همه‌ی آن‌چه باید درباره‌ی مریخ‌نورد پشتکار ناسا بدانیم

در حالی که ناسا برای پرتاب تازه‌ترین مأموریت خود تا ساعتی دیگر آماده می‌شود، خوب است از فعالیت‌های مریخ‌نورد پشتکار به همراه بالگرد نبوغ و مسیری که طی می‌کنند، بیشتر بدانیم.

این سومین مأموریت به سوی مریخ است که در هفته‌های اخیر انجام می‌شود. نخستین مأموریت توسط امارات متحده‌ی عربی با کاوشگر امید و دومین مأموریت توسط چین با مریخ‌نورد تیان‌ون-۱ انجام شد. امروز نیز ناسا در ساعت ۷:۵۰ دقیقهی منطقه‌ی زمانی شرقی (۱۶:۲۰ به وقت ایران) پرتاب مریخ‌نورد پشتکار (Perseverance) را انجام خواهد داد.

برنامه‌ریزی برای این مأموریت که با نام رسمی «مارس ۲۰۲۰» شناخته می‌شود، در ۴ دسامبر ۲۰۱۲ (۱۴ آذر ۱۳۹۱) و در حالی که کمتر از ۴ ماه از فرود مریخ‌نورد کنجکاوی در دهانه‌ی گیل مریخ می‌گذشت، اعلام شد.

ادامه‌ی کنجکاوی

در حقیقت ناسا قصد داشت از موفقیت کنجکاوی و فن‌آوری به کار رفته در طراحی آن برای ساخت مارس ۲۰۲۰ استفاده کند. به این ترتیب با نتایج و آموخته‌هایی که از مأموریت کنجکاوی به دست آمد، قابلیت‌های کلی مریخ‌نورد تازه گسترش داده شد تا بتواند نشانه‌هایی زیستی از حیات میکروبی در گذشته‌ی مریخ شناسایی کند. علاوه بر این‌که به جمع‌آوری و بسته‌بندی نمونه‌هایی از سطح مریخ نیز می‌پردازد تا در آینده توسط مأموریت‌های دیگر به زمین آورده شوند.

این تغییرات به همراه دیگر ابزارهای علمی قرار گرفته در پشتکار وزن آن را بیش از مریخ‌نورد پیشین کرده است به طوری که مجموع جرم آن را به ۱۰۲۵ کیلوگرم می‌رساند که سنگین‌تر از کنجکاوی با ۸۹۹ کیلوگرم جرم است.

با توجه به اهداف کلی ماموریت و هم‌چنین مبانی آن که در ادامه‌ی مأموریت کنجکاوی است، این مریخ‌نورد یک ژنراتور ترموالکتریک رادیوایزوتوپ چند-مأموریتی را حمل می‌کند که در حقیقت نسخه‌ی پشتیبان آن چیزی است که در کنجکاوی استفاده شده بود. این ژنراتور که Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator نام دارد به طور خلاصه MMRTG خوانده می‌شود.

MMRTG از طریق فروپاشی طبیعی پلوتونیوم-۲۳۸ به میزان ۱۱۰ وات انرژی و گرما در طول مأموریت پشتکار تولید می‌کند و بدین ترتیب می‌توان عمر عملیاتی ۱۴ ساله را برای این مریخ‌نورد متصور بود.

استفاده از انرژی هسته‌ای به عملیات علمی اجازه می‌دهد که در هر فصلی از سال در مریخ انجام شود. از جمله هنگامی که در این سیاره طوفان‌های شدید گرد و غبار رخ می‌دهد. این چیزی است که عمر عملیاتی مریخ‌نورد «فرصت» که تنها به صفحات خورشیدی برای تامین نیرو متکی بود، ثابت کرد.

