ExoMars Rover – марсоход, создаваемый Европейским Космическим Агентством [ЕКА] по программе ExoMars в рамках второй миссии 2018 года. Он позволит ЕКА отработать ключевые технологии: передвижения по поверхности, подповерхностное бурение, автоматический отбор проб, их обработку и распределение по инструментам. ExoMars Rover будет нести набор аналитических приборов для проведения исследований в области экзобиологии и геологической химии.
ExoMars Rover – общие сведения
Для получения электроэнергии марсоход будет использовать панели солнечных батарей, выживание в условиях холодных марсианских ночей обеспечат новые батареи и нагревательные элементы.Из-за нечастых и коротких сеансов связи, 1-2 за марсианский день [сол длиннее земного дня на 40 минут], ExoMars Rover сконструирован значительно автономным. Ученые на Земле будут осуществлять целеуказание на основе сжатых стереоизображений, полученных с видеокамер, установленных на мачте марсохода.
Далее марсоход будет сам рассчитывать маршрут для безопасного передвижения приблизительно на 100 метров в сол. Для этого он будет создавать цифровые карты по данным с навигационных стереокамер и маршрутных компьютеров. Камеры предупреждения столкновений ближнего плана обеспечат безопасность передвижения.
Аппарат будет передвигаться благодаря шести колесам. Каждая колесная пара подвешена на независимой поворотной вагонетке [шарнирно-сочлененный узел, несущий привод колеса], а каждое колесо может независимо поворачиваться и вращаться. Каждое колесо может изменить положение таким образом, чтобы установить высоту и угол марсохода в соответствии с текущим рельефом местности, что создает своего рода способность ходить, которая особенно пригодится в мягком и несвязном грунте вроде дюн. Кроме того, ExoMars Rover снабдят креномерами и гироскопами для повышения надежности управления перемещениями. Датчики Солнца будут определять абсолютное положение марсохода на поверхности Марса и направление на Землю.
Изображения с системы камер в сочетании с данными георадара, собранными во время путешествия марсохода, позволят ученым определить подходящее место для бурения.
Далее устройство взятия подповерхностных проб автономно начнет бурение на необходимую глубину [максимум 2 метра], исследуя минералогию стенки ствола буровой скважины и собирая небольшие образцы. Эти образцы будут доставлены в аналитическую лабораторию в центре марсохода. Лаборатория содержит четыре различных инструмента и несколько вспомогательных механизмов. Образцы будут раздавлены в порошок. Устройство дозирования порошка распределит его по инструментам для проведения химического, физического и спектрального анализов [смотрите анимацию в конце статьи].
Научные данные будут сжаты и переданы через орбитальный спутник-ретранслятор на Землю. Связь с ретранслятором будет вестись в УВЧ-диапазоне, средний объем передаваемых за сол данных составит 100 Мбит.
Научные цели миссии ExoMars Rover
В порядке приоритета научные цели миссии ExoMars Rover это:
-
Поиск следов жизни в прошлом и настоящем Марса;
-
Описание водно/геохимического окружения как функции глубины при малоглубинном бурении.
Миссия ExoMars Rover будет искать ответ на один из самых выдающихся вопросов современности: «Существовала ли жизнь на Марсе в прошлом и существует ли она там сегодня?» Марсоход будет нести всесторонний набор аналитических инструментов. Он проедет несколько километров в поисках следов жизни в прошлом и настоящем, собирая и анализируя образцы при бурении скважин на глубину до 2-х метров в выходах скальных пород на поверхность.
Поиск следов жизни в прошлом и настоящем Марса
Если на Красной Планете когда-либо возникла жизнь, то, вероятно, это произошло, когда Марс был более влажным и теплым, в течение первого миллиарда лет после его образования. Условия тогда были подобны земным периода обоснования микробов. Это делает Марс основной целью в поисках следов жизни в нашей Солнечной Системе.
