Mașinile pe care le conducem în prezent sunt printre cele mai complexe produse realizate la nivel industrial. Indiferent de marcă sau model, o mașină are aproximativ 30.000 de componente, dacă luăm în calcul inclusiv cele mai mici șuruburi și piulițe.
Inevitabilele probleme de fiabilitate apar în mod natural chiar și în cazul celor mai buni constructori auto, ca urmare a depășirii duratei de viață a componentelor sau a exploatării neconforme a mașinii. Și asta în ciuda faptului că cei mai mulți dintre noi conducem mașinile preponderent pe asfalt și în condiții meteo mai mult decât decente.
Imaginează-ți acum că unii dintre cei mai capabili ingineri ai planetei dezvoltă “mașini” adaptate special pentru a circula pe o altă planetă. Pe o planetă pe care nu există drumuri asfaltate, ci doar un teren arid cu numeroase obstacole sub formă de roci și cratere. Unde temperaturile pot urca uneori până la 20 de grade Celsius, dar în același timp pot scădea cu ușurință și la -100 de grade Celsius. Unde nu există niciun garaj sau parcare subterană pentru protecția împotriva puternicelor furtuni de nisip.
Acest mediu aparent ostil, dar totuși relativ prietenos comparativ cu “oferta” propusă de celelalte planete din Sistemul Solar, este Marte. Iar “mașina” concepută pentru a face față cu brio acestui mediu se numește Perseverance și a fost dezvoltată de inginerii NASA (Agenția Spațială a Statelor Unite).
Cine este și ce vrea Perseverance de la viața noastră?
Ar fi fost într-adevăr o performanță să citești pe Autocritica un test auto realizat pe planeta Marte. Poate undeva prin anii ‘30. Până atunci îți povestim despre Perseverance.
Perseverance este un rover, cuvânt care definește un vehicul capabil să se deplaseze pe suprafața solidă a unei alte planete. În mod obișnuit, un astfel de rover ajunge pe suprafața unei alte planete prin intermediul unui lander, nume utilizat pentru a defini o navetă spațială care decolează de pe Pământ, călătorește prin spațiu și aterizează pe planeta respectivă fără să deterioreze rover-ul pe care îl transportă.
Am aflat cine este Perseverance, iar acum lămurim și ce vrea de la viața noastră. De fapt, Perseverance nu vrea nimic de la viața noastră, ci vrea ceva de la viața marțiană. Mai exact, principalul scop al lui Perseverance este să descopere dovezi că viața a existat pe Marte în trecutul geologic, adică cu milioane sau miliarde de ani în urmă.
Cum a ajuns Perseverance pe Marte?
Lansat din însorita Florida în 30 iulie 2020 la bordul unei rachete Atlas V, Perseverance a călătorit circa 7 luni și a trecut prin ceea ce specialiștii NASA au numit “cele 7 minute de teroare” de la intrarea în atmosferă până pe solul marțian.
Naveta care a transportat roverul a intrat în atmosfera marțiană la o altitudine de 130 de kilometri cu o viteză de 20.000 km/h. Forța de frecare a generat o creștere a temperaturii până la 1.300 de grade Celsius, în timp ce viteza navetei a scăzut până la aproximativ 1.500 km/h.
Pasul următor a fost deschiderea unei parașute supersonice cu un diametru de 21 de metri, care s-a activat la o altitudine de 11 kilometri și a permis reducerea vitezei la 300 km/h. 20 de secunde mai târziu, scutul termic a fost eliberat, iar roverul a putut “vedea” solul marțian prin intermediul unor camere foto speciale dedicate acestui proces. Roverul a comparat imaginile cu hărțile deja înregistrate în sistem și a decis în mod autonom cel mai bun loc pentru amartizare.
Parașuta și scutul posterior s-au desprins, iar la altitudinea de 20 de metri, cu o viteză de numai 2.7 km/h, roverul s-a separat de navetă printr-un sistem de scripeți, de-a lungul unor cabluri. În momentul în care roțile au luat primul contact cu solul marțian, cablurile s-au desprins.