پشتکار علاوه بر سوخت هسته‌ای، به دو باتری قابل شارژ لیتیوم-یون نیز مجهز است تا در هنگام شدت کار تحقیقاتی به روند عملیات کمک کند. پیش‌بینی می‌شود در برخی زمان‌ها نیاز پژوهش‌هایی که توسط پشتکار انجام می‌شود بیش از توان ۱۱۰ وات هسته‌ای MMRTG باشد.

مریخ‌نورد پشتکار در آزمایشگاه | NASA

ابزارهای علمی پشتکار

به طور کلی مریخ‌نورد پشتکار هفت ابزار علمی را شامل می‌شود:

1. مست‌کم-زد (Mastcam-Z)
2. آنالایزر پویای محیطی مریخ (MEDA)
3. آزمایش‌گر بهره‌برداری منابع در-موقعیت اکسیژن مریخ (MOXIE)
4. ابزارهای سیاره‌ای برای لیتوشیمی پرتو ایکس (PIXL)
5. آزمایش‌گر تصویربردار راداری زیرسطح مریخ (RIMFAX)
6. پایش محیط‌های قابل سکونت توسط طیف‌سنج رامان و بازتابی برای مواد آلی و معدنی (SHERLOC)
7. ابردوربین (SuperCam)

Mastcam-Z با استفاده از سیستم بینایی خود از جمله قابلیت زوم، فوکوس، تصویربرداری سه بعدی و ضبط فیلم با سرعت بالا، دیدن فاصله‌های دور را برای مریخ‌نورد پشتکار ناسا ممکن می‌کند. به گفته‌ی ناسا سیستم بینایی مست‌کم می‌تواند به وضوح یک مگس را که به اندازه‌ی یک زمین فوتبال دورتر است ببیند.

آنالایزر پویای محیطی مریخ (MEDA) یک ایستگاه هواشناسی است که جهت، سرعت، دما و رطوبت محلی و میزان و اندازه‌ی ذرات گرد و غبار موجود در جو مریخ را بررسی می‌کند.

MEDA تازه‌ترین دستاورد تحقیقاتی در زمینه‌ی مریخ‌نورد، سطح‌نشین و مدارگرد است که الگوهای آب‌وهوایی مریخ را توصیف می‌کند و مدل‌های دقیقی را در این زمینه توسعه می‌دهد. زیرا زیستگاه‌های انسانی آینده در مریخ به پیش‌بینی هواشناسی وابسته خواهد بود.

در همین زمینه، آزمایش‌گر بهره‌برداری منابع در-موقعیت اکسیژن مریخ (MOXIE) روش‌های تولید اکسیژن از جو مریخ را برای نیازهایی که در زمینه‌ی پشتیبانی زیستی و پیشرانه‌های موشک در آینده خواهد بود را آزمایش می‌کند.

در حالی که کربن دی اکسید (CO2) در مریخ فراوان است و ۹۶٪ از جو این سیاره را تشکیل می‌دهد اما اکسیژن وجود ندارد و با غلظت ۰.۱۳٪ در جو، اکسیژن یک عنصر کمیاب در مریخ است و برای زیستگاه‌های آینده در مزیخ باید به دنبال راه‌هایی برای تولید اکسیژن باشیم. یک نمونه‌ی زیستی برای استخراج اکسیژن از کربن دی اکسید، چیزی است که درختان و گیاهان گوناگون در سیاره‌ی زمین انجام می‌دهند. ماکسی (MOXIE) می‌کوشد این فرآیند زیستی را به صورت آزمایشگاهی تکرار کند با گرفتن کربن دی اکسید از جو مریخ، اکسیژن تولید نماید.

در همین حال، ابزار لیتوشیمی پرتو ایکس (PIXL) نخستین ابزاری خواهد بود که به طور خاص وظیفه‌ی پیدا کردن علائم زندگی میکروبی گذشته در مریخ را بر عهده دارد. این ابزار می‌تواند تغییرات خاص در بافت‌ها و مواد شیمیایی سنگ‌های مریخی را که بر اثر حیات میکروبی گذشته بر جای مانده شناسایی کند؛ حتی اگر این تغییرات بسیار کم باشد.

