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Mars 2020

missione spaziale per l'esplorazione di Marte
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Mars 2020, è una missione spaziale per l'esplorazione di Marte sviluppata dalla NASA, il cui lancio è previsto per l'estate del 2020.[3] Per ridurre i costi la parte strutturale del rover è derivata dal predecessore Curiosity, ma sono state comunque applicate diverse migliorie.[5]

Mars 2020
Emblema missione
Immagine del veicolo
Elaborazione grafica del Rover al computer
Dati della missione
OperatoreStati Uniti (bandiera) Stati Uniti
Tipo di missioneEsplorazione
NSSDC ID2020-052A
SCN45983
DestinazioneMarte
VettoreAtlas V 541[1][2]
LancioIn programma: tra giugno e agosto 2020[3]
Luogo lancioCape Canaveral[1][4]
AtterraggioIn programma: febbraio 2021[5]
Sito atterraggioda decidere (8 candidati)[6]
DurataIn programma: almeno un anno marziano[3]
Proprietà del veicolo spaziale
Massacirca Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido.[1]
CostruttoreNASA, JPL
Strumentazione
Sito ufficiale
Missioni correlate
Missione precedenteMissione successiva
Curiosity

Gli obiettivi primari della missione consistono nello studiare l'abitabilità di Marte, nell'investigare il suo passato e trovare, se ci sono state, tracce di vita biologica. Si prevede, inoltre, lo stoccaggio di campioni geologici per consentire ad una futura missione di portarli sulla Terra col fine di analizzarli accuratamente.[3][9]

Missione

Il rover Mars 2020 fa parte del programma di esplorazione Mars Exploration Program della NASA, che include Curiosity, Odyssey e Mars Reconnaissance Orbiter attualmente in orbita attorno al pianeta, e l'orbiter MAVEN che è arrivato su Marte nel mese di settembre 2016 e ne studierà l'alta atmosfera. Nel 2018, verrà lanciato un lander chiamato InSight per dare un primo sguardo all'interno profondo del pianeta. Nel 2014 sono stati scelti i 7 strumenti, su una selezione di 58 proposte, che il rover si porterà sulla superficie marziana.[7][8]

Obiettivi

Gli obiettivi che si prefigge la NASA sono quattro:[10]

  1. Determinare se la vita sia mai esistita su Marte
    La missione del rover Mars 2020 si concentra su degli studi della superfice marziana in cerca di tracce di vita microbica preservate sulle rocce che hanno formato l'ambiente marziano in epoca antica.[11]
  2. Caratterizzare il clima di Marte
    Un punto centrale della missione consiste nel ricostruire il passato delle condizioni climatiche di Marte. Gli strumenti del rover cercheranno delle testimonianze di antichi ambienti dove la vita microbica sarebbe potuta esistere nel passato.[12]
  3. Caratterizzare la geologia marziana
    Il rover è progettato per studiare le formazioni rocciose con lo scopo di svelare maggiori informazioni sui processi geologici che hanno creato e modificato la crosta e la superficie marziana nel corso del tempo.[13]. Inoltre il rover è progettato per estrarre e stoccare dei campioni di roccia e suolo marziano per una eventuale futura missione che avrà il compito di portarli sulla Terra per analizzarli.[14]
  4. Preparazione per l'esplorazione umana
    Il rover sarà una dimostrazione scientifica per l'uso delle risorse naturali dell'ambiente marziano. Esso inoltre monitorerà le condizioni ambientali cosicché si possa capire meglio come proteggere futuri esploratori umani. L'obiettivo scientifico si riferisce alla politica nazionale spaziale per la spedizione umana su Marte negli anni 2030. Le missioni robotiche, similmente a quelle relative alla Luna, forniranno informazioni essenziali di base per meglio affrontare le future esplorazioni umane.[15]. In ultimo il rover testerà la produzione di ossigeno (O2) dall'atmosfera marziana ricca di anidride carbonica (CO2) attraverso il MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment)

Costi

Secondo la NASA, Mars 2020, essendo basato sul predecessore Curiosity, avrà un costo minore: 2,1 miliardi di dollari per lo sviluppo e il lancio della sonda [16] contro i 2,5 del predecessore.[17][18]

Progetto e migliorie tecnologiche

Come citato, il rover è basato sull'impronta e sulla struttura di Curiosity [5], infatti esso sarà similmente dotato di un generatore termoelettrico a radioisotopi (MMRTG)[19][20], ovvero un generatore di calore ed energia elettrica, basato sul decadimento del plutonio, per alimentare e riscaldare (perché la temperatura media sulla superficie di marte è ~-60 °C[21]) il rover.