NASA a realizat o animație detaliată a întregului proces:
Ulterior amartizării, NASA a publicat un clip video cu întregul proces realizat cu o camera on-board, iar cel mai interesant moment este cel de la final, când în imagini se observă modul în care praful marțian se împrăștie la sosirea roverului.
Perseverance este primul rover dezvoltat de NASA care a inclus și două microfoane. Scopul a fost ca NASA să înregistreze amartizarea cu sunet, însă microfoanele s-au activat automat abia după amartizare. Chiar și așa, NASA a publicat un scurt fișier audio prin intermediul căruia omenirea a auzit pentru prima oară briza vântului de pe o altă planetă:
Unde a amartizat Perseverance?
Locul ales de NASA pentru explorarea planetei Marte de către Perseverance este craterul Jezero, întrucât datele obținute până acum sugerează că în trecut aici a existat un lac cu o adâncime de 250 de metri. Prin urmare, acesta este un loc potrivit pentru ca Perseverance să caute urme de viață biologică pe Marte.
Reversul medaliei este că acest crater conține numeroase stânci, dune de nisip și depresiuni, ceea ce face ca deplasarea lui Perseverance să fie cea mai dificilă comparativ cu alte misiuni asemănătoare.
Cum arată și ce caracteristici are Perseverance?
Fișa tehnică este destul de clară: Perseverance are o lungime de 3 metri, o lățime de 2.7 metri și o înălțime de 2.2 metri, în timp ce masa ajunge la 1025 de kilograme. Practic, este mai mic și mai ușor decât un Mini.
La fel ca în cazul unei mașini obișnuite, caroseria roverului are rolul de a proteja computerul și sistemele electronice prin menținerea unei temperaturi relativ constante. Părțile laterale și partea de jos formează cadrul șasiului, în timp ce partea superioară reprezintă puntea pe care sunt amplasate numeroase instrumente. Dacă vrei, poți compara această construcție cu cea a unei mașini decapotabile.
În interiorul caroseriei lui Perseverance se află și cele două computere identice ale sale, Rover Compute Element (RCE), dintre care unul este de rezervă și va intra în funcție doar în cazul unei defecțiuni a “fratelui” său. Acest computer are abilitatea de a tolera radiațiile puternice din spațiu și de la suprafața planetei Marte și, la fel ca un creier uman, analizează diverși parametri care mențin întregul “organism” în “viață”. Cum ar fi temperatura sau nivelul de energie, elemente pe baza cărora decide care sunt activitățile pe care le poate face în cursul unei zile marțiene. În plus, computerul este responsabil pentru programarea și pregătirea sesiunilor de comunicare cu Pământul pentru transmiterea de date.
Inginerii de la NASA transmit computerului comenzi pentru ca Perseverance să realizeze imagini, să conducă sau să opereze instrumentele de la bord, iar pe baza acestor operațiuni roverul realizează apoi o serie de rapoarte despre activități pe care le va transmite spre Pământ atunci când îi vor fi solicitate.
În ciuda complexității sale, computerul este departe de impresiona din punct de vedere tehnic. Procesorul are o frecvență de numai 200 MHz, însă aceasta este de 10 ori mai mare decât cea a computerelor de pe roverele Spirit și Opportunity. De asemenea, memoria RAM este de 256 MB, în timp ce spațiul de stocare atinge 2 GB, adică de circa 8 ori mai mult decât în cazul lui Spirit sau Opportunity.
Cum se deplasează Perseverance pe Marte?
Abilitatea de mișcare este esențială pentru ca roverul să-și îndeplinească misiunea științifică pentru care a fost trimis pe Marte. Perseverance este echipat cu șase roți, iar fiecare roată are propriul motor. În plus, cele două roți din față și cele două roți din spate au motoare individuale pentru direcție, astfel că roverul este capabil să vireze și să se rotească la 360 de grade. Roțile sunt realizate din aluminiu și titan și au un diametru de 20.7 inch, iar o rotire completă a unei roți fără “derapaje” permite roverului să înainteze 1.65 de metri. În plus, roțile sunt acoperite cu 48 de șenile pentru o tracțiune mai bună și cu spițe curbate din titan pentru sprijin elastic, astfel că roverul poate aborda atât terenuri mai nisipoase, cât și roci dure. Un adevărat off-roader.