PIXL همچنین به دوربینی مجهز شده است که امکان تصویربرداری کاملاً دقیق از سنگ و خاک را با وضوح بالا فراهم می‌کند و قادر به دیدن اشیاء به اندازه‌ی یک دانه‌ی نمک است.

بخش دیگری که در هماهنگی با PIXL کار می‌کند شرلوک (SHERLOC) نام دارد. شرلوک از یک دوربین، یک طیف‌سنج و یک لیزر برای جست‌وجوی مواد معدنی و آلی که احتمال می‌رود توسط محیط آبی تغییر شکل یافته باشند، استفاده می‌کند تا نشانه‌ای از حیات میکروبی در گذشته بیابد.

لوتر بیگل مسئول این ابزار علمی می‌گوید: «سوال کلیدی این است که آیا مریخ تا کنون پذیرای زندگی بوده است؟ و اگر نبوده، چرا؟ تحقیقات SHERLOC باعث می‌شود که فهمیدن تاریخچه‌ی مریخ‌شناسی پیشرفت کرده و پتانسیل بیولوژیکی گذشته‌ی آن مشخص شود.»

• «پشتکار» ناسا نمونه‌هایی از مریخ را به آن بازمی‌گرداند

به طور مشابه، SuperCam نیز از طریق دوربین، لیزر و طیف سنج به دنبال حیات خواهد گشت و در عین حال بر ترکیب اتمی و شیمیایی سنگ‌ها و خاک‌هایی که با گذشت زمان توسط آب تغییر یافته‌اند نیز تمرکز می‌کند.

RIMFAX، آزمایشگر تصویربردار راداری زیرسطح مریخ، از رادارهای قابل نفوذ به زمین استفاده می‌کند تا ساختار داخلی مریخ را با جزئیات جدید نشان دهد. این اولین باری خواهد بود که مأموریت ناسا وسیله‌ای دارای رادار را به سطح مریخ منتقل می کند. RIMFAX قادر به شناسایی آب‌، آب نمک یا یخ تا عمق ۱۰ متری است.

علاوه بر این، بازوی رباتیک مریخ‌نورد پشتکار که «بیت کاراسول» نام دارد به همراه قطعه‌ی ذخیره‌سازی انطباقی، به برداشتن، بسته‌بندس و رها کردن نمونه‌های سطح مریخ اقدام می‌کند که دانشمندان آن را برای بازگشت به زمین در مأموریت‌های آینده ارزشمند توصیف می‌کنند.

بالگرد مریخی

اما این‌ها تنها ابزارهایی نیست که روی مریخ‌نورد سوار شده و مورد استفاده قرار می گیرند و باعث اهمیت این مأموریت می‌شود. ناسا یک بالگرد با نام نبوغ (Ingenuity) نیز با پشتکار همراه می‌کند؛ نخستین بالگرد که به سیاره‌ای دیگری فرستاده می‌شود.

این هلیکوپتر خورشیدی با وزن تنها ۱.۸ کیلوگرم، از دو جفت فیبر کربن، ملخ‌های پادگرد (دو ملخ با گردش خلاف جهت هم) با سرعت ۲۴۰۰ دور بر دقیقه تشکیل شده که به آن اجازه می‌دهد تا در هر روز مریخی ۹۰ دقیقه پرواز انجام دهد.

• پرواز در آسمان مریخ با هلی‌کوپتر مارس ۲۰۲۰

نبوغ از دو دوربین برای تصویربرداری عوارض و مسیریابی استفاده می‌کند. این هلیکوپتر به تنهایی که محموله‌ی علمی محسوب می‌شود زیرا یکی از دو فناوری آزمایشگاهی است که با این ماموریت به مریخ می‌رود. آزمایشگاه دیگر MOXIE است که در بالا اشاره شد.

