نگاه جامع به مریخنورد استقامت؛ آزمون فناوری برای سفر انسان به مریخ

سال 2020 با توجه به باز شدن پنجرهی پرتاب به مریخ، مسافران زیادی از زمین راهی سیاره سرخ شدند و در این میان مریخنورد استقامت (پشتکار) کاوشگر قدرتمندی است که موفق به تغییر نگاه بشر به سفرهای عمیقتر در منظومهی شمسی شده است.
میتوان گفت که گامهای گونهی بشر کمکم به مریخ نزدیکتر میشود و با کاوشها و نمایش فناوری که مریخنورد استقامت ناسا در سیارهی سرخ پیش برده است، جنبههای جذابی از این همسایهی زمین آشکار شده و انسان این دنیای خاموش را بیشتر از همیشه درک کرده است.
مأموریت مارس 2020 ناسا
اهداف مأموریت
اجزای مریخنورد استقامت
ابزارهای علمی
بالگرد نبوغ
سفر به مریخ
اکتشافات و دستاوردهای کلیدی
چشمانداز آینده مریخنورد استقامت
جمعبندی
مأموریت مارس 2020 ناسا
جدیدترین کاوشگر رباتیکی که به عنوان بخشی از مأموریتهای مریخ 2020 ناسا روی سیاره سرخ فرود آمد، «پشتکار» یا «استقامت» (Perseverance) نام دارد. این سطحنورد برای کاوش در سطح مریخ طراحی شده است و به عنوان بخی از برنامهی اکتشافی مریخ، به دنبال نشانههایی از حیات گذشته و حال روی این سیاره است.
این مریخنورد در طول مأموریت خود که قرار بود حداقل دو سال طول بکشد، آزمایشهای علمی متعددی از جمله جستوجوی نشانههای حیات در مریخ را پیش برده است. استقامت که دور از مریخنورد کنجکاوی قرار دارد به فعالیت و ارسال دادههای علمی ادامه میدهد و به ناسا امکان میدهد تا مناطق جدیدی از سیاره سرخ را کاوش کند و راه را برای ساخت فناوریهای پشتیبانی از سفر انسان به مریخ در آینده هموار سازد.
مریخنورد استقامت در 30 جولای 2020 پرتاب شد و در 18 فوریه 2021 با موفقیت در دهانهی «جزرو» (Jezero) فرود آمد، منطقهای که گمان میرود زمانی میزبان دلتای یک رودخانهی باستانی بوده است. اگرچه این کاوشگر به گونهای طراحی شده که فقط چند سال در مریخ دوام بیاورد، اما دوقلوی آن، یعنی کنجکاوی، با گذشت بیش از یک دهه فعالیت و گشتوگذار در مریخ، همچنان فعال و قدرتمند است. چون بر خلاف مریخنوردهای قبلی روح و فرصت، دو مریخنورد کنجکاوی و پشتکار از یک منبع انرژی هستهای به جای صفحات خورشیدی استفاده میکنند که حتی در شرایط طوفان و گرد و خاک، امکان فعالیت داشته باشند. بنابراین تا زمانی که ابزارهای استقامت به خوبی کار کنند، به کاوش خود در مریخ ادامه خواهد داد.
پس از پایان مأموریت اما، استقامت روی مریخ باقی خواهد ماند و به نشانگر دائمی سفر بشر به فراسوی زمین تبدیل خواهد شد. هماکنون هیچ فناوری شناخته شدهای برای بازگردانی مریخنورد به زمین وجود ندارد و در هر صورت، انجام این کار، مطمئنا بیش از ساختن یک کپی روی زمین هزینه در پی خواهد داشت.
اهداف مأموریت
مأموریت استقامت بر چهار هدف کلیدی متمرکز است.
- اخترزیستشناسی: جستوجوی نشانههایی از حیات میکروبی باستانی.
- زمینشناسی و اقلیم: مطالعهی ترکیب سطحی مریخ و درک شرایط آبوهوایی آن در گذشته.