Pentru a se deplasa, roverul folosește un sistem de suspensii complex. Roțile din mijloc și cele din spate sunt conectate cu roțile din față prin intermediul unui bughiu, iar acest ansamblu este conectat la diferențialul poziționat în partea superioară a roverului.
Suspensiile permit roverului să treacă de obstacole cu înălțimi de până la 52.5 centimetri, similare cu diametrul roților, iar pe teren denivelat permit păstrarea unei greutăți relativ constante pe fiecare roată a roverului și minimalizează înclinarea roverului, ceea ce asigură o stabilitate sporită.
Prin construcție, Perseverance poate suporta unghiuri de înclinare de până la 45 de grade fără să se rostogolească, însă inginerii îl vor îndruma doar în zonele cu inclinări de cel mult 30 de grade, pentru a evita posibile accidente. O decizie inspirată, întrucât cel mai apropiat service este la circa 200 de milioane de kilometri distanță.
Dacă ești curios să afli în cât timp “face suta”, este foarte posibil să fii dezamăgit. Pe teren plat, viteza maximă a roverului este de 4.2 centimetri pe secundă, adică parcurge exact 152 de metri pe oră, în contextul în care viteza obișnuită de mers a omului este de 4 sau chiar 5 kilometri pe oră. Inginerii ar fi putut proiecta un Perseverance mai rapid, însă principalul scop a fost dezvoltarea unui rover cât mai eficient din punct de vedere al energiei consumate. Astfel, Perseverance consumă doar 200 W, comparativ cu cei aproape 48.000 W pe care îi consumă un Logan cu motor de 65 de cai putere.
Cum simulează NASA prezența unui geolog pe Marte?
O mașină autonomă ar fi în mare parte inutilă dacă s-ar plimba prin oraș fără niciun pasager. În același mod, utilitatea lui Perseverance ar fi discutabilă dacă singura funcție a roverului ar fi să se deplaseze din punctul A în punctul B.
Inginerii NASA s-au gândit însă la o metodă intuitivă prin care să simuleze prezența unui om pe Marte. Astfel, roverul este echipat cu un braț robotic cu o lungime de 2.1 metri care se mișcă în mare parte la fel ca brațul unui om, întrucât are în componență inclusiv un umăr, un cot și o încheietură pentru a beneficia de o flexibilitate cât mai mare.
În capătul brațului există inclusiv o așa-numită “turelă”. Și eu m-am dus cu gândul imediat la tancuri, dar Perseverance este pașnic, iar un termen mai potrivit ar fi fost probabil “mână”, dacă ne gândim că aceasta turelă adăpostește camere video și instrumente științifice.
Inginerii NASA spun că, în ansamblul său, brațul robotic “permite roverului să muncească la fel ca un geolog”, pentru că este capabil să colecteze roci și să le studieze la microscop. Dacă aș fi știut asta în 2004, probabil că nu m-aș mai fi înscris la Facultatea de Geologie și Geofizică.
Cum face poze Perseverance?
În absența unui operator uman, roverul Perseverance se va baza pe o serie de camere foto pentru deplasare. Spre deosebire de predecesorii săi, Perseverance este echipat cu o nouă generație de camere inginerești. La prima vedere, specificațiile tehnice sunt departe de cele întâlnite la telefoane populare precum Samsung Galaxy S21 sau iPhone 12: senzorul are 20 MP și realizează imagini la dimensiunea maximă de 5120×3840 pixeli.
Totuși, aceste camere oferă imagini detaliate și au numeroase funcții: verifică statusul componentelor hardware, nivelul de nisip acumulat pe anumite componente sau sprijină procesul de colectare de probe de sol. Camerele dedicate scopurilor inginerești au o carcasă similară, însă lentilele sunt diferite în funcție de task-urile pe care le are fiecare în parte.
