Di seguito è riportato un estratto del mio nuovo libro, "Incredible Stories From Space: uno sguardo dietro le quinte delle missioni che cambiano la nostra visione del cosmo", che uscirà domani, dicembre. Il libro è uno sguardo all'interno di diverse correnti Missioni robotiche della NASA, e questo estratto è parte 1 di 3 che sarà pubblicato qui su Space Magazine, del capitolo 2, "Roving Mars with Curiosity". Il libro è disponibile per l'ordine su Amazon e Barnes & Noble.
Sette minuti di terrore
Ci vogliono circa sette minuti per un veicolo spaziale di dimensioni moderate - come un rover o un lander robotico - per scendere attraverso l'atmosfera di Marte e raggiungere la superficie del pianeta. Durante quei brevi minuti, il veicolo spaziale deve decelerare dalla sua velocità di arrivo in fiamme di circa 13.000 mph (20.900 km / h) per atterrare a soli 2 mph (3 km / h).
Ciò richiede che una serie di eventi simili a Rube Goldberg si svolgano in una sequenza perfetta, con coreografie e tempistiche precise. E tutto deve avvenire automaticamente tramite computer, senza input da nessuno sulla Terra. Non c'è modo di guidare l'astronave a distanza dal nostro pianeta, a circa 150 milioni di miglia (250 milioni di km) di distanza. A quella distanza, il tempo di ritardo del segnale radio dalla Terra a Marte dura più di 13 minuti. Pertanto, al termine della discesa di sette minuti, tutti quegli eventi sono accaduti - o non sono accaduti - e nessuno sulla Terra sa quale. O il tuo veicolo spaziale si trova magnificamente sulla superficie di Marte o giace in un mucchio schiantato.
Ecco perché scienziati e ingegneri delle missioni su Marte lo chiamano "Seven Minutes of Terror".
E con la missione Mars Science Laboratory (MSL), lanciata dalla Terra nel novembre del 2011, la paura e la trepidazione su quella che viene ufficialmente chiamata "Entry, Descent and Landing" (EDL) sono aumentate esponenzialmente. MSL ha un rover a 6 ruote da 1 tonnellata (900 kg) chiamato Curiosity, e questo rover avrebbe usato un sistema di atterraggio nuovo e non testato.
Ad oggi, tutti i lander e i rover su Marte hanno utilizzato - in ordine - un ingresso guidato da un razzo, uno scudo termico per proteggere e rallentare il veicolo, quindi un paracadute, seguito da propulsori per rallentare ulteriormente il veicolo. Anche la curiosità userebbe questa sequenza. Tuttavia, un componente finale e cruciale comprendeva uno dei dispositivi di atterraggio più complessi mai pilotati.
Soprannominato "Sky Crane", un palco a razzo sospeso abbasserebbe il rover su cavi da 20 metri di corda Vectran come un alpinista in discesa, con il rover atterraggio morbido direttamente sulle sue ruote. Tutto ciò doveva essere completato in pochi secondi, e quando il computer di bordo rilevava il touchdown, la pirotecnica tagliava le corde e la fase di discesa sospesa si allontanava a tutto gas per atterrare lontano dalla curiosità.
A complicare ulteriormente le cose, questo rover avrebbe tentato l'atterraggio off-world più preciso di sempre, posandosi all'interno di un cratere vicino a una montagna all'altezza del Monte Rainier.
Una parte importante dell'incertezza era che gli ingegneri non potevano mai testare l'intero sistema di atterraggio tutti insieme, in sequenza. E nulla potrebbe simulare le brutali condizioni atmosferiche e la gravità più leggera presente su Marte se non essere su Marte stesso. Poiché il vero atterraggio sarebbe la prima volta che la gru a cielo pieno sarebbe stata utilizzata, c'erano delle domande: cosa accadrebbe se i cavi non si separassero? E se la fase di discesa continuasse a scendere proprio sopra il rover?
Se la Sky Crane non avesse funzionato, sarebbe stato il game-over per una missione che aveva già superato così tanto: problemi tecnici, ritardi, sovraccarichi di costi e l'ira dei critici che affermavano che questo rover su Marte da $ 2,5 miliardi stava facendo sanguinare denaro da il resto del programma di esplorazione planetaria della NASA.
Missioni su Marte
Con il suo bagliore rosso nel cielo notturno, Marte ha fatto cenno agli osservatori di cielo per secoli. Essendo il pianeta più vicino alla Terra che offre un potenziale per future missioni o colonizzazioni umane, è stato di grande interesse nell'era dell'esplorazione spaziale. Ad oggi, oltre 40 missioni robotiche sono state lanciate sul Pianeta Rosso ... o più precisamente, oltre 40 missioni tentata.