نبوغ توانایی انجام عملیات پرواز خودکار را در جو مریخ می‌آزماید و به دانشمندان و برنامه‌ریزان ماموریت، داده‌های ارزشمندی درباره‌ی نحوه‌ی عملکرد هواگردهای ملخی در جو یک سیاره‌ی دیگر ارائه می‌دهد.

این فن‌آوری نه تنها برای هلیکوپترهای بالقوه‌ی آینده مریخ کاربردی است، بلکه می‌تواند همراه با مأموریت‌های مهم به طور بالقوه به فضانوردان آینده کمک کند تا نقاطی را که دسترسی دشوار است، کشف کنند. علاوه بر این برای مأموریت آینده‌ی DragonFly که برای ارسال یک آزمایشگاه علمی به اطراف ماه زحل، تایتان استفاده می‌شود، کاربردی دارد تا در مناطق مختلف جو این ماه به پرواز درآید.

به این ترتیب می‌توان سه هدف اصلی را برای نبوغ درنظر گرفت:

1. پرواز مجهز در جو رقیق مریخ را نشان دهد
2. فن‌آوری مینیاتوری پرواز در سیاره‌ی دیگر را آزمایش کند
3. به طور خودکار پرواز کند

نبوغ برای برقراری ارتباط مستقیم با پشتکار طراحی شده و هرگز بیش از ۱ کیلومتر دورتر از مریخ‌نورد پرواز نخواهد کرد. سپس مریخ‌نورد ناسا داده‌های دریافتی از نبوغ را به ماهواره‌ای در مدار مریخ می‌فرستد تا ماهواره نیز آن‌ها را به زمین ارسال کند.

پرتاب و مسیر به سمت مریخ

پس از بلند شدن از مجتمع پرواز فضایی ۴۱ (SLC-41) موشک اطلس ۵ یک مانور گردش حول محور و چرخش را انجام خواهد داد تا خود را در مسیر صحیح قرار دهد و به سمت جنوب شرقی مرکز پرتاب فلوریدا روی اقیانوس اطلس برود و دقیقا از شمال باهاماس بگذرد.

با گذشت ۹۰ ثانیه‌ی نخست، چهار موشک سوخت جامد Aerojet Rocketdyne تمام و چند ثانیه بعد از آن جدا می‌شوند تا موشک با موتور یکتای RD-180 به مسیر خود ادامه دهد.

پس از جداشدن این شتابدهنده‌ی اطلس ۵ و جدایش آن، تک موتور Centaur فرآیند قرارگیری «پشتکار» در مدار اولیه‌ی زمین را کامل می‌کند تا در «مدار پارکینگ» ۱۶۷*۲۵۰ کیلومتر با شیب مداری ۲۹.۱ درجه قرار بگیرد.

۴۵ دقیقه پس از پرتاب، Centaur دوباره روشن می‌شود تا عملیات Trans Mars Injection را انجام دهد و پشتکار را عازم مریخ کند.

پس از تقریبا ۸ دقیقه‌ای فعالیت شدید موتور، محموله و Centaur به مرحله‌ی بعدی برده می‌شوند و در فضای میان‌سیاره‌ای قرار می‌گرند تا در فوریه ۲۰۲۱ به مریخ برسند.

در هنگام حرکت در فضای میان‌سیاره‌ای به سوی مریخ، یک سپر فضایی از مجموعه محافظت می‌کند و در این مدت نه تنها نیرو، داده و ارتباطات را تأمین می‌کند، بلکه باید قابلیت اصلاح مسیر را نیز برای تنظیم دقیق مسیر کلی در مدت زمان هفت ماه داشته باشد.

مراحل فرود پشتکار روی مریخ

با رسیدن به مریخ برای آنچه که به «هفت دقیقه وحشت» معروف است، مرحله‌ی سفر پایان می‌یابد و ۱۰ دقیقه‌ی بعد، پشتکار -که در داخل سپر محافظ ایمن است- به سپر گرمای جو مریخ برخورد می‌کند.

