Czy Czerwona Planeta może wytwarzać warunki sprzyjające powstaniu życia?

Wkrótce się tego dowiemy, gdyż lądownik Phoenix Mars przez najbliższych kilka miesięcy będzie przeprowadzał eksperymenty naukowe

Pięćdziesiąt lat temu Orson Welles wzbudził przerażenie wśród milionów Amerykanów, kiedy przed obchodami Halloween, podczas jednej z transmisji radiowych, upozorował inwazję Marsjan. Możliwe, że podczas kolejnych kilku miesięcy faktycznie dowiemy się, czy Mars mógłby wytwarzać warunki sprzyjające powstaniu życia, w naszym ludzkim tego słowa znaczeniu. Zgodnie z harmonogramem, w maju wylądowało na Marsie laboratorium naukowe, które rozpocznie pierwszą dogłębną eksplorację potencjalnego istnienia form życia na Czerwonej Planecie.

Misja Phoenix Mars prowadzona jest przez Uniwersytet Arizony w ramach kontraktu NASA pod przewodnictwem głównego naukowca Peter’a Smith’a, który pracował nad kilkoma projektami NASA w Uniwersyteckim Laboratorium Księżycowo-Planetarnym.

Celem misji jest podjęcie kolejnych działań związanych z odkryciem lodu na północnym biegunie Marsa dokonanym przez sztucznego satelitę Odyssey. Faktycznie, na Marsie jest sporo lodu – według zapisów pokładowego spektometra neutronowego jest go wystarczająco tyle, by dwa razy wypełnić całe jezioro Michigan.

Jeśli dotrzesz do miejsca, w którym znajduje się lód, zastanawiasz się, czy klimat ten mógłby zmienić się na tyle, aby umożliwić jego topnienie – twierdzi Smith. Woda, gleba i światło słoneczne nie są jedynymi czynnikami niezbędnymi do stworzenia takich warunków, które umożliwiałyby powstanie życia.

Kluczowe zadania Misji Lądownika Phoenix Mars to dostarczenie odpowiedzi na następujące pytania:

• Czy Marsjańska Arktyka może stworzyć warunki sprzyjające powstaniu życia?
• Jaka jest historia wody w miejscu lądowania?
• Jak dynamika strefy biegunowej wpłynęła na klimat panujący na Marsie?

Do wkopywania się w podłoże Marsa Lądownik wykorzystuje zautomatyzowaną koparkę. Obrazy pochodzące z kamery umieszczonej na końcu koparki przesyłane są zwrotnie do naukowców stacjonujących na Ziemi w celu określenia miejsca, w którym należy kopać.

Ufamy we własne siły, jeśli chodzi o przebijanie się przez twardo zbity grunt – stwierdza Smith. Zautomatyzowane ramię jest bardzo mocne. Jeśli zaparłbyś się nogami z całych sił, podtrzymał się tego ramienia i próbował powstrzymać jego ruch, szarpnęłaby cię ona i pociągnęła ze sobą. Inżynierowie współpracujący w ramach misji twierdzą, że koparka ta poradziłaby sobie nawet z lodem, który miałby konsystencję granitu. Zamontowaliśmy narzędzie z napędem mechanicznym na końcu ramienia, który w rzeczywistości pełni funkcję tarnika, obraca się i wyrzuca kawałki lodu wewnątrz tylnej części łyżki koparki, a my możemy dostarczyć je do naszych przyrządów. Jesteśmy zatem pewni, że zdobędziemy próbkę nawet najtwardszych materiałów – dodaje Smith. Umiejscowienie statku kosmicznego na jednej z chłodniejszych części Marsa jest faktycznie czymś, co działa stresogennie na naszą ekipę inżynierską, dlatego też musieliśmy zaproponować dobrze izolowany kontener, który może pomieścić całą elektronikę działającą tylko i wyłącznie do pewnej granicy temperaturowej, a następnie zastosowaliśmy elementy grzejne w celu zapewnienia odpowiedniej dla jej funkcjonowania temperatury.

Temperatury w strefie polarnej Marsa, analogiczne do tych panujących w północnej części Alaski, sięgają od -140° do -60° C w atmosferze, która jest nadzwyczaj sucha. W celu określenia zdatności materiałów w tych warunkach wymagane jest przeprowadzenie specjalnych badań. Plusem jest to, że badania te muszą określić zdatność dla kilku zastosowań, a nie dla wielu tysięcy cykli.

Sercem misji są eksperymenty naukowe, które będą przeprowadzone. Analizator gazów uwalniających się z podgrzewanych próbek gruntu (Thermal and Evolved Gas Analyzer – TEGA) jest połączeniem ośmiu małych piecyków wysokotemperaturowych sprzężonych ze spektrometrem masowym. Zawartość jest analizowana po ich wypaleniu. Piecyki te są wielkości wkładu do pióra. Kalorymetria skaningowa pokazuje przejście podłoża zebranego z Marsa ze stanu stałego do ciekłego i gazowego. Naukowcy mają możliwość zmierzenia ilości wydzielającej się pary wodnej i gazów dwutlenku węgla, jak i obecnej ilości lodu wodnego. Najbardziej interesującą jest kwestia, co by było, zgodnie z podsumowaniem Smith’a, gdyby przeszłość była trochę cieplejsza i bardziej wilgotna? Jakie minerały mogłyby były wykształcić się w owym czasie? Jeśli uwolnią się jakiekolwiek organiczne substancje lotne, zostaną one poddane pomiarom.