К сожалению, на нашей планете процессы высокотемпературного метаморфизма и тектоника плит привели к преобразованию большинства древних пород. На Земле очень трудно найти в хорошем состоянии породы возрастом более 3-х миллиардов лет, поэтому физико-химическая запись ранней эволюции жизни на Земле более нам не доступна. С другой стороны, Марс не подвергался такой масштабной тектонической активности. Это означает, что горные породы раннего периода марсианской истории не подверглись высокотемпературной переработке и, вероятно, все еще существуют. Таким образом, хорошо сохранившиеся древние биомаркеры могут быть по-прежнему доступны для анализа.
Другой существенной причиной изучения древней марсианской породы является то, что это может дать важную информацию о процессах осадконакопления и условиях обитания на ранней Земле.
На Земле микробная жизнь быстро стала глобальным явлением. Подобный взрывной процесс мог произойти на молодом Марсе. Вероятно, еще более интересным стало бы открытие и изучение форм жизни, которые успешно адаптировались к существованию на современном Марсе. Однако, это предполагает предварительное определение геологически подходящих, благоприятных для жизни мест, где может быть обнаружено существование воды в жидкой форме, по крайней мере, во время коротких периодов в течение года. Сегодня такие места нам неизвестны. По этой причине первая команда экзобиологов рекомендовала ЕКА в «Красной Книге 1999 года» сосредоточиться главным образом на обнаружении вымершей жизни, но при сохранении способности обнаружения следов возможно существующей жизни для обеспечения гибкости миссии.
Окружающая среда Марса и потребность в подповерхностных исследованиях
Исключительно важную роль для успеха миссии играет способность передвижения по поверхности Марса и возможность брать образцы с глубины до 2-х метров.
ExoMars Rover займется поиском следов жизни двух типов: морфологических и химических. Это будет дополнено точным определением геологического контекста.
Морфологическая информация о биологических процессах могла сохраниться на поверхности скал [например, пребиотическое осадконакопление, окаменевшие бактериальные пленки, строматолиты и т.д.]. Такие исследования требует возможности передвижения по поверхности и систему формирования изображений, способную охватить диапазон расстояний от метрового масштаба вниз до субмиллиметрового [для распознавания микротекстуры на горных породах].
Для эффективной химической идентификации биомаркеров требуется доступ к хорошо сохранившимся органическим молекулам. Атмосфера Марса более разряжена, чем земная, поэтому возникают три важных фактора пагубных последствий, противодействующих длительному сохранению биомаркеров:
-
Уровень ультрафиолетового излучения на поверхности Марса выше, чем на нашей планете, поэтому радиация быстро повредит возможные организмы или биомолекулы, если они окажутся на поверхности [Выживание на Марсе: тесты с помощью симулятора LISA].
-
Фотохимия, обусловленная ультрафиолетовым излучением, приводит к образованию кислородных радикалов, которые при активации могут разрушать биомаркеры.
-
Ионизирующая радиации проникает на глубину в несколько метров под поверхность планеты. Это приводит к медленному процессу деградации, который в течение миллионов лет может изменить органические молекулы за пределы чувствительности [обнаружения] аналитических инструментов. Эффекты ионизирующего излучения уменьшаются с глубиной.
Основной целью ExoMars является изучение древних [возрастом более 3 миллиардов лет] осадочных горных пород и эвапоритовых отложений. Однако, только погребенные на длительный период под поверхность они смогли бы сохранить следы ранней марсианской жизни, если она когда-либо существовала, от радиационного и химического повреждения. Исследования показывают, что проникновение на глубину в диапазоне 2-х метров необходимо для извлечения хорошо сохранившейся органики самой ранней истории Марса.
Кроме того, важно избежать отложений пыли, распространяемой эоловым транспортом. Переносимый ветром материал подвергся действию ультрафиолетового излучения, ионизирующей радиации, оксидантов в атмосфере и на поверхности Марса. Любые органические биомаркеры будут крайне деградированы в этих образцах.
По всем этим причинам буровая установка ExoMars Rover будет способна проникнуть и получить образцы консолидированных формаций с различных глубин, вплоть до 2-х метров.