اصطکاک اتمسفری اولین کار را برای کاهش سرعت فضاپیما انجام می‌دهد . زیرا در لحظات اولیه‌ی ورود به جو با افزایش دما به ۱۳۰۰ درجه ‌ی سلسیوس پیرامون آن پلاسما شکل می‌گیرد. هنگامی که از مرحله‌ی سپر پلاسما خارج شد، یک چتر ابرصوت، سرعت آن را کند خواهد کرد. سپس مجموعه از سپر خارج می‌شود و چند ثانیه بعد به سطح مریخ می‌افتد.

در این مرحله سامانه‌ی ناوبری عوارض به سامانه‌ی اصلی فرود پشتکار (چیزی که در ماموریت کنجکاوی نیز استفاده شده بود) اضافه می‌شود. این سیستم جدید از دوربینی رو به پایین که در زیر پشتکار نصب شده است استفاده می‌کند و با پایین آمدن به سمت سطح مریخ به سرعت عکس می‌گیرد. این عکس ها بلافاصله در پایگاه داده‌ی کلی سیستم فرود ثبت و با تصاویر مداری ناحیه‌ی مورد نظر مقایسه می‌شوند. به این ترتیب برای نخستین بار خطراتی که در زمان فرود دیده نمی‌شود با این سامانه تشخیص داده می‌شود و کل مجموعه را از خطر دور می‌کند تا در نقطه‌ای ایمن فرود بیاید.

سپس مجموعه‌ای از موتورهای ترمزی، سرعت مجموعه را کم می‌کنند تا ۲۰ متر بالاتر از سطح مریخ قرار بگیرد. در این مرحله یک قرقره‌ی جرثقیل فعال می‌شود و پس از آن‌که پایه‌های مریخ‌نورد به خوبی باز و در جای خود پایدار شدند، آن را از مجموعه‌ی موتورهای ترمزی جدا و به سطح مریخ پایین می‌برد. سپس کابل قرقره جدا می‌شود و مجموعه‌ی موشک‌های ترمزی به سمت دیگری با فاصله از مریخ‌نورد سقوط می‌کند.

گفتنی است کل فرآیند ۶ دقیقه و ۵۰ ثانیه‌ای ورود، کاهش ارتفاع و فرود، خودکار است و هنگامی که آغاز شد، اجازه‌ی خطا یا زمان تصحیح وجود ندارد.

فاصله‌ی بین زمین و مریخ باعث می‌شود زمانی که در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL)، پیام ورود با سپر محافظ به جو از مریخ‌نورد دریافت می‌شود، پشتکار پیش از آن با موفقیت فرود آمده باشد یا با شکست در مأموریت، سقوط کرده باشد.

آغاز کاوش در مریخ

زمان فرود ساعت ۳:۴۵ دقیقه بعد از ظهر به وقت محلی مریخ در تاریخ ۱۸ فوریه ۲۰۲۱ (۳۰ بهمن ۱۳۹۹) خواهد بود.

پس از فرود رایانه‌های مریخ‌نورد از فاز ورود، کاهش ارتفاع و فرود به حالت سطح، تغییر فاز می‌دهند و یک رشته فعالیت‌های خودکار را آغاز می‌کنند و نخستین روز در مریخ را اعلام می‌کنند که به طور رسمی به Sol 0 شناخته می‌شود.

یک روز مریخی، ۲۴ ساعت و ۳۹ دقیقه و ۳۵ ثانیه‌ی زمین طول می‌کشد و زمان رسمی آغاز مآموریت خواهد بود. گفتنی است ناسا مأموریت مریخ‌نورد پشتکار را برای حداقل یک سال مریخی (۶۸۷ روز زمینی) برنامه‌ریزی است.

منبع: NASA, Nasa Space Flight, Space