- جمعآوری نمونه: جمعآوری و ذخیرهسازی نمونههایی از سنگ و خاک مریخ برای بازگردانی در یک مأموریت آینده.
- نمایش فناوری: آزمایش فناوریهای تازه، از جمله بالگرد «نبوغ» (Ingenuity) که نخستین هواگردی است که در سیارهای دیگر پرواز میکند.
با اینکه استقامت بر پایهی طرح اولیهی کنجکاوی ساخته شده است اما با توجه به هدف متفاوتی که دارد، با ابزارها و قابلیتهای علمی متفاوتی هم تجهیز شده است. برای نمونه برای جستوجوی شواهد احتمالی حیات مریخی باستانی، از ابزارهایی بهره میبرد که میتوانند نقشههایی در مقیاس میکروسکوپی از عناصر و مولکولهای آلی در سنگها تهیه کنند.
همچنین چون استقامت نخستین گام در سری مأموریتهای جمعآوری نمونه از مریخ است، یک متهی مغزهگیری را در اختیار دارد که هستههای سنگ را مستقیما در لولههای نمونهی جداگانه قرار میدهد و سپس یک سیستم رباتیک پیچیده، آنها را برای سفر برگشت، مهروموم میکند.
بخشهای مریخنورد استقامت
مریخنورد استقامت توسط آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL) ناسا و بر پایهی طراحی موفق مریخنورد کنجکاوی ساخته شده است که در آگوست 2012 روی مریخ فرود آمد. به گفتهی ناسا، حدود 85 درصد از پشتکار بر اساس سختافزار میراث کنجکاوی ساخته شده است که باعث صرفهجویی در وقت و هزینهها و البته کاهش قابل توجه ریسک شده است اما علاوه بر این، کاوشگر جدید چندین بهبود را هم شامل میشود.
این کاوشگر حدود 3 متر طول، 2.7 متر عرض و 2.2 متر ارتفاع دارد و وزن آن حدود 1025 کیلوگرم و اندکی کمتر از یک خودروی کوچک است. پشتکار هم مشابه کنجکاوی توسط یک ژنراتور ترموالکتریک رادیو ایزوتوپ (RTG) تغذیه میشود که کمک میکند حتی در طولانیمدت تأمین انرژی آن تضمین شود.
همانند کنجکاوی، استقامت دارای بدنهای مستطیلی با شش چرخ، یک بازوی رباتیک، یک مته برای نمونهبرداری از سنگ و خاک، دوربین و ابزارهای علمی است. این ابزارها اما کاملا با ابزارهای علمی کنجکاوی متفاوت هستند چون این دو مریخنورد تا حد زیادی اهداف متفاوتی هم دارند. وظیفهی اصلی کنجکاوی ارزیابی سکونتپذیری مریخ باستان است، در حالی که استقامت به دنبال شواهدی از موجودات مریخی باستانی است.
ابزارهای علمی
پشتکار هم برای کاوش در سیاره سرخ، مجموعهای از ابزارهای علمی پیشرفته را به همراه دارد، از جمله برخی از مهمترین آنها عبارتند از:
- مستکم-زد (Mastcam-Z): یک سیستم دوربین پیشرفته با قابلیت زوم برای ثبت تصاویر و ویدیوهای با وضوح بالا.
- سوپر کم (SuperCam): در حقیقت تکامل یافتهی ابزار ChemCam کنجکاوی است و سنگهای مورد نظر را با لیزر هدف قرار میدهد تا ترکیب شیمیایی بخار حاصل را تعیین کند. این روش طیفسنجی شکست ناشی از لیزر (LIBS) نام دارد که برای تجزیهوتحلیل ترکیب سنگهای مریخی به کار میرود.
- پیکسل (PIXL) یا ابزار سیارهای برای لیتوشیمی پرتو ایکس: به طور کلی عناصر شیمیایی را در مقیاس دقیق تشخیص میدهد. این ابزار با استفاده از یک دوربین با وضوح بالا و طیفسنجی فلورسانس، ترکیب مواد مریخی را با مقیاس بسیار خوب تعیین میکند.
