7 фактов, которые нужно знать о миссии Mars 2020 Perseverance (Персеверанс)

7 фактов, которые нужно знать о миссии Mars 2020 Perseverance (Персеверанс)

Поиск следов жизни на Марсе – Идеальное место для поиска жизни – Данные о геологии и климате Марса – Миссия Марс-2020: это вызов науке – этап возвращаемого полета к Марсу – Отработка технологий и инструментов – Исследуйте Марс вместе с Персеверанс

18 февраля 2021 года марсоход Perseverance (“Настойчивость”, “Персеверанс”) в рамках миссии NASA “Марс-2020” успешно коснулся поверхности Марса. Perseverance – самый сложный марсоход из тех, что когда-либо отправлялся с Земли к другой планете. Фактически это самоходная лаборатория, которая в течение двух ближайших лет будет собирать и исследовать образцы марсианских горных пород и отложений, в поисках ответа на самую главную загадку – есть ли на Марсе жизнь.

Миссия “Марс 2020” даст нам множество ответов о Марсе: о его геологии, климате в настоящем и прошлом. Марсоход “Настойчивость” не только проведет массу экспериментов и анализов на месте, но также подготовит и промаркирует образцы марсианских почв, для дальнейшей их доставки на Землю, для всестороннего анализа. В состав миссии также входит небольшой летательный аппарат Ingenuity (“Изобретательность”), который даст возможность лучше разобраться в процессах происходящих в атмосфере Марса и конечно – массу фотографий красной планеты с высоты птичьего полета.

Первый снимок с поверхности Марса, которым марсоход «Персеверанс» поприветствовал Землю.

В этой статье мы рассмотрим 7 самых основных вещей или точнее – исследовательских задач, которые предстоит решить миссии “Марс-2020”, в основном, конечно, с помощью марсохода Perseverance.

Набор инструментов

Научные инструменты на «Персеверансе»

По инструментам «Персеверанс» напоминает ровер «Кьюриосити» — в его арсенале тоже в основном спектрометры различных типов. Главное отличие в том, что «Кьюриосити» обладает механической рукой, оснащенной ударным буром для взятия проб марсианского грунта с глубины, а анализ образцов производится внутри корпуса. У «Персеверанс» бур гораздо меньше и является частью прибора SHERLOC. Он прячется прямо в механической «руке» марсохода, а внутреннее пространство ровера используется для хранения образцов.

PIXL (планетарный инструмент для рентгеновской литохимии) — это рентгенофлуоресцентный спектрометр, способный определять состав грунта и работающий даже с мелкодисперсным песком. Образец облучается источником высокоэнергетического излучения, отраженное грунтом излучение улавливается детектором и при помощи специальных методов математического моделирования компьютер определяет состав образца. Плюс такого анализа в его скорости — он требует всего несколько секунд.

Похожим образом работает и SHERLOC, рамановский спектрометр, который вместо рентгеновского излучения использует ультрафиолетовое. Его основная задача — определять состав мелкодисперсных образцов и искать в них органические соединения, которые, возможно, подскажут нам, была ли на Марсе жизнь.

SuperCam оснащен двумя лазерами и четырьмя спектрометрами, а его задача — анализ химического и минерального состава горных пород и реголита на расстоянии. Метод, заложенный в его основу, называется лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия — лазер фокусируется на поверхности вещества, а специальные датчики изучают факел возникающей плазмы и анализируют его. Предполагается, что и он может определять биосигнатуры — следы проявлений жизни как в прошлом, так и в настоящем.

Новшеством на борту «Персеверанс» является прибор RIMFAX, предоставленный для миссии Норвежским центром оборонных исследований (FFI). Это георадар, способный изучать слои грунта с разными характеристиками, искать пустоты или подземный лед под колесами марсохода.

Испанские ученые, которые создавали для ровера «Кьюриосити» метеорологические приборы, сделали метеостанцию и для нового марсохода, но теперь их ассортимент существенно богаче. Набор датчиков MEDA, созданный Испанским центром астробиологии, будет измерять температуру воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление, влажность, уровень радиации, размер и форму частиц пыли, поднимаемой ветром или колесами «Персеверанса». Получается, что в основном грунт исследуется на месте лишь различными спектрометрами, без других типов анализа.