Pe lângă aceste camere cu rol ingineresc există două camere foto de navigație, numite Navcams. Acestea au rolul principal de a analiza suprafața terenului și de a determina conturul rocilor din jur pentru a stabili dacă traseul este abordabil. De exemplu, aceste camerele sunt capabile să detecteze obiecte de mărimea unei mingi de golf de la o distanță de 25 de metri.
În plus, există și 6 camere pentru detectarea obstacolelor de mari dimensiuni, cum ar fi rocile sau dunele de nisip, din imediata apropiere a roverului. Acestea au fost grupate sub numele Hazard Detection Cameras sau, mai pe scurt, HazCams. În timpul mersului, roverul se oprește frecvent pentru a realiza fotografii cu camerele HazCams și este capabil să decidă singur dacă este sigur să continue drumul, fără să aștepte instrucțiuni speciale ale echipei de specialiști de pe Pământ. Prin urmare, vorbim despre un rover complet autonom. Asta înseamnă cu adevărat Autopilot. Se aude, Elon Musk?
Ce tip de carburant folosește Perseverance?
Perseverance funcționează pe baza unui generator termoelectric cu o masă de 45 de kilograme și dimensiuni de 46×44 centimetri, iar acesta este poziționat în partea din spate a roverului și a primit oficial numele de Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG). Generatorul utilizează 4.8 kilograme de dioxid de plutoniu radioactiv care generează căldură în timpul procesului de descompunere. Căldura respectivă este transformată în energie electrică, iar aceasta alimentează toate sistemele și instrumentele roverului.
La lansare, generatorul oferă circa 110 W, cantitate de energie care scade ușor pe parcursul misiunii. Pentru situațiile în care Perseverance are nevoie de o cantitate mai mare de energie, roverul include și două baterii Li-Ion. Pe baza acestor date, generatorul ar trebui să fie funcțional timp de 14 ani, deși misiunea de bază a roverului are o durată de numai 3 ani.
Un astfel de sistem de propulsie a devenit deja banal pentru NASA și a fost utilizat inclusiv pentru roverul Curiosity, aflat de asemenea pe Marte. În trecut, sisteme asemănătoare de propulsie au fost folosite și în misiunile Apollo către Lună, Viking către Marte sau sonde spațiale precum Pioneer, Voyager, Ulysses, Galileo, Cassini sau New Horizons.
Comparativ cu soluția panourilor solare, utilizarea dioxidului de plutoniu permite roverului să opereze pe Marte inclusiv pe timp de noapte și în timpul sezonului de iarnă și să evite eventualele probleme legate de acoperirea panourilor solare cu praf în cazul unor furtuni de nisip.
Ce obiective științifice are Perseverance?
Perseverance este echipat cu 23 de camere foto, două microfoane și 7 instrumente științifice. Împreună, acestea trebuie să îndeplinească cele 4 obiective științifice majore ale misiunii.
Primele două obiective științifice au o puternică legătură între ele. Astfel, în primul rând, Perseverance trebuie să identifice mediile din trecut care erau capabile să susțină viața microbiană, iar în al doilea rând trebuie să caute semne care să demonstreze că în trecut a existat viață microbiană în mediile locuibile descoperite anterior.
Așa cum am învățat și eu în facultate, cea mai eficientă metodă pentru astfel de obiective este studiul rocilor, întrucât acestea “ascund” dovezi despre trecutul geologic al planetei, iar rolul principal în această amplă misiune îi revine instrumentului SuperCam. Alcătuit dintr-un senzor de 5.6 kilograme și un corp central cu circuite electronice de 4.8 kilograme, SuperCam examinează rocile și solul cu ajutorul unei camere foto, a unui laser și a unor spectometre pentru a identifica compuși organici care ar putea avea legătură cu viața microbiană din trecut.