Compresi tutti gli sforzi statunitensi, europei, sovietici / russi e giapponesi, oltre la metà delle missioni su Marte sono fallite, a causa di un disastro di lancio, un malfunzionamento in rotta verso Marte, un tentativo fallito di scivolare in orbita o un atterraggio catastrofico. Mentre le recenti missioni hanno avuto un successo maggiore rispetto ai nostri primi tentativi pionieristici di esplorare Marte in situ (sul posto), scienziati e ingegneri spaziali stanno scherzando solo parzialmente quando parlano di cose come un "Grande Galattico Galattico" o "La Maledizione di Marte" missioni.
Ma ci sono stati anche successi meravigliosi. Le prime missioni degli anni '60 e '70 come gli orbitanti Mariner e i lander vichinghi ci mostrarono un mondo straordinariamente bello, anche se sterile e roccioso, deludendo così ogni speranza di "piccoli uomini verdi" come nostri vicini planetari. Ma le missioni successive hanno rivelato una dicotomia: magnifica desolazione combinata con allettanti accenni di attività acquatiche e globali passate - o forse persino attuali -.
Oggi, la superficie di Marte è fredda e asciutta e la sua atmosfera sussurrata non protegge il pianeta dal bombardamento delle radiazioni del sole. Ma le indicazioni sono le condizioni su Marte non erano sempre così. Visibili dall'orbita sono i canali e i complessi sistemi a valle che sembrano essere stati scolpiti dall'acqua che scorre.
Per decenni, gli scienziati planetari hanno discusso se queste caratteristiche si fossero formate durante brevi periodi umidi causati da eventi catastrofici come un massiccio attacco di asteroidi o un'improvvisa calamità climatica, o se si fossero formate in milioni di anni in cui Marte poteva essere costantemente caldo e umido. Gran parte delle prove finora è ambigua; queste caratteristiche potrebbero essersi formate in entrambi i modi. Ma miliardi di anni fa, se ci fossero fiumi e oceani, proprio come sulla Terra, la vita avrebbe potuto prendere piede.
The Rovers
Il rover Curiosity è il quarto veicolo spaziale mobile che la NASA ha inviato sulla superficie di Marte. Il primo era un rover di 23,6 kg (10,6 kg) di nome Sojourner che sbarcò su una pianura marziana coperta di rocce il 4 luglio 1997. Circa le dimensioni di un forno a microonde, il Sojourner lungo 65 cm non attraversava mai più di 40 piedi di distanza dal suo lander e dalla stazione base. Il rover e il lander costituirono insieme la missione Pathfinder, che doveva durare circa una settimana. Invece, è durato quasi tre mesi e il duo ha restituito 2,6 gigabit di dati, catturando più di 16.500 immagini dal lander e 550 immagini dal rover, oltre a prendere misure chimiche di rocce e suolo e studiare l'atmosfera e il clima di Marte. Ha identificato le tracce di un passato più caldo e umido per Marte.
La missione ebbe luogo quando Internet stava guadagnando popolarità e la NASA decise di pubblicare le foto del rover online non appena furono trasmesse sulla Terra. Questo finì per essere uno dei più grandi eventi nella storia della giovane Internet, con il sito Web della NASA (e i siti mirror impostati per l'elevata domanda) che ricevevano oltre 430 milioni di hit nei primi 20 giorni dopo l'atterraggio.
Anche Pathfinder utilizzava un insolito sistema di atterraggio. Invece di usare i propulsori per atterrare sulla superficie, gli ingegneri hanno inventato un sistema di airbag giganti per circondare e proteggere il veicolo spaziale. Dopo aver utilizzato il sistema convenzionale di entrata a razzo, scudo termico, paracadute e propulsori, gli airbag si gonfiarono e il lander bozzolo fu lasciato cadere da 30 m dal suolo. Rimbalzando più volte sulla superficie di Marte come un gigantesco pallone da spiaggia, Pathfinder alla fine si fermò, gli airbag si sgonfiarono e il lander si aprì per consentire al rover di emergere.