Прибор MOXIE на борту ровера будет прокладывать путь будущим пилотируемым экспедициям. Его главной задачей будет получение кислорода из марсианского воздуха. Если MOXIE будет исправно выполнять свою работу, то и у будущих покорителей Марса будет достаточно кислорода для дыхания, а также окислителя для ракетного топлива.

Помимо камер, на «Персеверансе» стоят еще и микрофоны. С их помощью ученые смогут послушать Марс (это впервые начал делать InSight), да и сам марсоход.

Первый в истории марсианский (и вообще внеземной) вертолет «Индженьюити» (Ingenuity, «изобретательность»), станет спутником марсохода. Дрон выполнен по соосной схеме с двумя винтами диаметром 1,2 метра. Они будут вращаться со скоростью 2400 оборотов в минуту, что гораздо быстрее, чем у земных вертолетов. Аппарат массой около 1,8 килограммов оснащен аккумуляторами на солнечных панелях, камерой и системой навигации. Главные проблемы дрона — низкие температуры и разреженная атмосфера Марса. Специалисты NASA говорят, что запустить вертолет в атмосфере Марса — это все равно что поднять его на 30-километровую высоту на Земле.

Предполагается, что дрон будет заниматься разведкой на местности: совершать небольшие полеты длительностью всего несколько минут, подниматься лишь на несколько десятков метров, делать фото и возвращаться обратно для подзарядки. Но главная задача дрона — хотя бы просто взлететь, это покажет, возможен ли управляемый полет в атмосфере Марса.

«Инженити» и «Персеверанс», иллюстрация

Марсианские хроники ровера Perseverance

Предшественники

Первым ровером, который удачно приземлился на Марс, был американский Sojourner. В рамках программы Mars Pathfinder он в 1997 году проработал на планете целых три месяца, в разы перекрыв расчётное время жизни. Особо сложных задач перед марсоходом не стояло – уже сам факт нахождения земного роботизированного аппарата на Красной планете произвёл фурор в мире. Тем не менее Sojourner успел выслать массу фотографий Марса, а также провести несложные метеорологические и геологические исследования.

Спустя два года NASA снова отправила в космос марсианскую миссию, нацеленную на детальное изучение грунта планеты и климатических условий. Миссия Mars Polar Lander закончилась неудачей – спускаемый аппарат разбился по неизвестным до сих пор причинам. На борту космического корабля сгинул и российский лазерный радар (лидар), предназначенный для изучения состава атмосферы.

Американцы вступили в XXI век безусловными мировыми лидерами в области изучения Марса и свой успех подкрепили в 2003 году запуском программы Mars Exploration Rover. По плану уже два марсохода должны были изучать планету – Spirit и Opportunity. Оба ровера на спускаемых аппаратах сели на поверхность Марса в январе 2004 года с интервалом в 21 земной день. Конструкция Opportunity оказалась настолько надёжной и долговечной, что марсоход продолжал трудиться до июня 2018 года.

Сейчас на Марсе работает 900-килограммовый ровер Curiosity с радиоизотопным источником питания, попавший на планету ещё в августе 2012 года. Его основная задача – бурить и исследовать пробы. На данный момент миссия продлена на неопределённый срок.

Этого американцам показалось мало, и ещё раньше, в 2008 году, на планете появилась малогабаритная станция Phoenix, одной из миссий которой был поиск внеземной жизни. Аппарат не был приспособлен к перемещению, отличался относительной дешевизной (400 млн долларов) и прожил в активном состоянии всего несколько месяцев. Тем не менее Phoenix открыл на Марсе воду и провёл несложный химический анализ грунта.

Для замены стационарного робота-исследователя, отключившегося от связи осенью 2008 года, американцам потребовалось почти десять лет. Марсианская сейсмостанция с буровой установкой InSight от NASA приземлилась на планету в 2018 году и до настоящего времени успешно отправляет на Землю результаты исследований.

