Quando viaggi in terre lontane, fai i bagagli con attenzione. Ciò che porti deve essere completo ma non tanto da essere un peso. E una volta arrivato, devi essere pronto a fare qualcosa di straordinario per rendere utile il lungo viaggio.
Il precedente articolo della rivista Space "Come si atterra su una cometa?" ha descritto la tecnica di sbarco di Philae sulla cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko. Ma cosa farà il lander una volta arrivato e sistemato nel suo nuovo ambiente? Come disse Henry David Thoreau, "Non vale la pena andare in giro per il mondo a contare i gatti a Zanzibar". Lo stesso vale per il lander Philae di Rosetta. Con il set sul palco - un sito di atterraggio scelto e la data di sbarco dell'11 novembre, il lander Philae è dotato di un set di strumenti scientifici attentamente studiato. Completo e compatto, Philae è come un coltellino svizzero di strumenti per intraprendere il primo esame sul posto (in situ) di una cometa.
Ora, considera gli strumenti scientifici su Philae che sono stati selezionati circa 15 anni fa. Proprio come ogni buon viaggiatore, dovevano essere impostati budget che funzionavano come vincoli alla selezione dello strumento che potevano essere imballati e portati avanti nel viaggio. C'era un peso massimo, volume massimo e potenza. La massa finale di Philae è di 100 kg (220 libbre). Il suo volume è 1 × 1 × 0,8 metri (3,3 × 3,3 × 2,6 piedi) delle dimensioni di un forno a quattro fuochi. Tuttavia, Philae deve funzionare con una piccola quantità di energia immagazzinata all'arrivo: 1000 Watt-ora (equivalente di una lampadina da 100 watt in funzione per 10 ore). Una volta esaurita tale energia, produrrà un massimo di 8 watt di elettricità dai pannelli solari per essere immagazzinato in una batteria da 130 Watt all'ora.
Senza alcuna garanzia che atterrerebbero casualmente e producessero più energia, i progettisti di Philae hanno fornito una batteria ad alta capacità che viene caricata, una volta sola, dai principali array solari di veicoli spaziali (64 metri quadrati) prima della discesa sulla cometa. Con una sequenza iniziale di comandi scientifici a bordo di Philae e la potenza della batteria immagazzinata da Rosetta, Philae non perderà tempo per iniziare l'analisi - non diversamente da un'analisi forense - per fare una "dissezione" di una cometa. Successivamente, utilizzano la batteria più piccola che richiederà almeno 16 ore per ricaricarsi, ma consentirà a Philae di studiare 67P / Churyumov-Gerasimenko per potenzialmente mesi.
Ci sono 10 pacchetti di strumenti scientifici sul lander Philae. Gli strumenti usano luce assorbita, diffusa ed emessa, conduttività elettrica, magnetismo, calore e persino acustica per valutare le proprietà della cometa. Tali proprietà includono la struttura superficiale (la morfologia e la composizione chimica del materiale superficiale), la struttura interna di P67, il campo magnetico e i plasmi (gas ionizzati) sopra la superficie. Inoltre, Philae ha un braccio per uno strumento e il corpo principale di Philae può essere ruotato di 360 gradi attorno al suo asse Z. Il post che supporta Philae e include un ammortizzatore di impatto.
CIVA e ROLIS sistemi di imaging. CIVA rappresenta tre telecamere che condividono alcuni componenti hardware con ROLIS. CIVA-P (Panoramica) è sette telecamere identiche, distribuite intorno al corpo di Philae ma con due funzioni in tandem per l'imaging stereo. Ognuno ha un campo visivo di 60 gradi e utilizza come rivelatore CCD 1024 × 1024. Come la maggior parte delle persone ricorda, le fotocamere digitali sono avanzate rapidamente negli ultimi 15 anni. Gli imager di Philae sono stati progettati alla fine degli anni '90, vicino allo stato dell'arte, ma oggi sono superati, almeno in numero di pixel, dalla maggior parte degli smartphone. Tuttavia, oltre all'hardware, anche l'elaborazione delle immagini nel software è avanzata e le immagini possono essere migliorate per raddoppiare la loro risoluzione.