Cea mai “science-fiction” funcție a SuperCam-ului este, de departe, laserul: activarea acestuia îi permite să analizeze de la o distanță de circa 7 metri o “țintă” de dimensiunea unui punct lăsat de un creion obișnuit. În plus, analiza chimică și texturală a rocilor permite SuperCam-ului să identifice elementele care au format sau care s-au transformat în apă în trecutul geologic.
“Laserul lui SuperCam este unic, întrucât este capabil să curețe suprafața rocilor de praf pentru ca instrumentele să aibă o vedere clară asupra subiectelor analizate”, spune Roger Wiens, unul dintre coordonatorii misiunii.
Recent, NASA a publicat și prima înregistrare acustică realizată în timpul utilizării laserului:
Pe lângă aceste sarcini, SuperCam este capabil să obțină date despre modul în care moleculele, vaporii de apă și praful din atmosferă absorb radiația solară, ceea ce va permite realizarea unei predicții meteo mai bune. Nu în ultimul rând, SuperCam poate identifica și elemente din praful marțian care pot reprezenta pericole pentru viitorii exploratori umani.
Al treilea obiectiv științific al misiunii este colectarea probelor de rocă și păstrarea acestora pe suprafața planetei. Brațul robotic al lui Perseverance este echipat inclusiv cu un carusel de foraj care include mai multe tipuri de burghiuri pentru prelevarea probelor de sol. Acestea sunt mai întâi analizate cu o cameră foto, iar cele mai bune probe de sol din punct de vedere geologic sunt amplasate în recipiente. Acestea sunt poziționate în partea centrală a corpului roverului și sunt trimise spre brațul robotic cu ajutorul unui alt braț robotic de mici dimensiuni. În total, Perseverance are 43 de recipiente pentru mostrele de sol, iar NASA speră să folosească cel puțin 20 dintre ele.
Recipientele cu probe de sol revin apoi în corpul central al roverului, acolo unde sunt sigilate. Ulterior, după colectarea tuturor probelor de sol, acestea vor fi depozitate la suprafața planetei Marte într-un loc care va fi stabilit mai târziu, pe baza datelor transmise în timp de rover. Planul general este ca aceste probe să fie colectate și trimise spre Pământ în cadrul unei misiuni marțiene viitoare, însă pentru moment detaliile concrete nu au fost încă stabilite. Unul dintre scenarii este că un rover viitor va prelua probele și le va lansa în spațiu cu ajutorul unor rachete, iar de acolo vor fi captate de o viitoare sondă marțiană care va reveni pe Pământ. Nimic de zis, pare un subiect numai bun pentru un film SF de Oscar.
Al patrulea obiectiv științific al misiunii are ca scop pregătirea primei misiuni umane pe Marte: testarea unui instrument care produce oxigen din dioxid de carbon.
Instrumentul responsabil de acest experiment este MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), care în principiu are un rol simplu: să inhaleze dioxid de carbon și să expire oxigen sub formă lichidă. Atmosfera planetei este formată în proporție de 96% din dioxid de carbon, în timp ce oxigenul este de numai 0.13%, mult inferior cotei de aproape 21% din atmosfera Pământului. Instrumentul este capabil să producă până la 10 grame de oxigen pe oră, iar fiecare experiment în parte va dura o oră. Specialiștii nu au stabilit însă un număr concret de experimente pe care vor să le facă.
Oxigenul lichid generat nu va fi folosit însă în procesul de respirație al astronauților. În schimb, oxigenul lichid ar urma să fie folosit drept carburant pentru revenirea echipajului uman pe Pământ. “Când vom trimite oameni pe Marte, vom dori ca ei să revină în siguranță, iar pentru asta avem nevoie de o rachetă. Putem produce acolo oxigen lichid. O idee este să transportăm pe Marte un rezervor gol pe care să-l umplem pe Marte”, explică Michael Hecht, unul dintre specialiștii misiunii.
MOXIE are dimensiunile unei baterii obișnuite pentru mașină, însă generatoarele de oxigen pentru ca o misiune umană să revină pe Pământ ar trebui să fie de circa 100 de ori mai mari.