- شرلوک (SHERLOC) یا اسکن محیطهای قابل سکونت با رامان و لومینسانس برای مواد آلی و شیمیایی: به جستوجوی ترکیبات آلی میپردازد.
- ریمفکس (RIMFAX) یا تصویرساز راداری برای آزمایش زیرسطحی مریخ: کاوشگری برای بررسی لایههای زیرین سطح مریخ با کمک رادار است. در حقیقت نخستین ابزار یک مریخنورد است که به زیر سطح مریخ نگاه میکند و لایههایی از سنگ، آب و یخ را تا عمق 10 متری نقشهبرداری میکند.
- ماکسی (MOXIE) یا آزمایش استفاده از منابع اکسیژن درجای مریخ: یک نمایش فناوری محسوب میشود که توانایی تولید اکسیژن از جو مریخ را نشان میدهد. این ابزار برای تولید اکسیژن از جو سیاره سرخ که 95 درصد حجم آن را کربن دیاکسید تشکیل میدهد، طراحی شده است. به گفتهی ناسا با افزایش چنین تجهیزاتی، میتوان به بشریت کمک کرد تا در آینده جای پایی در سیارهی سرخ پیدا کند.
- مدا (MEDA) یا تحلیلگر دینامیک محیطی مریخ: شرایط آبوهوایی مریخ را زیر نظر دارد.
مته سنگی شرلوک و پیکسل در انتهای بازوی رباتیک 2.1 متری مریخنورد استقامت قرار دارند که میتواند با پنج درجهی آزادی حرکت کند. مدا، ماکسی و ریمفکس روی بدنهی استقامت و مستکم-زد و سوپرکم هم روی دکل سر مانند مریخنورد جای گرفتهاند.
شرلوک
ابزار شرلوک که نام آن مخفف Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals به معنی «اسکن محیطهای قابل سکونت با رامان و لومینسانس برای مواد آلی و شیمیایی» است، نخستین ابزاری است که در مریخ از طیفسنجیهای رامن و فلورسانس استفاده میکند. تکنیکهایی که برای کارشناسان پزشکی قانونی آشناست.
هنگامی که نور فرابنفش روی برخی از مواد شیمیایی مبتنی بر کربن میتابد، بسیار شبیه به مواد زیر نور سیاه میدرخشند و این درخشش میتواند به دانشمندان کمک کند تا مواد شیمیایی را که در حضور حیات تشکیل میشوند، شناسایی کنند. شرلوک همچنین از سنگهایی که مطالعه میکند عکس میگیرد و سپس نقشهی مواد شیمیایی را که در تصاویر شناسایی کرده است، طراحی میکند. این کار به بافت و مواد شیمیایی آلی نیاز دارد که استفاده از یک شهابسنگ مریخی برای کالیبراسیون شرلوک آن را ممکن کرده است.
دوربینها
استقامت تقریبا پنج برابر بیشتر از نخستین مریخنورد دوربین دارد. «سوجورنر» (Sojourner) که در سال 1997 روی مریخ فرود آمد، تنها پنج دوربین داشت و مریخنوردهای دوقلوی روح و فرصت هم که در سال 2004 به خاک سرخ رسیدند، هر کدام 10 دوربین را شامل میشدند. کنجکاوی هم 17 دوربین دارد اما پشتکار دارای 23 دوربین است که چند تای آنها از ورود مریخنورد فیلم گرفتند و روند فرود را با جزئیات تاریخی و بیسابقه ثبت کردند.
با داشتن این ویدیو، به گفتهی یکی از مقامات ناسا، حالا برای کسانی که میخواهند بدانند فرود روی مریخ چگونه است، یا چرا این فرآیند تا این اندازه دشوار است، دیگر نیازی به جستوجو نیست.