Наличия одного подвижного и одного неподвижного марсианского аппарата американцам явно недостаточно. Для закрепления присутствия на Марсе 18 февраля 2021 года на поверхность сел ровер Perseverance. И у него есть свой вертолёт.

Есть ли жизнь на Марсе?

Прежде всего, Perseverance – это самый большой ровер, который удалось на данный момент забросить на Красную планету. Илон Маск когда-то катапультировал в космос свой электрический родстер, а NASA на Марс отправило планетоход размером с легковушку. Длина Perseverance – около 3 метров, ширина 2,7 метра и высота 2,2 метра. Для немаленького ровера использовали сверхпрочные и сверхлёгкие материалы, отчего вес аппарата в земных условиях едва превышает тонну. В условиях Марса Perseverance будет весить в два с половиной раза меньше.

Perseverance привёз на Марс такие милые безделушки. Источник: mars.nasa.gov

Запуск столь сложного и дорогостоящего проекта (более 3 млрд долларов) должен быть обеспечен соответствующей исследовательской программой на Марсе. Чтобы оправдать потраченное, американцы оснастили ровер сразу несколькими интересными гаджетами.

Прежде всего, это модельный аппарат MOXIE для синтеза кислорода из углекислого газа марсианской атмосферы, доля которого достигает 93 %. В теории всё очень просто – от молекулы диоксида углерода CO₂ отрываем атомарный кислород и соединяем его с одним таким же. В выхлопе получается угарный газ и молекулярный кислород, которым вполне можно дышать.

До этого в космических условиях кислород синтезировали электролизом воды, но для жизнедеятельности одного человека требуется целый килограмм воды в сутки – такой способ неприменим для Марса. Если кратко, то аппарат MOXIE сжимает диоксид углерода, нагревает до 800 градусов и пропускает через него электрический ток. В итоге на аноде газового электролизера выделяется чистый кислород, а на аноде – угарный газ. Далее смесь газов охлаждают, проверяют на чистоту и выпускают в атмосферу Марса.

Очевидно, в отдалённом будущем тысячи таких генераторов будут перерабатывать марсианский углекислый газ в пригодную для человека атмосферу. Примечательно, что эта технология не самая прогрессивная. Всё-таки, согласно теории, из двух молекул СО₂ вырабатывается всего одна О₂. И это очень далеко от реальной эффективности таких установок. Гораздо интереснее выглядит идея расщепления углекислого газа сразу на углерод С и молекулу О₂. В 2014 году в журнале Science опубликовали методику синтеза кислорода из СО₂ под действием ультрафиолетовых лазеров. Пять лет спустя в Калифорнийском технологическом институте придумали разгонять и ударять молекулы диоксида углерода об инертные поверхности, такие как золотая фольга. В результате такого варварского обращения углекислый газ расщепляется на молекулярный кислород и углерод, то есть сажу. Но пока такие приёмы далеки от технологического совершенства, и NASA приходится довольствоваться аппаратами типа MOXIE.

Вторым интересным гаджетом для ровера является PIXL, предназначенный для сканирования рентгеновскими лучами окружающей местности. Прибор проводит дистанционное тестирование грунта на предмет химических веществ и элементов, которые могут быть маркерами живых существ. Разработчики уверяют, что PIXL способен распознавать более 26 химических элементов. Аналогичную задачу выполняет многофункциональный сканер SuperCam, способный с семи метров определять атомный и молекулярный состав горных пород. Для этого он оснащён лазером и высокочувствительными инфракрасными сенсорами.

Сверху вниз: RIMFAX, SHERLOC и SuperCam. Источник: mars.nasa.gov

И это ещё не всё. Анализ на предмет наличия следов жизни проводят «криминалисты» SHERLOC и WATSON. SHERLOC работает в ультрафиолетовом диапазоне, ощупывая лазером окружающие горные породы. Принцип очень сходен с работой земного сыщика, отыскивающего биологические улики с помощью УФ-фонарика. WATSON, в свою очередь, фиксирует всё происходящее на камеру. Пара сенсоров вместе с «рентгеном» PIXL размещены на конце штанги-манипулятора ровера.