Опора на результаты исследований предыдущих марсоходов
Миссия марсоходов Spirit и Opportunity [по программе НАСА Mars Exploration Rover, MER], используя пакет инструментов геологического направления, показала наличие в прошлом на Марсе влажной окружающей среды. Их результаты убедили научное сообщество в том, что подвижность является необходимым свойством будущих миссий. Недавние открытия космического аппарата ЕКА Mars Express выявили множественные отложения, содержащие соли и глинистые минералы, которые могли сформироваться только в присутствии жидкой воды. Это подкрепляет предположение о том, что древний Марс был более влажным и, возможно, теплее, чем сегодня. Миссия марсохода НАСА Mars Science Laboratory [MSL], запуск которого запланирован на 2011 год, будет изучать геологию и органику поверхности с целью определения пригодной для жизни среды. ExoMars Rover является следующим логическим шагом в изучении Марса. Он будет иметь инструменты для определения того, возникала ли когда-либо жизнь на Красной Планете. ExoMars Rover станет первой миссией сочетающей возможность передвижения с доступом под поверхность, где могли хорошо сохраниться органические молекулы. Впервые будет исследовано третье измерение Марса: глубина. Это одно является гарантией того, что ExoMars Rover выйдет на новый научный уровень.
Научные результаты исследований ExoMars Rover имеют решающее значение в подготовке международной миссии по доставке образцов грунта с Марса в 2020 году [MSR, Mars Sample Return], так как будет определено, имеет ли решающее значение глубина, с которой нужно взять образцы грунта.
ExoMars Rover: исследования на поверхности и под ней
Успех миссии ExoMars Rover зависит от способности совершить безопасную посадку в местах, представляющих научный интерес. Подходящие места посадки могут быть определены на основе дистанционного зондирования. Так как ExoMars это миссия по поиску жизни, то потенциальные места посадки должны содержать предпосылки к существованию в прошлом или настоящем среды пригодной для жизни на основе информации по морфологии и минералогическому составу. Хороший эллипс посадки будет охватывать район с несколькими проявлениями выхода пластов на поверхность, состав которых считается подходящим для долгосрочного хранения биомаркеров [например, глина, сульфаты и т.д.], и следы древних рек, озер, гидротермальных источников. Но основная цель миссии – погребенные отложения.
Стратегия достижения научных целей миссии:
-
Приземлиться в районе, представляющим высокий интерес для экзобиологии в вопросе следов жизни в прошлом или настоящем, или быть способным достичь этот района после посадки в другом месте. Другими словами, марсоход должен иметь доступ к соответствующей геологической среде.
-
Собрать научные образцы с различных участков, используя марсоход, несущий бур, способный проделать скважину в подпочве и в выходах скальных пород на поверхность.
-
В каждом изучаемом районе провести всесторонние серии измерений на множестве уровней [для создания полной картины]: начиная с панорамной оценки геологической среды; двигаясь к меньшим масштабам, изучением выходов скальных пород на поверхность; завершая сбором образцов из-под поверхности (или с поверхности) хорошо выбранного участка для изучения в аналитической лаборатории марсохода.
Если на Марсе будут обнаружены органические соединения, то будет важно показать, что они не были принесены с Земли. Единственный способ достоверно показать, что ExoMars Rover [биологически] чист, это выполнение первоначального цикла измерений на холостой пробе. Поэтому марсоход будет иметь некоторое число холостых проб калибровки. Одной из первых команд после посадки станет указание буру передать пустышку в аналитическую лабораторию, которая должна показать «нет жизни» и «нет органики». Отсутствие отрицательного ответа лаборатории по исследованию чистого образца будет означать аннулирование всех дальнейших результатов поиска следов жизни аналитической лабораторией.
Номинальный срок миссии 180 сол, в течение этого времени ExoMars Rover совершит 6 экспериментальных циклов, каждый из которых включает сбор и анализ образцов с поверхности и из-под поверхности в различных местах, и два вертикальных обзора, каждый из которых состоит из сбора и анализа 5-ти подповерхностных образцов с глубины от 0 до 200 см с шагом в 50 см, для изучения зависимости данных от глубины.