Sebbene possa sembrare una pazza strategia di atterraggio, ha funzionato così bene che la NASA ha deciso di utilizzare versioni più grandi degli airbag per la prossima missione del rover: due rover identici chiamati Spirit e Opportunity. I Mars Exploration Rovers (MER) hanno le dimensioni di un tosaerba da equitazione, lunghi 5,2 piedi (1,6 metri), e pesano circa 185 libbre (185 libbre). Spirit è atterrato con successo vicino all'equatore di Marte il 4 gennaio 2004 e tre settimane dopo Opportunity è rimbalzato sull'altro lato del pianeta. L'obiettivo di MER era quello di trovare prove di acqua passata su Marte ed entrambi i rover hanno raggiunto il jackpot. Tra le molte scoperte, Opportunity ha trovato affioramenti rocciosi antichi che si sono formati nell'acqua che scorre e Spirit ha trovato insolite rocce di silice a forma di cavolfiore che gli scienziati stanno ancora studiando, ma possono fornire indizi sulla potenziale antica vita marziana.
Incredibilmente, al momento della stesura di questo scritto (2016) il rover Opportunity è ancora operativo, guida più di una maratona (42 km) e continua ad esplorare Marte in un grande cratere chiamato Endeavour. Lo spirito, tuttavia, ha ceduto alla perdita di potere durante il freddo inverno marziano nel 2010 dopo essersi bloccato in una sabbia. I due rover sopravvissero di gran lunga alla loro prevista durata di 90 giorni.
In qualche modo, i rover hanno sviluppato ciascuno una "personalità" distinta - o, forse, un modo migliore per dire che è quella gente assegnato personalità ai robot. Lo spirito era un bambino problematico e una regina del dramma ma doveva lottare per ogni scoperta; Opportunity, una sorella minore privilegiata e interprete protagonista, poiché le nuove scoperte le sembravano facili. Spirito e opportunità non sono stati progettati per essere adorabili, ma i rover affascinanti hanno catturato l'immaginazione di bambini e veterani dello spazio. Il responsabile del progetto MER, John Callas, una volta definì i gemelli rover "le cose più dannatamente dannose del Sistema Solare". Mentre i rover di lunga durata e fortunati superavano rischi e pericoli, inviavano ogni giorno cartoline da Marte. E i terrestri li adoravano per questo.
Curiosità
Sebbene sia stato a lungo nella nostra lista di cose da fare nello spazio, non abbiamo ancora capito come inviare gli umani su Marte. Abbiamo bisogno di razzi e veicoli spaziali più grandi e avanzati, di una tecnologia migliore per cose come il supporto vitale e la crescita del nostro cibo, e non abbiamo davvero la capacità di sbarcare i carichi utili molto grandi necessari per creare un insediamento umano su Marte.
Ma nel frattempo - mentre proviamo a capirlo - abbiamo inviato l'equivalente robotico di un geologo umano sul Pianeta Rosso. Il rover Curiosity delle dimensioni di un'auto è armato con una serie di diciassette telecamere, un trapano, uno scoop, un obiettivo manuale e persino un laser. Questi strumenti ricordano l'equipaggiamento che i geologi usano per studiare rocce e minerali sulla Terra. Inoltre, questo rover imita l'attività umana attraverso l'arrampicata in montagna, mangiando (in senso figurato), flettendo il braccio (robotico) e prendendo selfie.
Questo geologo robot itinerante è anche un laboratorio di chimica mobile. Un totale di dieci strumenti sul rover aiuta a cercare carbonio organico che potrebbe indicare la materia prima richiesta dalla vita e "annusa" l'aria marziana, cercando di annusare se sono presenti gas come il metano - che potrebbe essere un segno di vita -. Il braccio robotico di Curiosity porta un coltellino di gadget dell'esercito svizzero: una macchina fotografica simile a una lente d'ingrandimento, uno spettrometro per misurare elementi chimici e un trapano per perforare le rocce e alimentare campioni ai laboratori denominati SAM (Sample Analysis at Mars) e) e CheMin (Chimica e mineralogia). Il laser ChemCam può vaporizzare la roccia fino a 7 metri di distanza e identificare i minerali dallo spettro di luce emessa dalla roccia fatta saltare. Una stazione meteorologica e un monitor delle radiazioni completano i dispositivi di bordo.
Con queste fotocamere e strumenti, il rover diventa gli occhi e le mani di un team internazionale di circa 500 scienziati terrestri.
Mentre i precedenti rover su Marte utilizzavano gli array solari per raccogliere la luce solare per ottenere energia, Curiosity utilizza un RTG come New Horizons. L'elettricità generata dall'RTG alimenta ripetutamente batterie ricaricabili agli ioni di litio e anche il calore dell'RTG viene convogliato nello chassis del rover per mantenere calda l'elettronica interna.
Con le dimensioni e il peso di Curiosity, il sistema di atterraggio dell'airbag utilizzato dai rover precedenti era fuori discussione. Come ha spiegato l'ingegnere della NASA Rob Manning, "Non puoi far rimbalzare qualcosa di così grande". Sky Crane è una soluzione audace.