На борту Perseverance нет бура для исследования марсианских недр. Для этой цели служит радиолокационный сканер RIMFAX, способный «просвечивать» Марс на глубину до 10 метров. Георадар будет составлять карту подстилающей поверхности, а также искать залежи марсианского льда.

Марсоход с вертолётом

Главным «шоу-стоппером» Perseverance является не описанные выше супергаджеты и даже не ядерная силовая установка, а первый в истории летательный аппарат для Марса. Приземлившись в марсианском кратере Езеро, ровер под своим брюхом принёс миниатюрный соосный вертолёт. В лучших традициях американской астронавтики имя для вертолёта выбрали по конкурсу, и лучшим стал Ingenuity (Изобретательность). Автор – Ваниза Рупани, 11-классница из Нортпорта.

Никакой научной аппаратуры вертолёт не несёт. Его основная задача – продемонстрировать потенциальную возможность полёта в атмосфере Марса, которая практически полностью состоит из углекислого газа. Атмосфера Красной планеты по плотности схожа с земной, но вот гравитация в 2,5 раза меньше. Летательный аппарат тянет на 1,8 килограмма и для своего веса оснащён сравнительно небольшими винтами (скорость вращения – 2537 об/мин) – бонусы марсианской гравитации. Однако гигантские перепады температур на поверхности планеты заставили инженеров соорудить на вертолёте сложную систему термозащиты. Первый полёт Ingenuity запланирован не ранее 8 апреля, и вся программа испытаний должна уложиться в месяц. Вертолёт одноразовый – после испытаний он останется на Марсе инопланетным мусором. Perseverance тоже со временем превратится в мёртвый кусок дорогих сплавов, но цикл его жизни гораздо больше.

Революция в исследовании других планет

Но все описанное выше — это лишь эволюционные изменения. А главные плюсы новой миссии совсем не в них. Она имеет две поистине революционные черты.

Первая из них — дрон «Инженити» («Изобретательность»), мини-вертолет с двумя соосными лопастями, как на Ка-52. Длина лопастей — 1,2 метра, что для аппарата весом в 1,8 килограмма очень много. Но иначе дрон бы просто не взлетел — атмосфера на Марсе в полторы сотни раз разреженнее, чем на Земле. Даже с такими лопастями скорость их вращения пришлось бы поднять до 40 оборотов в секунду, что на нашей планете было бы крайне сложно реализовать просто в силу сопротивления воздуха.

Чтобы так быстро вращать такие большие лопасти, дрон имеет общую потребляемую пиковую мощность до 350 ватт — в три с лишним раза больше, чем может дать генератор марсохода, на котором базируется летательный аппарат. Поэтому «Инженити» требуется емкая литиевая батарея массой 0,273 килограмма — но и ее заряда не хватит больше чем на три минуты полета. Общая дальность полета не превышает трехсот метров — а в реальности будет даже меньше, чтобы оставить запас для гарантированного возвращения дрона к базе — марсоходу.

Надо понимать, что речь идет о чисто демонстрационном аппарате. Да, он сможет взлетать, чтобы сделать фото, но максимальная высота его полета — не более пяти метров. То есть снимки мало чем будут отличаться от тех, что сможет сделать сам марсоход с вершины свой мачты для камер — поднятой над поверхностью на пару метров.

Так зачем же нужна новинка? Все дело в двух принципиальных ограничениях нелетающих марсоходов: их предельно низкой скорости и их неспособности к исследованию самых интересных мест на Марсе — лавовых трубок.

Начнем с первого. «Персеверанс», как и «Кьюриосити», не может ехать со скоростью более 0,152 километра в час, что в десятки раз медленнее человека в скафандре. Причем это так называемая теоретическая максимальная скорость — на практике она в норме ниже. «Кьюриосити», например, в среднем проезжает примерно 10 метров в сутки.