برخی از دوربینهای استقامت بیش از آنچه کنجکاوی میتواند جمعآوری کند، رنگ و تصویر سهبعدی و تصاویر باکیفیت ارائه میدهند. برای نمونه روح، فرصت و کنجکاوی همگی با دوربینهای مهندسی خود، تصاویر 1 مگاپیکسلی سیاه و سفید گرفتهاند که به برنامهریزی برای رانندگی در مریخ و جلوگیری از خطرات کمک میکند. اما دوربینهای مهندسی پشتکار تصاویر رنگی با وضوح بالا و 20 مگاپیکسلی ثبت میکنند.
همچنین Z در دوربین «مستکم-زد» مخفف Zoom است، که یکی از پیشرفتها در این دوربین کیفیت بالا در مقایسه با کنجکاوی محسوب میشود. میدان دید وسیعتر دوربینهای استقامت به این معناست که دوربینهای جدید به جای صرف زمان برای گرفتن چندین عکس و اتصال آنها به یکدیگر، همان منظره را در یک عکس ثبت میکنند. دوربینها همچنین از تاری ناشی از حرکت میکاهند، بنابراین میتوانند هنگام حرکت مریخنورد عکس بگیرند.
با این حال کیفیت بیشتر تصاویر، چالشهایی هم به همراه دارد. تصاویر دقیقتر به معنای ارسال دادههای بیشتر در فضاست. عامل محدودکننده در بیشتر سیستمهای تصویربرداری، ارتباط مخابراتی است. دوربینها میتوانند دادههای بسیار بیشتری نسبت به آنچه که به زمین ارسال میشود، ثبت کنند. بر این اساس، دوربینهای مریخنورد هوشمند به کاهش حجم دادهها کمک میکنند. در روح و فرصت، فشردهسازی عکس با استفاده از رایانهی داخلی انجام شد. در پشتکار هم مانند کنجکاوی، فشردهسازی توسط وسایل الکترونیکی تعبیه شده در خود دوربین صورت میگیرد.

مدارگردهای ناسا و آژانس فضایی اروپا که برای فرستادن دادههای استقامت به زمین استفاده میشوند.Credit: NASA/JPL-Caltech, ESA
دادههای مریخنورد استقامت توسط چندین فضاپیما که به دور مریخ میچرخند، به زمین میرسد. این مدارگردها شامل ادیسه مریخ ناسا، مدارگرد شناسایی مریخ (MRO) و ماون (MAVEN) برای بررسی اتمسفر مریخ و تکامل فرار گازها و مدارگرد ردیابی گاز آژانس فضایی اروپا میشوند.
بالگرد نبوغ
بر خلاف کنجکاوی، کاوشگر استقامت در سفر به سیاره سرخ تنها نبود و یک میهمان کوچک هم آن را همراهی میکرد. بالگرد کوچک «نبوغ» (Ingenuity) که برای آزمایش پرواز کنترلشده روی مریخ طراحی شده است. پروازهای نبوغ امکان استفاده از جو برای کاوشهای هوایی در مأموریتهای آینده را نشان میدهد.
بالگرد نبوغ 1.8 کیلوگرم وزن دارد و به صورت خودکار عمل میکند. همچنین از انرژی خورشیدی برای شارژ باتریها استفاده و با گرمکنهای داخلی، دمای خود را در شبهای سرد مریخ حفظ میکند. نخستین پرواز موفقیتآمیز نبوغ در 19 آوریل 2021 انجام شد که طی آن این هواگرد کوچک تا 3 متر اوج گرفت و 39 ثانیه در هوا معلق ماند. در حالی که در ابتدا، برای پنج پرواز آزمایشی برنامهریزی شده بود.