La missione di Curiosity: capire come Marte si è evoluto nel corso di miliardi di anni e determinare se una volta era - o anche ora è - in grado di supportare la vita microbica.
L'obiettivo di Curiosity per l'esplorazione: un scienziati di montagna di 5,5 miglia (5,5 km) di altezza su Marte chiamano Monte. Sharp (formalmente noto come Aeolis Mons) che si trova nel mezzo del cratere Gale, un bacino di impatto di 96 miglia (155 km) di diametro.
Gale è stato scelto tra 60 siti candidati. I dati provenienti dall'astronave in orbita hanno determinato che la montagna ha dozzine di strati di roccia sedimentaria, forse costruiti nel corso di milioni di anni. Questi strati potrebbero raccontare la storia della storia geologica e climatica di Marte. Inoltre, sia la montagna che il cratere sembrano avere canali e altre caratteristiche che sembrano scolpite dall'acqua che scorre.
Il piano: MSL sarebbe atterrato in una parte più bassa e piatta del cratere e avrebbe lavorato con cura verso l'alto verso la montagna, studiando ogni strato, essenzialmente facendo un giro nelle epoche della storia geologica di Marte.
La parte più difficile sarebbe arrivarci. E il team MSL ha avuto solo una possibilità per farlo bene.
Landing Night
L'atterraggio di Curiosity il 5 agosto 2012 è stato uno degli eventi di esplorazione spaziale più attesi della storia recente. Milioni di persone hanno visto gli eventi svolgersi online e in TV, con i feed dei social media pieni di aggiornamenti. Il feed della NASA TV dal controllo della missione di JPL è stato trasmesso in diretta sugli schermi di Time Square a New York e in luoghi in tutto il mondo che ospitano "sbarchi".
Ma l'epicentro dell'azione era alla JPL, dove centinaia di ingegneri, scienziati e funzionari della NASA si erano radunati presso la Space Flight Operations Facility della JPL. Il team EDL - tutti indossando polo blu chiaro abbinati - ha monitorato le console dei computer al controllo della missione.
Due membri del team si sono distinti: il team di EDL a capo di Adam Steltzner - che indossa i capelli in un pompadour simile a Elvis - camminava avanti e indietro tra le file di console. Il direttore di volo Bobak Ferdowski ha sfoggiato un elaborato Mohawk a stelle e strisce. Ovviamente, nel ventunesimo secolo, le acconciature esotiche hanno sostituito gli occhiali neri del 1960 e le protezioni da tasca per gli ingegneri della NASA.
Al momento dello sbarco, Ashwin Vasavada era uno degli scienziati al servizio più lunghi del team missionario, dopo essersi unito a MSL come vice scienziato del progetto nel 2004, quando il rover era in costruzione. Allora, gran parte del lavoro di Vasavada stava lavorando con i team degli strumenti per finalizzare gli obiettivi dei loro strumenti e supervisionare i team tecnici per aiutare a sviluppare gli strumenti e integrarli con il rover.
Ciascuno dei dieci strumenti selezionati ha portato un team di scienziati, quindi con ingegneri, personale aggiuntivo e studenti, c'erano centinaia di persone che preparavano il rover per il lancio. Vasavada aiutò a coordinare ogni decisione e modifica che potesse influenzare l'eventuale scienza fatta su Marte. Durante l'atterraggio, tuttavia, tutto ciò che poteva fare era guardare.
"Ero nella stanza accanto alla sala di controllo che veniva mostrato in TV", ha detto Vasavada. "Per l'atterraggio non c'era altro che potessi fare se non rendermi conto degli ultimi otto anni della mia vita e il mio intero futuro era tutto su quei sette minuti di EDL".
Inoltre, il fatto che nessuno conoscesse il vero destino del rover fino a 13 minuti dopo il fatto dovuto al tempo di ritardo della radio ha portato a una sensazione di impotenza per tutti in JPL.
"Anche se ero seduto su una sedia", ha aggiunto Vasavada, "Penso di essere stato raggomitolato mentalmente in posizione fetale".
Mentre Curiosity si avvicinava a Marte, altre tre astronavi già in orbita attorno al pianeta si mossero in posizione per poter tenere d'occhio il nuovo arrivato MSL mentre trasmetteva informazioni sul suo stato. Inizialmente, MSL comunicava direttamente con le antenne Deep Space Network (DSN) sulla Terra.