Причины? В основном то, что он, как и другие планетоходы, не «автомат», как его называют в популярной литературе, а телеуправляемый дрон — что-то типа детских игрушек из 1980-х, с радиоуправлением. Он не имеет «мозгов», способных понять, где ехать безопасно, а где нет. Дважды в марсианские сутки планетоход может связываться с Землей — и там, в центре управления NASA, ориентируясь по видам с его камер, решают, безопасно ли ему ехать вперед или местность труднопроходима. Дальше чем на 100 метров ничего не видно даже в идеальном случае.

А ошибиться очень опасно: «Персеверанс» стоит $2,4 миллиарда (без расходов на управление). Потерять такое устройство в сыпучих местных песках будет весьма дорого. Тем более прецеденты есть: именно так завяз марсоход «Спирит», когда его наземной команде управления показалось, что он может проехать там, где на деле он проехать не смог.

Предполагается, что будущие варианты «Инженити» смогут сфотографировать местность на несколько сот метров пути и тем самым дадут наземным операторам возможность назначать марсоходам не по 10−100 метров движения в день, а куда больше. Это не прихоть, а необходимость: советские луноходы за считаные месяцы могли проходить по 40 километров, в то время как «Кьюриосити» за восемь лет прошел в полтора раза меньше. Исследование других планет в таком черепашьем темпе — не самая простая задача.

Еще важнее потенциал летающих дронов типа «Инженити» в изучении лавовых трубок. Так называют пещеры, образующиеся при остывании лавы. В условиях низкой марсианской гравитации их диаметр может измеряться сотнями метров, а длина — километрами или даже десятками километров. Космическая радиация внутри них около нуля, а вот запасы водного льда могут быть значительны. Если пещеры идут достаточно глубоко, то там может быть и жидкая вода, поскольку от 600 метров и ниже под поверхностью Марса температура выше точки таяния соленой воды.

Снимки с орбитальных аппаратов показывают, что на Марсе много открытых входов в такие пещеры. Но вот беда: как и в земные пещеры такого рода, спускаться туда сложно любому, у кого нет альпинистского снаряжения. Марсоходы же застревают на ровной местности в обычном песке и, разумеется, ни на колесном, ни на гусеничном шасси не могут спуститься по вертикальной отвесной стене пещеры, только видимая из космоса часть которых тянется до 115 метров в глубину.

Многие исследователи уверены : если на сегодняшней Красной планете и есть жизнь, то именно в таких местах. Наконец, в случае создания исследовательских баз или поселений на Марсе значение лавовых трубок трудно переоценить. Уж слишком они эффективно защищают от космической радиации. Без убежищ безопасное время пребывания на этой планете у человека — всего пара лет, что не так много.

Дрон — особенно «вертолетного» типа, то есть способный спускаться, свободно маневрируя в трех измерениях, — лучший кандидат на первичное изучение таких пещер. Он сможет спуститься вниз, подсвечивая себе фонариком, выполнить полет по заданной программе и затем вернуться на поверхность, чтобы залить полученное видео на марсоход. Разумеется, это хуже, чем изучение пещеры альпинистами, но тех до высадки на Марсе людей все равно не дождаться. Да и тем было бы неплохо идти в марсианские подземелья после предварительной разведки маршрута. А значит, за наследниками «Инженити» — большое будущее.

Почему посадка Perseverance — грандиозное событие

«‎Сноб»‎ попросил кандидата технических наук и эксперта в сфере космонавтики Вадима Лукашевича объяснить, в чем уникальность посадки Perseverance:

• Первая миссия на Марс, направленная именно на поиски следов жизни. NASA рассматривали 60 разных мест для посадки ровера и выбрали, по мнению ученых, самое лучшее для поиска признаков жизни во всей солнечной системе (конечно, без учета Земли). Озеро Джезеро когда-то было дельтой реки, и там могли остаться отложения горных пород, которые могут сохранять следы жизни на протяжении миллионов лет.
• Сам факт посадки. Из всех аппаратов, отправленных на Марс, успешно приземлились лишь около 50 процентов.
• Точное приземление на сложной территории. Марсоход пролетел почти 500 миллионов километров и сел в пределах прицельного поля 7х7 километров. При этом посадка впервые проходила на место с таким сложным рельефом. Раньше специально выбирали площадку без кратеров и гор.
• Новая схема приземления. Первые американские аппараты заключались внутрь надувных мешков. Они падали на поверхность планеты, скакали какое-то время, потом мешки сдувались, открывались створки и выезжал марсоход. В случае с Perseverance такой вариант невозможен из-за большого веса аппарата — 1024 килограмма. Поэтому в NASA придумали новую схему с аэродинамическим торможением. После входа в атмосферу выпускается тормозной парашют, отстреливается нижняя крышка аппарата, а дальше искусственный интеллект строит трехмерную карту местности и выбирает место посадки. Затем устройство «‎Кран»‎ зависает в воздухе и спускает марсоход к поверхности на тросе. Все это сложно проделать даже на Земле.
• Автономная посадка. Момент когда «‎Кран» спускает марсоход на поверхность планеты назвали «‎семью минутами ужаса». Эта система посадки никак не зависит от человека, спуск на Марс полностью выполняется искусственным интеллектом. Сотрудникам NASA в центральном управлении остается только ждать. При этом информация с Марса поступает на Землю с задержкой в 11 минут из-за расстояния между планетами. Поэтому вчера во время трансляции был момент, когда по плану марсоход уже должен был быть на поверхности, но люди еще не знали, приземлился он или просто разбился. Такой вот «‎отложенный ужас».‎
• Впервые в истории такое большое количество камер отправлено на другую планету. На ровере расположено целых 23 камеры для навигации, фотографирования и разных исследовательских задач.
• Мы можем получить первое видео с Марса. Все видео с Марса, которые вы видели до этого — это либо анимация, либо компиляция фотографий. Perseverance впервые смог снять видео. Предполагается, что аппарат передаст его на Землю 22 февраля, а через несколько недель NASA планирует опубликовать видео всего процесса посадки в высоком разрешении.
• Мы впервые услышим звуки Марса. На сайте NASA есть раздел с шумом моря, звоном колокольчика и другими звуками в разных вариантах — «‎земном» и «‎марсианском». Ученые сами ‎создали эти аудиозаписи, предположив, что именно так звучало бы, например, море на Марсе с учетом большой разреженности воздуха, низкой температуры и другого состава атмосферы планеты. На Perseverance установлены два микрофона, которые впервые в истории позволят записать реальные звуки Марса.
• Первый вертолет на другой планете. На борту Perseverance установили специальный дрон — это первый атмосферный летательный аппарат на Марсе и первый вертолет на другой планете. Он называется Ingenuity, состоит из двух лопастей диаметром 120 сантиметров, весом два килограмма. Вертолет не будет выполнять научную программу. Он нужен просто для того, чтобы продемонстрировать, может ли вообще такой аппарат летать на Марсе. Это очень сложно. Плотность атмосферы Марса на уровне поверхности такая же, как на Земле на высоте 30 километров (чтобы представить, что это за высота, посмотрите, как скайдайвер Феликс Баумгартнер прыгает с высоты 39 километров).

TOUCHDOWN: NASA’s Perseverance rover successfully lands on the surface of Mars.

Читайте также

Возрастная категория сайта 18 +

Сетевое издание (сайт) зарегистрировано Роскомнадзором, свидетельство Эл № ФС77-80505 от 15 марта 2021 г. Главный редактор — Сунгоркин Владимир Николаевич. Шеф-редактор сайта — Носова Олеся Вячеславовна.

Сообщения и комментарии читателей сайта размещаются без предварительного редактирования. Редакция оставляет за собой право удалить их с сайта или отредактировать, если указанные сообщения и комментарии являются злоупотреблением свободой массовой информации или нарушением иных требований закона.

АО “ИД “Комсомольская правда”. ИНН: 7714037217 ОГРН: 1027739295781 127015, Москва, Новодмитровская д. 2Б, Тел. +7 (495) 777-02-82.