CIVA-P avrà il compito immediato, nell'ambito della sequenza di comando autonoma iniziale, di sorvegliare l'intero sito di atterraggio. È fondamentale per l'impiego di altri strumenti. Utilizzerà anche la rotazione dell'asse Z del corpo di Philae per il rilevamento. CIVA-M / V è un microscopico imager a 3 colori (risoluzione 7 micron) e CIVA-M / I è uno spettrometro a infrarossi vicini (intervallo di lunghezze d'onda da 1 a 4 micron) che ispezionerà ciascuno dei campioni che vengono consegnati a i forni COSAC e PTOLEMY prima del riscaldamento dei campioni.
ROLIS è una singola telecamera, anche con un rivelatore CCD 1024 × 1024, con il ruolo principale di sorvegliare il sito di atterraggio durante la fase di discesa. La fotocamera è fissa e rivolta verso il basso con un obiettivo regolabile con messa a fuoco f / 5 (rapporto f) con un campo visivo di 57 gradi. Durante la discesa è impostato su infinito e scatta immagini ogni 5 secondi. La sua elettronica comprime i dati per ridurre al minimo i dati totali che devono essere memorizzati e trasmessi a Rosetta. La messa a fuoco si regolerà appena prima del touchdown ma, successivamente, la telecamera funziona in modalità macro per rilevare spettroscopicamente la cometa immediatamente sotto Philae. La rotazione del corpo di Philae creerà un "circolo di lavoro" per ROLIS.
Il design multi-ruolo di ROLIS mostra chiaramente in che modo scienziati e ingegneri hanno lavorato insieme per ridurre complessivamente peso, volume e consumo energetico e rendere possibile Philae e, insieme a Rosetta, rientrare nei limiti di carico utile del veicolo di lancio, limiti di potenza del solare celle e batterie, limitazioni del sistema di comando e dati e trasmettitori radio.
APXS. Questo è un Spettrometro a raggi X Alpha Proton. Questo è quasi uno strumento indispensabile del coltellino svizzero dello scienziato spaziale. Gli spettrometri APXS sono diventati un appuntamento fisso in tutte le missioni di Mars Rover e Philae è una versione aggiornata di Mars Pathfinder. L'eredità del design APXS sono i primi esperimenti di Ernest Rutherford e altri che hanno portato alla scoperta della struttura dell'atomo e della natura quantistica di luce e materia.
Questo strumento ha una piccola fonte di emissione di particelle alfa (Curium 244) essenziale per il suo funzionamento. I principi di Rutherford Back-scattering di particelle alfa vengono utilizzati per rilevare la presenza di elementi più leggeri come l'idrogeno o il berillio (quelli vicini a una particella alfa in massa, un nucleo di elio). La massa di tali particelle elementari più leggere assorbirà una quantità misurabile di energia dalla particella Alpha durante una collisione elastica; come succede a Rutherford a spargimento posteriore vicino a 180 gradi. Tuttavia, alcune particelle alfa vengono assorbite anziché riflesse dai nuclei del materiale. L'assorbimento di una particella alfa provoca l'emissione di un protone con un'energia cinetica misurabile che è anche unica per la particella elementare da cui proviene (nel materiale cometario); questo è usato per rilevare elementi più pesanti come magnesio o zolfo. Infine, gli elettroni della calotta interna nel materiale di interesse possono essere espulsi dalle particelle alfa. Quando gli elettroni dei gusci esterni sostituiscono questi elettroni persi, emettono una radiografia di energia specifica (quantistica) che è unica per quella particella elementare; pertanto, sono rilevabili elementi più pesanti come ferro o nichel. APXS è l'incarnazione della fisica delle particelle dei primi del XX secolo.