TEGA został skonstruowany przez Uniwersytet Arizony oraz Uniwersytet Texasu w Dallas. Jednym z egzotycznych tworzyw wykorzystanych podczas konstrukcji TEGA jest prawnie zastrzeżona blacha tytanowa ATI Wah Chang firmy Allegheny Technologies. Blacha itytanowa ATI 425 została zastosowana w podstawowych elementach strukturalnych Analizatora Gazów Projektu Phoenix ze względu na dobre własności odkształcalności na zimno – stwierdza Mike Williams, główny inżynier mechaniczny ekipy TEGA.

Wartości dla Policyjanianu względem Epoksydu w temperaturze utwardzania 175C

Powłoki epoksydowe są zazwyczaj stosowane w kompozytach

warunków podróży kosmicznej.

Badanie soli rozpuszczonych

Podobnie jak w przypadku innego oprzyrządowania stosowanego dla celów misji Phoenix Mars Mission, analizator fizyko-chemicznych własności gruntu (MECA) miał być pierwotnie wykorzystany podczas misji 2001, która została odwołana. Cztery laboratoria chemiczne zmieszają ziemię z wodą w pojemniku wyposażonym w 20 czujników elektrochemicznych w celu ustalenia pH, tlenu rozpuszczonego, ilości soli i innych minerałów. MECA konstruowana jest przez Laboratorium Napędu Odrzutowego (Jet Propulsion Lab.), na którego czele stoi Michael Hecht. Sam Kounaves, profesor chemii na Uniwersytecie Tufts, jest współbadaczem Phoenix oraz szefem ds. projektu czterech laboratoriów chemicznych MECA. Roztwór w zlewce rozpuści sól w podłożu – twierdzi Jason Kapit, absolwent inżynierii mechanicznej Uniwerystetu Tufts, który pracował nad projektem. Sole rozpuszczone w podłożu umożliwią nam poznanie historii wody na Marsie.

Górny zestaw przyrządowy MECA składa się z uszczelnionego pokrytego fluoropolimerem zbiornika tytanowego. Odlana powłoka epoksydowa stosowana jest jako pojemnik reakcyjny. Komory reakcyjne dla przyszłych eksperymentów będą wykorzystywały polieter imidu Ultem.

Jednym z przyrządów MECA jest sonda termiczno-przewodnościowa, w której skład wchodzą trzy sondy do pomiarów temperatury i własności termicznych podłoża. Sondy te będą również dokonywały analizy przewodności elektrycznej celem wskazania poziomu przejściowego wilgotności, który może być skutkiem wykopów. Woda w stanie ciekłym na Marsie mogła istnieć w formie cienkiej słonawej warstwy na powierzchni cząstek elementarnych. Pomiary przewodności elektrycznej mogłyby potwierdzić jej obecność. Sonda została opracowana przez firmę Decagon Devices.

Na pokładzie będzie również Stacja Meteorologiczna (MET) badająca warunki atmosferyczne na pokrywie lodowej, aż do momentu, gdy zostanie to uznane na zbędne w wyniku nadejścia w listopadzie zimy na Marsie. Stacja ta wyposażona jest w LIDAR (Detekcja i Lokacja Laserowa), który wykrywa cząsteczki pyłu w atmosferze. W skład ekipy pracującej nad technologią LIDAR wchodzi Kanadyjska Agencja Kosmiczna, Uniwersytet York, Uniwersytet Alberty, Uniwersytet Dalhousie, Fiński Instytut Meteorologiczny, Optech oraz Przegląd Geologiczny Kanady. Została ona skonstruowana przez firmę MacDonald Dettwiler and Associates.

Pozostałymi dwoma głównymi partnerami projektu Phoenix Scout są Laboratorium Napędu Odrzutowego (JPL), pełniące funkcję kierownika projektu oraz Lockheed Martin Space Systems (LMSS), który pełni funkcję kierownika systemu lotu.

Jedną z funkcji JPL było dostarczenie interfejsu do Sieci Dalekiej Przestrzeni Kosmicznej (Deep Space Network), który umożliwia przesyłanie poleceń i otrzymywanie danych podczas 10 miesięcznego lotu na Marsa. Lockheed Martin skonstruował statek kosmiczny w ramach projektu prowadzonego przez Ed’a Sedlivery’a, który również był głównym inżynierem Lądownika 2001 Mars Surveyor, misji, którą odwołano.

Struktura bazowa jak i większa część awioniki są identyczne z tymi zaprojektowanymi dla lądownika 2001 – twierdzi Tim Gasparrini, zastępca kierownika programu w Lockheed Martin, który odpowiada za wyjście z atmosfery i lądowanie lądownika Phoenix Mission. Dokonaliśmy pewnych zmian w niektórych komponentach i wymieniliśmy niektóre systemy ochrony termicznej, wprowadziliśmy również zmiany do oprogramowania lotu oraz niektórych algorytmów, z których korzystamy podczas pilotowania statku kosmicznego.

