przeprowadzenia tej pionierskiej misji zastosowanych zostanie kilka nowych rozwiązań technologicznych: system wspomagający lądowanie, sprzęt do powrotnego wynoszenia na orbitę, system pozwalający na spotkanie ze statkiem głównym na orbicie Marsa oraz statek lub kapsuła do ponownego wejścia w atmosferę ziemską. Technologie te będą rozwijane w ramach programu Mars Robotic Exploration Programme.

Ze względu na znaczenie oraz złożoność misji Mars Sample Return, niezbędna jest współpraca na skalę międzynarodową. Szczególnie blisko powinny ze sobą współpracować ESA i NASA, jednak ważny będzie także udział innych agencji kosmicznych.

Bezpieczeństwo nasze i naszych sąsiadów

Konieczne będzie zachowanie środków ostrożności dla ochrony próbek marsjańskich przed skażeniem przez organizmy ziemskie, a jednocześnie Ziemi przed skażeniem pochodzącym z Marsa. Misja ta musi sprostać wyższym wymaganiom w zakresie ochrony planetarnej niż wszystkie dotychczasowe przedsięwzięcia.

Tekst przetłumaczony i opublikowany za zgodą Europejskiej Agencji Kosmicznej
Źródłem były artykuły http://exploration.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=46124 i http://exploration.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=45084 oraz http://exploration.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=44995 a także, http://www.esa.int/esaMI/Aurora/SEM1NVZKQAD_0.html z lat 2007-2010 roku, do których prawa autorskie ma Europejska Agencja Kosmiczna.

ESA nie ponosi odpowiedzialności za poprawność informacji i treść wypowiedzi przedstawicieli w tej wersji tekstu. Tekst nie jest przeznaczony do sprzedaży i może być rozpowszechniany tylko dla celów informacyjnych.
--------
Translated and published with permission of the European Space Agency.
Translated from the original ESA articles http://exploration.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=46124 and http://exploration.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=45084 plus http://exploration.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=44995 as well as
http://www.esa.int/esaMI/Aurora/SEM1NVZKQAD_0.html from 2007-2010, copyright ESA.

The European Space Agency accepts no responsibility or liability whatsoever with regard to the information or statements made in this version.
Not for sale; distribution for information purposes only
.