CONSERT. Esperimento sonoro COmet Nucleus mediante trasmissione di onde radio, come suggerisce il nome, trasmetterà le onde radio nel nucleo della cometa. L'orbita di Rosetta trasmette onde radio a 90 MHz e contemporaneamente Philae si trova in superficie per ricevere con la cometa che risiede tra di loro. Di conseguenza, il tempo di viaggio attraverso la cometa e l'energia rimanente delle onde radio è una firma del materiale attraverso il quale si è propagato. Per determinare la struttura interna della cometa saranno necessarie molte trasmissioni e ricezioni radio di CONSERT attraverso una moltitudine di angoli. È simile al modo in cui uno potrebbe percepire la forma di un oggetto ombroso in piedi di fronte a te spostando la testa a sinistra ea destra per vedere come cambia la silhouette; del tutto il tuo cervello percepisce la forma dell'oggetto. Con i dati CONSERT è necessario un complesso processo di deconvoluzione che utilizza i computer. La precisione con cui è noto l'interno della cometa migliora con più misurazioni.
MUPUS. Sensore multiuso per la scienza della superficie e del sottosuolo è una suite di rivelatori per misurare il bilancio energetico, le proprietà termiche e meccaniche della superficie e della superficie della cometa fino a una profondità di 30 cm (1 piede). Ci sono tre parti principali di MUPUS. C'è la PENNA che è il tubo penetratore. La PEN è attaccata a un braccio martellante che si estende fino a 1,2 metri dal corpo. Si dispiega con sufficiente forza verso il basso per penetrare e seppellire la PEN sotto la superficie; sono possibili più colpi di martello. Sulla punta, o ancora, di PEN (il tubo penetratore) si trova un accelerometro e PT100 standard (termometro a resistenza al platino). Insieme, i sensori di ancoraggio lo farannodeterminare il profilo di durezza nel sito di atterraggio e la diffusività termica alla profondità finale [rif]. Quando penetra nelle superfici, una decelerazione più o meno indica un materiale più duro o più morbido. La PEN include una serie di 16 rivelatori termici lungo la sua lunghezza per misurare le temperature del sottosuolo e la conducibilità termica. La PEN ha anche una fonte di calore per trasmettere calore al materiale cometario e misurarne la dinamica termica. Con la fonte di calore spenta, i rilevatori in PEN monitoreranno il bilancio di temperatura ed energia della cometa mentre si avvicina al Sole e si riscalda. La seconda parte è il MUPUS TM, un radiometro in cima alla PEN che misura la dinamica termica della superficie. TM è costituito da quattro sensori di termopila con filtri ottici per coprire una gamma di lunghezze d'onda da 6-25 µm.
SD2 Il trapano e il dispositivo di distribuzione del campione penetreranno nella superficie e nella superficie del sottosuolo fino a una profondità di 20 cm. Ogni campione prelevato avrà un volume di alcuni millimetri cubi e sarà distribuito a 26 forni montati su una giostra. I forni riscaldano il campione che crea un gas che viene consegnato ai gascromatografi e agli spettrometri di massa COSAC e PTOLEMY. Le osservazioni e l'analisi dei dati APXS e ROLIS saranno utilizzate per determinare le posizioni di campionamento che saranno tutte su un "cerchio di lavoro" dalla rotazione del corpo di Philae attorno al suo asse Z.
COSAC Campionamento e composizione cometari sperimentare. Il primo gascromatografo (GC) che ho visto era in un laboratorio universitario e veniva utilizzato dal responsabile del laboratorio per test forensi a supporto del dipartimento di polizia locale. L'intenzione di Philae non è altro che eseguire test forensi su una cometa a centinaia di milioni di miglia dalla Terra. Philae è effettivamente il vetro spia di Sherlock Holmes e Sherlock è tutti i ricercatori sulla Terra. Il gascromatografo COSAC include uno spettrometro di massa e misurerà le quantità di elementi e molecole, in particolare molecole organiche complesse, costituendo il materiale delle comete. Mentre quel primo GC da laboratorio che ho visto era più vicino alle dimensioni di Philae, i due GC in Philae hanno le dimensioni di scatole di scarpe.