Un elicopter pe Marte?
În mod normal m-aș fi oprit aici cu prezentarea roverului. În fond, am scris despre o mașină cu 6 roți, iar pe Autocritica nu scriem (încă) despre avioane sau elicoptere. Voi face însă o excepție, pentru că, separat de misiunea de bază a lui Perseverance, NASA a decis să efectueze un alt experiment inedit: să testeze primul vehicul zburător pe o altă planetă.
Prin urmare, este momentul să faci cunoștință cu Ingenuity, dispozitiv zburător de numai 1.8 kilograme echipat cu patru elice din fibră de carbon aranjate în două rotoare care se învârt în direcții opuse cu 2.400 de rotații pe minute. Elicele se învârt mult mai rapid decât în cazul unui elicopter de pe Pământ, întrucât atmosfera este cu 99% mai puțin densă decât pe Pământ.
Unicul scop al cercetătorilor NASA este să demonstreze pentru prima oară în istorie viabilitatea unui vehicul zburător pe o altă planetă, element care ar fi de real folos viitorilor exploratori umani ai planetei. Aceștia vor putea obține rapid imagini din locuri mai îndepărtate, unde un rover ar ajunge după câteva zile, în timp ce sondele de pe orbita marțiană au dezavantajul că sunt prea departe pentru a realiza fotografii de detaliu.
“Vom învăța pe parcurs și va fi recompensa finală pentru echipa noastră să adăugăm o nouă dimensiune modului în care vom explora în viitor alte lumi”, afirmă MiMi Aung, managerul proiectului Ingenuity.
Nu este clar când va fi pus în funcțiune elicopterul, însă cercetătorii și-au propus cel mult 5 teste la intervale de minim 30 de zile marțiene. Asta, desigur, dacă elicopterul va “supraviețui” zborului inaugural.
Cum comunică Perseverance cu oamenii?
Toate imaginile și datele obținute de Perseverance ar fi inutile dacă nu ar ajunge la cercetătorii NASA de pe Pământ. Pentru asta, roverul este echipat cu trei antene. Cel mai des, Perseverance va utiliza o cameră de înaltă frecvență de circa 400 MHz prin care va transmite imagini și date către sondele de pe orbita lui Marte cu viteze de până la 2 Mbps. Datele vor ajunge pe Pământ într-un interval de 5-20 de minute, în funcție de distanța dintre Marte și Pământ.
O altă antenă îi permite lui Perseverance să trimită date direct spre Pământ, însă cu viteze semnificativ mai mici, de până la 0.8 Mbps, în timp ce primirea datelor transmise de pe Pământ se face cu până la 3 Mbps. Hmm, chiar și pe Marte, viteza de download este mai mare decât viteza de upload…
O a treia antenă este folosită doar pentru recepționarea de date dinspre Pământ cu până la 0.03 Mbps. Chiar dacă în acest caz viteza este foarte mică, marele avantaj al acestei antene este că poate fi folosită indiferent de poziționare. Astfel, specialiștii vor putea trimite comenzi către rover inclusiv atunci când acesta s-a blocat într-o poziție care nu permite utilizarea celorlalte două antene.
Ce imagini a trimis Perseverance până acum?
Perseverance a ajuns pe Marte în 18 februarie 2021. De atunci, roverul a transmis deja circa 10.000 de imagini, inclusiv selfie-uri. Iată doar câteva dintre aceste imagini:
Misiunea lui Perseverance este abia la început. În zilele, lunile și anii care vor urma, Perseverance ne-ar putea oferi informații importante despre existența vieții în trecutul geologic al lui Marte, iar experimentul de transformare a dioxidului de carbon în oxigen ar putea reprezenta un nou pas spre prima explorare umană a planetei roșii.
Până atunci nu ne rămâne decât să visăm cu ochii deschiși și să ne bucurăm ca niște copii de fiecare descoperire de care vom avea parte de la Perseverance. Drum bun și fără incidente, marțianule!