نبوغ در طول تقریبا 3 سال فعالیت، بیش از 72 پرواز انجام داد. علاوه بر این با کاوشگر استقامت همکاری کرد تا عوارض سطحی مریخ را شناسایی و نقاط مطلوب برای کاوش را مشخص کند. سرانجام در 18 ژانویه 2024 و ضمن هفتاد و دومین پرواز خود، نبوغ دچار خطای ناوبری شد و در محدودهای بدون ویژگیهای مشخص فرود سختی داشت که باعث آسیب به تیغههای روتور و پایان مأموریت عملیاتی آن شد. با وجود از دست رفتن امکان پرواز، نبوغ همچنان دادههای مربوط به شرایط جوی و سیستمهای پروازی را به مریخنورد ارسال و اطلاعات ارزشمندی برای مأموریتهای آیندهی هوایی در مریخ فراهم میکند.
سفر به مریخ
مریخنورد استقامت 30 جولای 2020 (9 مرداد 1399) در ساعت 7:50 منطقهی زمانی شرقی (16:20 به وقت ایران) از پایگاه فضایی کیپ کاناورال با موشک اطلس 5 متعلق به ULA راهی فضا شد. در طول این مدت با چالشهای متفاوتی روبهرو بود، از جمله کمی پس از پرتاب برای ساعتی در حالت خواب قرار گرفت اما در نهایت پس از 7 ماه به مقصد رسید.
پشتکار برای فرود از چندین فناوری فرود استفاده میکرد که در کنجکاوی وجود نداشت. برای نمونه فناوری فرود جدیدی به نام «ناوبری بر اساس عوارض سطحی» در آن به کار رفته است. هنگامی که مریخنورد وارد آسمان مریخ شد، یک کامپیوتر به مقایسهی چشمانداز زیر فضاپیما با نقشههای سطحی از پیش بارگذاری شده پرداخت تا کاوشگر بتواند اصلاحاتی را در مسیر انجام دهد و خود را به محل فرود ایمن هدایت کند.
دیگر ویژگی تازهی آن از اطلاعات مکان و سرعت برای تعیین زمان باز کردن چتر فراصوت استفاده میکرد و مح دهی فرود را به بیش از نصف باریک کرد. به گفتهی مقامات JPL ناوبری نسبت به زمین به کاوشگر امکان میدهد به مکانهایی برود که برای کنجکاوی بسیار خطرناک بودند و فناوری تعیین زمان باز کردن چت هم باعث میشود مریخنورد به مناطق هدف برای مطالعهی علمی نزدیکتر شود؛ به اندازهای که احتمالا یک سال حرکت مریخنورد میتوانست انجام دهد.
استقامت اما از همان استراتژی ورود، تقرب و فرود (EDL) استفاده کرد که کنجکاوی کمتر از یک دهه پیش انجام داده بود. هر دو مریخنورد با سرعت بسیار زیاد وارد جو مریخ شدند و پس از اینکه اصطکاک سرعت آنها را به اندازهی کافی کاهش داد، یک چتر فراصوت به کاهش بیشتر سرعت آن کمک کرد و در نهایت توسط یک جرثقیل آسمانی با استفاده از موتورهای موشکی، به آرامی به خاک قرمز مریخ رسید.
مجموعهی این نوع روند فرود، 7 دقیقه وحشت نام گرفته است. کل فرآیند فرود به صورت زنده از طریق کانال یوتیوب ناسا پخش شد و مریخنورد هم بعدا توانست فیلمی با کیفیت بالا از آخرین لحظات فرود خود ارسال کند. سرانجام، پشتکار در 18 فوریه 2021 (1 اسفند 1399) ساعت 15:55 منطقهی زمانی شرقی (00:25 بامداد به وقت تهران) با موفقیت روی سطح نشست.
اکتشافات و دستاوردهای کلیدی
از زمان فرود، استقامت سهم قابل توجهی در پیشبرد دید بشر نسبت به مریخ داشته است. از جمله مهمترین کشفهای این مریخنورد باید به موارد زیر اشاره کرد.
- شناسایی فعالیتهای آب باستانی: شواهد نشان میدهد که دهانهی جزرو، زمانی میزبان یک سامانهی دریاچه و رودخانه بوده است.
- مولکولهای آلی در سنگها: شرلوک مولکولهای مبتنی بر کربن را شناسایی کرده است که به بهترین سکونتپذیری مریخ در گذشته اشاره دارد.