TOLOMEO. Un analizzatore di gas evoluto [ref], un diverso tipo di gascromatografo. Lo scopo di Tolomeo è misurare le quantità di isotopi specifici per ricavare i rapporti isotopici, ad esempio 2 parti di isotopo C12 in una parte C13. Per definizione, gli isotopi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni nei loro nuclei. Un esempio sono i 3 isotopi di carbonio, C12, C13 e C14; i numeri sono il numero di neutroni. Alcuni isotopi sono stabili mentre altri possono essere instabili: radioattivi e decadono in forme stabili dello stesso elemento o in altri elementi. Ciò che interessa agli investigatori di Tolomeo è il rapporto tra isotopi stabili (naturali e non quelli affetti da, o derivanti da, decadimento radioattivo) per gli elementi H, C, N, O e S, ma in particolare il carbonio. I rapporti saranno indicatori rivelatori di dove e come vengono create le comete. Fino ad ora, le misurazioni spettroscopiche delle comete per determinare i rapporti isotopici sono state a distanza e l'accuratezza è stata inadeguata per trarre conclusioni definitive sull'origine delle comete e su come le comete sono collegate alla creazione di pianeti e all'evoluzione della Nebulosa Solare, il luogo di nascita del nostro sistema planetario che circonda il Sole, la nostra stella. Un analizzatore di gas evoluto riscalda un campione (~ 1000 C) per trasformare i materiali in uno stato gassoso che uno spettrometro può misurare con precisione le quantità. Uno strumento simile, TEGA (Analizzatore di gas evoluto termico) era uno strumento sul lander di Mars Phoenix.
SESAMO Esperimento sul suono elettrico di superficie e sul monitoraggio acusticoQuesto strumento coinvolge tre rilevatori unici. Il primo è il SESAME / CASSE, il rivelatore acustico. Ogni piede di atterraggio di Philae ha emettitori e ricevitori acustici. Ciascuna delle gambe si alternerà trasmettendo onde acustiche (da 100 Hertz a KiloHertz range) nella cometa misurata dai sensori delle altre gambe. In che modo quell'onda viene attenuata, cioè indebolita e trasformata, dal materiale cometario che attraversa, può essere utilizzata insieme ad altre proprietà cometarie acquisite dagli strumenti Philae, per determinare le variazioni giornaliere e stagionali nella struttura della cometa fino a una profondità di circa 2 metri. Inoltre, in modalità passiva (ascolto), CASSE monitorerà le onde sonore da scricchiolii, gemiti all'interno della cometa causati potenzialmente da sollecitazioni da riscaldamento solare e gas di sfiato.
Il prossimo è il rivelatore SESAME / PP - la sonda di permittività. La permittività è la misura della resistenza di un materiale ai campi elettrici. SESAME / PP fornirà un campo elettrico oscillante (onda sinusoidale) nella cometa. I piedi di Philae portano i ricevitori: elettrodi e generatori di seno sinusoidali per emettere il campo elettrico. La resistenza del materiale cometario a circa 2 metri di profondità viene quindi misurata fornendo un'altra proprietà essenziale della cometa: la permittività.