Per rendere la telemetria dal veicolo spaziale quanto più snella possibile durante l'EDL, Curiosity ha inviato 128 toni semplici ma distinti che indicano quando sono stati attivati i passaggi nel processo di atterraggio. Allen Chen, un ingegnere nella sala di controllo, annunciò ognuno appena arrivarono: un suono indicava che l'astronave era entrata nell'atmosfera di Marte; un altro segnalò che i propulsori sparavano, guidando l'astronave verso il cratere Gale. I primi battiti e sorrisi provengono dal team di Mission Control ai primi toni, con le emozioni che aumentano mentre il veicolo spaziale si avvicinava sempre più alla superficie.
A metà della discesa, MSL è andato sotto l'orizzonte marziano, mettendolo fuori comunicazione con la Terra. Ma i tre orbiter - Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter e Mars Express - erano pronti a catturare, registrare e inoltrare dati al DSN.
Senza soluzione di continuità, i toni continuavano ad arrivare sulla Terra mentre ogni fase dell'atterraggio continuava in modo impeccabile. Il paracadute schierato. Lo scudo termico cadde via. Un tono segnalò la fase di discesa che trasportava il rover lasciò andare il paracadute, un altro indicava un volo potenziato e una discesa verso la superficie. Un altro tono significava che la Sky Crane iniziò ad abbassare il rover in superficie.
Arrivò un tono che indicava che le ruote di Curiosity toccavano la superficie, ma anche questo non significava successo. Il team ha dovuto assicurarsi che la manovra di volo Sky Crane funzionasse.
Poi, arrivò il tono che stavano aspettando: "Touchdown confermato", esultò Chen. "Siamo al sicuro su Marte!"
Il pandemonio e la gioia sono scoppiati nel controllo della missione di JPL, nei siti delle squadre di sbarco e sui social media. Sembrava che il mondo celebrasse insieme in quel momento. Sovraccarichi di costi, ritardi, tutte le cose negative mai espresse sulla missione MSL sembra svanire con il trionfo dell'atterraggio.
"Benvenuti su Marte!" il direttore del Jet Propulsion Laboratory, Charles Elachi, ha dichiarato in una conferenza stampa a seguito del drammatico touchdown: “Stasera siamo atterrati, domani iniziamo a esplorare Marte. La nostra curiosità non ha limiti. "
"I sette minuti in realtà sono andati molto velocemente", ha detto Vasavada. “Era finito prima che lo sapessimo. Poi tutti saltavano su e giù, anche se la maggior parte di noi stava ancora elaborando che è andata così bene. ”
Il fatto che l'atterraggio sia andato così bene, anzi perfettamente, potrebbe aver scioccato un po 'della squadra di JPL. Mentre avevano provato diverse volte l'atterraggio di Curiosity, in modo straordinario, non furono mai in grado di atterrare il veicolo nelle loro simulazioni.
"Abbiamo provato a provarlo in modo molto accurato", ha detto Vasavada, "in modo che tutto fosse sincronizzato - sia la telemetria che avevamo simulato che sarebbe venuto dal veicolo spaziale, sia le animazioni in tempo reale che erano state create. Era una cosa piuttosto complessa, ma in realtà non ha mai funzionato. Quindi l'atterraggio vero e proprio è stata la prima volta che tutto ha funzionato nel modo giusto. ”
La curiosità è stata programmata per scattare immediatamente le foto dei suoi dintorni. Entro due minuti dall'atterraggio, le prime immagini furono trasmesse sulla Terra e spuntarono sugli schermi di visualizzazione di JPL.
"Avevamo cronometrato gli orbiter per sorvolare durante l'atterraggio, ma non sapevamo con certezza se il loro collegamento a staffetta sarebbe durato abbastanza a lungo da far scendere le immagini iniziali", ha detto Vasavada. “Quelle prime foto erano piuttosto scadenti perché le coperture protettive erano ancora sulle telecamere e i propulsori avevano sollevato molta polvere sulle copertine. Non siamo riusciti a vederlo molto bene, ma siamo comunque saltati su e giù perché erano immagini di Marte. "
Sorprendentemente, una delle prime immagini mostrò esattamente ciò che il rover era stato mandato a studiare.
“Siamo atterrati con le telecamere sostanzialmente rivolte direttamente sul Monte. Sharp, "disse Vasavada, scuotendo la testa. “Nell'immagine HazCam (telecamera di emergenza), proprio tra le ruote, abbiamo realizzato questo splendido scatto. C'era la montagna. Era come un'anteprima dell'intera missione, proprio di fronte a noi. ”
Domani: parte 2 di "Roving Mars With Curiosity", con "Living on Mars Time" e "Discoveries"
"Storie incredibili dallo spazio: uno sguardo dietro le quinte delle missioni che cambiano la nostra visione del cosmo" è pubblicato da Page Street Publishing, una filiale di Macmillan.