- مطالعات جوی: ماکسی با موفقیت، از کربن دیاکسید، اکسیژن تولید کرد که یک گام مهم برای مأموریتهای سرنشیندار آینده است.
- جمعآوری موفق نمونه: مریخنورد استقامت نمونههای هستهی سنگی متعددی را جمع آوری کرده است که برای بازگشت به زمین در دههی 2030 برنامهریزی شده است.
شاید بتوان هیجانانگیزترین یافته را مربوط به تاریخچهی پهنهی آبی دانست که زمانی شاید حدود 3.5 میلیارد سال پیش، دهانهی جزرو را پر کرده بود و اکنون مدتهاست که خشک شده است. هرچند وجود چنین دریاچهای با کمک تصاویر مداری هم که چند سال پیش به دست آمده بود، شناسایی شده است اما پشتکار اکنون میتواند جزئیات قابل توجهی را به تاریخچهی این دهانه بیفزاید.
همچنین در کف دهانه، مریخنورد سنگهای آذرین را کشف کرده است که توسط بلوری شدن ماگما تشکیل میشوند. این یافته نشان میدهد که دهانهی جزرو، پیش از پر شدن با آب، زمانی با یک دریاچهی گدازه پر شده است. مدتی بعد اما آب به درون دهانه جاری شده است و دریاچهای کمعمق را بالای صخرههای آذرین شکل داده و لجنزارهای نمکی را ایجاد کرده که احتمالا زیستگاه خوبی برای هر نوعی از حیات احتمالی مریخی بوده است.
سپس سالها بعد دریاچه عمیقتر شده است و در این زمینه شواهدی از رودخانهای با جریان آهسته پیدا شده است که تقریبا به همان شیوهی رودخانههای زمینی، به جلو و عقب میپیچد. سرانجام، یک دوره طغیان هم در تاریخچهی رودخانه وجود داشته که صخرههای بسیار بزرگ را به داخل دهانه حمل کرده است.
همهی اینها از این جهت اهمیت دارد که داستانی از یک مریخ بسیار متفاوت با امروز را روایت میکند. زمانی که میلیاردها سال پیش، سنگهایی که استقامت میکاود، ایجاد شدند، مریخ با آتشفشانها، دریاچهها و رودخانهها محیطی پویا بود و مناطق قابل سکونت داشت. اما امروز به محیطی سرد، خشک و ساکت تبدیل شده است. بازگرداندن نمونهها از مریخ شاید بهترین راه برای درک این باشد که این تغییرات عظیم چگونه در مریخ روی داده است.
چشمانداز آینده مریخنورد استقامت
استقامت همچنان به کاوش دهانهی جزرو ادامه میدهد، ساختارهای سنگی تازهتری را بررسی میکند و برای مأموریت بازگردانی نمونه از مریخ (MSR) آماده میشود. ناسا و آژانس فضایی اروپا قرار است در یک مأموریت بعدی برای بازیابی و بازگرداندن این نمونهها و در نهایت تجزیهوتحلیل دقیق آنها با یکدیگر همکاری میکنند.
جمعبندی
مریخنورد استقامت تا کنون دادههای علمی بینظیری ارائه داده است و با وجود اینکه در بازهی تمدید شدهی مأموریت قرار دارد، همچنان با قدرت به حرکت و کاوش در سیارهی سرخ مشغول است. این کاوشگر را با فناوریهای نوآورانه و اهداف علمی بلندپروازانه باید یک گام بزرگ رو به جلو در اکتشافات مریخ دانست. یافتههای این کاوشگر درک ما را از تاریخ مریخ شکل میدهند و راه را برای کاوشهای انسانی در آینده هموار میکنند.
عکس کاور: طرحی گرافیکی از مریخنورد استقامت (پشتکار) و بالگرد نبوغ
Credit: NASA/JPL-Caltech
منابع: NASA, Space, Royal Museum Greenwich, Robots Guide