Lądwnik waży ponad 350 kG, ma około 2,13 m wysokości i niecałe 5,5 m długości i wyposażony jest w panele słoneczne. Pokład naukowy ma około 1,5 m średnicy. Lądownik wykorzystuje system hydrazynowy propergolu jednoskładnikowego, który zaprojektowany jest tak, aby w drodze reakcji egzotermicznej rozpadać się na wodór, azot i amoniak. Oprzyrządowanie testowe uwzględnia amoniak, który lądownik pozostawia na powierzchni. Nigdy nie przewidywano zastosowania poduszek powietrznych dla tego lądownika.

Zasilany energią słoneczną

System zasilania lądownika w znacznym stopniu wykorzystuje energię słoneczną. Podczas fazy lotu są do dyspozycji trzy metry baterii słonecznych generujących od tysiąca do 360 watów – twierdzi Gasparrini. Kiedy natomiast jesteśmy już na Marsie, wykorzystujemy drugi zestaw baterii słonecznych. Zajmują one powierzchnię około czterech metrów kwadratowych i wytwarzają na powierzchni Marsa moc około 300 watów. Na ziemi te same baterie słoneczne generowałyby znacznie większą moc – około 1.450 W.

Elementarna struktura statku kosmicznego wytworzona jest z kompozytów policyjanianowych wzmocnionych grafitem. Jedna z dwóch korzyści wynikających z zastosowania matryc policyjanianowych, które dają im przewagę nad tworzywami takimi, jak żywica epoksydowa to ulepszona absorpcja wilgotności i właściwości odgazowywania. W konsekwencji pojawia się mniej zmian wymiarowych powstałych w wyniku osuszenia podczas orbitowania. Policyjaniany wykazują również większą odporność na mikropęknięcia, które mogą powstać w wyniku procesu wygrzewania wahadłowego.

Armatura, w jaką wyposażony jest statek kosmiczny, wytwarzana jest z aluminium i tytan. Podstawowym spoiwem stosowanym w tego typu elementach jest spoiwo epoksydowe i akrylowe. – Stosujemy spoiwo akrylowe głównie w wielowarstwowym płaszczu izolacyjnym na zewnątrz statku kosmicznego – stwierdza Neal Tice, główny inżynier mechaniki lądownika. Płaszcze te są również wykorzystywane na ziemi. Spoiwa akrylowe znakomicie nadają się do zastosowań przestrzennych. Charakteryzuje się ono bardzo szerokim zakresem temperaturowym. Temperatury zewnętrzne w kosmosie sięgają minus 140° C. Po stronie słońca temperatury osiągają poziom 120° C. Są to warunki próżniowe, zatem nie występuje tu zjawisko konwekcji – dodaje Tice. Temperatury podczas wejścia w atmosferę sięgają 1.650° C.

Zastrzeżony termiczny system ochrony opracowany przez Lockheed Martin skonstruowany jest z gumy silikonowej RTV (wulkanizującej w temperaturze pokojowej) i innych tworzyw. Osłona ta usuwa się podczas wejścia w atmosferę. Osłona ablacyjna ulega zniszczeniu, a ciepło ze statku kosmicznego rozprasza się.

Istnieją dwie konstrukcje metalowe stosowane w celu absorbowania udarów podczas lądowania lądownika na granitopodobnej powierzchni lodowej. W odnóżach lądownika zamontowane są cylindryczne kruszarki ulowe (z aluminium), które absorbują energię podczas lądowania – dodaje Gasparrini. Odprężyliśmy również ograniczniki obciążeniowe ze stali nierdzewnej przymocowane do odnóży. Mam jeden u siebie na biurku i jest on cały pogięty. Części te zostały poddane ocenie podczas specjalnych testów sprzętu opracowanych przez Lockheed Martin.

Podróż na Marsa to niezmiernie trudne zadanie – dodaje Gasparrini. Jest wiele trudnych wyzwań w zakresie inżynierii. Samo wyjście z atmosfery i lądowanie jest nie lada wyzwaniem, ponieważ korzystamy ze statku kosmicznego z konfiguracją lotu. W przedziale czasowym siedmiu minut przechodzimy z fazy lotu do wdzięcznej fazy lądowania na Marsie. W momencie wyjścia z atmosfery mamy prędkość 5.000 m/sek., natomiast przy lądowaniu jeden metr na sekundę. Nie uwzględniamy prędkości w systemie z ablacją, w którym do zwolnienia prędkości wykorzystujemy atmosferę. Wtedy korzystamy ze spadochronu, osłona termiczna zostaje odrzucona, a maszyna ląduje. Jest to skomplikowany zbiór operacji, które realizowane są w ciągu sześciu czy siedmiu minut.

Minęło już 50 lat od transmisji radiowej Orson’a Welles’a, ale to nie Marsjanie przybywają tu w poszukiwaniu życia. To my przybywamy na Marsa.

dn