Il terzo rilevatore si chiama SESAME / DIM. Questo è il contatore della polvere di comete. Sono stati utilizzati diversi riferimenti per compilare queste descrizioni degli strumenti. Per questo strumento, c'è, quella che chiamerei, una bella descrizione che citerò semplicemente qui con riferimento. “Il cubo Dust Impact Monitor (DIM) sulla parte superiore del balcone Lander è un sensore di polvere con tre sensori piezoelettrici attivi ortogonali (50 × 16) mm. Dalla misurazione della tensione di picco transitoria e della durata del mezzo contatto, è possibile calcolare velocità e raggi delle particelle di polvere impattanti. È possibile misurare particelle con raggi da circa 0,5 µm a 3 mm e velocità da 0,025 a 0,25 m / s. Se il rumore di fondo è molto alto, o la velocità e / o le ampiezze del segnale di scoppio sono troppo alte, il sistema passa automaticamente alla cosiddetta modalità Continuo medio; cioè, sarà ottenuto solo il segnale medio, dando una misura del flusso di polvere. " [Ref]
ROMAP Magnetometro e plasma Rosetta Lander il rilevatore include anche un terzo rilevatore, un sensore di pressione. Numerosi veicoli spaziali sono volati da comete e un campo magnetico intrinseco, uno creato dal nucleo della cometa (il corpo principale) non è mai stato rilevato. Se esiste un campo magnetico intrinseco, è probabile che sia molto debole e sarebbe necessario atterrare sulla superficie. Trovarne uno sarebbe straordinario e trasformerebbe le teorie riguardanti le comete in testa. Basso ed ecco che Philae ha un magnetometro fluxgate.
Il campo magnetico (B) della Terra che ci circonda è misurato in decine di migliaia di nano-Tesla (unità SI, miliardesimo di Tesla). Oltre il campo terrestre, i pianeti, gli asteroidi e le comete sono tutti immersi nel campo magnetico del Sole che, vicino alla Terra, viene misurato in cifre singole, da 5 a 10 nano-Tesla. Il rilevatore di Philae ha un raggio di +/- 2000 nanoTesla; una gamma per ogni evenienza ma prontamente offerta da fluxgates. Ha una sensibilità di 1/100 di un nanoTesla. Quindi, l'ESA e Rosetta sono venute preparate. Il magnetometro può rilevare un campo molto piccolo se è lì. Consideriamo ora il rilevatore di plasma.
Gran parte della dinamica dell'Universo comporta l'interazione di gas ionizzati al plasma (generalmente mancano uno o più elettroni portando quindi una carica elettrica positiva) con campi magnetici. Le comete coinvolgono anche tali interazioni e Philae trasporta un rilevatore di plasma per misurare l'energia, la densità e la direzione degli elettroni e degli ioni caricati positivamente. Le comete attive rilasciano essenzialmente un gas neutro nello spazio più piccole particelle solide (polvere). La radiazione ultravioletta del Sole ionizza parzialmente il gas cometario della coda della cometa, cioè crea un plasma. A una certa distanza dal nucleo della cometa, a seconda di quanto sia caldo e denso quel plasma, c'è una contrapposizione tra il campo magnetico del Sole e il plasma della coda. Il campo del Sole B tende attorno alla coda della cometa come un lenzuolo bianco drappeggiato su un dolcetto o scherzetto di Halloween ma senza buchi per gli occhi.
Quindi sulla superficie di P67, il rivelatore ROMAP / SPM di Philae, gli analizzatori elettrostatici e un sensore a tazza di Faraday misureranno elettroni e ioni liberi nello spazio non così vuoto. Un plasma "freddo" circonda la cometa; SPM rileverà energia cinetica ionica nell'intervallo da 40 a 8000 elettronvolt (eV) ed elettroni da 0,35 eV a 4200 eV. Ultimo ma non meno importante, ROMAP include un sensore di pressione in grado di misurare una pressione molto bassa - un milionesimo o un miliardesimo o meno della pressione atmosferica di cui godiamo sulla Terra. Viene utilizzato un vacuometro Penning che ionizza il gas principalmente neutro vicino alla superficie e misura la corrente che viene generata.
Philae porterà 10 suite di strumenti sulla superficie di 67P / Churyumov-Gerasimenko, ma complessivamente dieci rappresentano 15 diversi tipi di rivelatori. Alcuni sono interdipendenti, vale a dire, per derivare determinate proprietà, sono necessari più set di dati. L'atterraggio di Philae sulla superficie della cometa fornirà i mezzi per misurare molte proprietà di una cometa per la prima volta e altre con una precisione significativamente maggiore. Complessivamente, gli scienziati si avvicineranno alla comprensione delle origini delle comete e del loro contributo all'evoluzione del sistema solare.