Rispetto a Curiosity, però il rover sarà dotato di un sistema migliorato per l'atterraggio. In particolare si può contare su due evoluzioni, il "Range Trigger" e il “Terrain-Relative Navigation”.

Il Range Trigger è il sistema che controlla il timing dell’apertura dei paracadute durante la discesa. Conoscendo la propria posizione rispetto al sito di atterraggio previsto e ritardando o anticipando l’apertura dei paracadute sarà possibile ridurre del 50% l’ellisse di atterraggio, ovvero l’area stimata di arrivo, riducendo quindi i rischi di trovarsi in aree impervie o di scarso interesse. Fino ad oggi i paracadute delle varie sonde arrivate su Marte sono sempre stati aperti appena la capsula raggiungeva una velocità idonea a farlo, con questo sistema invece il paracadute verrà aperto nel momento più utile per avvicinarsi quanto più possibile al sito di atterraggio, ovviamente rimanendo sempre nei parametri di velocità richiesti. Se ad esempio il sistema di controllo si accorgesse che il sito venisse superato, questo comanderà un’apertura anticipata rispetto al momento previsto; nel caso opposto se risultasse un arrivo “corto” rispetto al sito previsto, l’apertura verrebbe posticipata aumentando la distanza percorsa in caduta.[5][22]

Il Terrain-Relative Navigation è invece un inedito sistema di caratterizzazione del suolo nelle ultimissime fasi dell’atterraggio. Il computer che governerà questa fase di missione avrà pre-caricata una mappa in alta risoluzione del sito di atterraggio, realizzata negli anni precedenti dalle sonde attualmente in orbita marziana e contenente a sua volta tutte le aree “pericolose” o sconsigliate per l’atterraggio. Durante la discesa il rover raccoglierà immagini in rapida successione della zona che sorvolerà e confrontandole con la mappa conosciuta calcolerà la sua posizione e la zona di arrivo stimata. Se la posizione calcolata venisse considerata pericolosa il sistema di navigazione potrà “spostare” l’arrivo in un’area preferibile nel raggio di 300 m. Fino ad oggi moltissime delle aree considerate interessanti per la possibile presenza di tracce di composti biologici o strutture geologiche particolari sono state scartate se non presentavano un’area priva di possibili pericoli (rocce, pendii ecc.) per il 99%. Con questo sistema di navigazione però sarà possibile scegliere aree di atterraggio fino ad oggi precluse, permettendo di selezionare aree con pericoli che potranno essere evitati dal Terrain-relative Navigation.[5][22]

Sempre nella fase di discesa sarà attiva anche la suite di strumenti MEDLI2, ovvero la seconda generazione della suite MEDLI, (MSL Entry, Descent and Landing Instrumentation) che raccoglierà dati quali pressione e temperatura atmosferica e dello scudo termico, permettendo di caratterizzare maggiormente l’atmosfera marziana per le future missioni. Durante l’atterraggio saranno poi attive diverse telecamere, permettendo di riprendere tutte le fasi dell'atterraggio, ci sarà una telecamera che riprenderà i paracadute, una che riprenderà il suolo in basso sullo stadio di discesa, una sul rover che guarderà in alto verso lo stadio di discesa e una sempre sul rover che guarderà in basso il suolo. A corredo sarà presente anche un microfono che raccoglierà i suoni durante tutte le fasi.[5][22]

Strumentazione scientifica

Il rover porterà con se 7 strumenti scelti da 58 richieste.[7][8]Il costo totale dello sviluppo della strumentazione scientifica ammonta a circa 130 milioni di dollari[17][18]:

  • Mastcam-Z:
    La Mastcam-Z è l'evoluzione della Mastcam montata su Curiosity[23], è un sistema di due telecamere panoramiche e stereoscopiche con la capacità di zoom (3x) che consente di riprendere immagini in 3-D e video ad alta risoluzione (con una velocità di 4 fotogrammi al secondo)[23] per permettere un esame dettagliato di oggetti anche distanti. Lo strumento determinerà anche la mineralogia della superficie marziana e assisterà il rover nelle operazioni.[5][8]Le due telecamere sono montate sul braccio principale del rover ad un'altezza di 2 metri e a una distanza di 24,2 cm per permettere la stereovisione. Con un peso complessivo d circa Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido. avrà una risoluzione di 1600x1200 pixel (ovvero 2-megapixel) con un consumo di energia medio di circa 17 [24]. La Mastcam-Z permetterà agli scienziati di ricostruire la storia geologica del sito attraverso la stratigrafia degli affioramenti rocciosi nonché il riconoscimento del tipo di roccia (es sedimentarie o ingee). La Mastcam-Z inoltre potrà documentare anche processi dinamici, come vortici di polvere, il movimento delle nubi e fenomeni astronomici, nonché attività di spostamento del rover, campionatura e stoccaggio di reperti geologici.
  • Supercam:
    La Supercam è uno strumento LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy), evoluzione della ChemCam montata su Curiosity, che potrà fornire immagini e l’analisi chimica della composizione mineralogica a distanza di 7m dal sito, analizzando quindi quei posti che rover non potrebbe raggiungere con il braccio meccanico. Sarà anche in grado di rilevare la presenza di composti organici e vaporizzarne una piccola quantità per analizzare lo spettro della luce emessa usando la micro-imaging. Sviluppato dal Los Alamos National Laboratory e dal CESR Laboratory, il laser infrarosso che impiega per la vaporizzazione irradia impulsi di 5 ns con lunghezza d'onda di Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido. ed una densità di potenza pari a Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido./cm², generando Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido. di energia. La rilevazione viene poi effettuata in uno spettro tra 400 nm e 900 nm.[25]E' montata sulla sommità della "testa" del rover, pesa circa Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido. e ha un consumo medio di circa 18[26].Questo strumento ha una partecipazione significativa del CNES "Centre National d’Etudes Spatiales" e del IRAP "Institut de Recherche en Astrophysique et Planetologie" Francesi.
  • PIXL (Planetary Instrument for X-Ray Lithochemistry):
    E' uno spettrometro a fluorescenza X con inclusa una camera ad alta risoluzione, montato alla fine del braccio robotizzato in modo tale da essere posizionato vicino al suolo o su una roccia, verrà utilizzato per determinare con precisione gli elementi che compongono i campioni analizzati.[5] Lo strumento rileva i raggi X emessi dagli elementi chimici (ognuno li emette in maniera differente) in un punto da analizzare per una durata compresa tra pochi secondi e 2 minuti, dopodiché si sposta su un altro punto da analizzare muovendosi linearmente con uno schema a griglia lineare. L'area mappata è delle dimensione di un francobollo. Il PIXL include inoltre una fotocamera ad alta risoluzione, in tal modo la mappa degli elementi chimici può essere confrontata in congiunzione ad una fotografia del campione in esame[27] pesa circa Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido. e assorbe 25
  • SHERLOC ( Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics & Chemicals:
    Montato, come il PIXL, sul braccio robotico è uno spettrometro Raman ad ultravioletti accompagnato da una fotocamera per la ricerca di composti organici e minerali che sono stati contaminati da ambienti acquosi e magari con tracce di vita microbica.[28]. SHERLOC irradia un ristretto raggio laser ad ultravioletti su un obiettivo, questo causa due distinti fenomeni spettroscopici che lo strumento cattura per le analisi. Il primo è un effetto di fluorescenza da parte delle molecole che contengono anelli di carbonio. Tali molecole possono essere degli indizi che indicano che sono state conservate tracce di vita biologica passata. Il secondo effetto è chiamato scattering Raman che può identificare alcuni molecole, ad esempio formatesi a causa dell'evaporazione di acqua salata e composti organici. Questi due effetti combinati insieme offrono una profonda analisi di tanti diversi composti nello stesso punto.[29].
  • MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment):
    Il Moxie è uno strumento per la dimostrazione scientifica dell'estrazione, in condizioni locali, di Ossigeno (O2) dall'Anidride carbonica (CO2) che compone quasi eclusivamente l'atmosfera marziana.[30]. Il Moxie dapprima immagazzina e comprime la (CO2), poi, attraverso una reazione elettrolitica divide le molecole di (CO2) in (O2) e monossido di carbonio (CO).Lo strumento è formato da tre moduli, il primo è il CAC (The (CO2) Acquisition and Compression), ovvero il compressore, il quale aspira (CO2) dall'atmosfera e la comprime a ~ 1. Il gas pressurizzato viene quindi fornito al secondo modulo, il SOXE (Solid OXide Electrolyzer), ovvero il modulo dove avviene la reazione elettrolitica: (CO2) → (O2) + (CO)[31] dove la (O2) viene prodotta all'anodo, è equivalente al processo di una cella a combustibile al contrario. Il SOXE opera a una temperatura di circa 800°C, necessita quindi di una sofisticata protezione termica, compreso un preriscaldamento del gas in ingresso e un raffreddamento del gas in uscita. Il flusso d'uscita della (O2) è separato da quello della (O2) e (CO), questo per permettere di verificare meglio la quantità di ossigeno prodotta. Inoltre la corrente che passa attraverso il SOXE è un risultato diretto del passaggio ioni ossidi attraverso l'elettrolita e questo fornisce una misura indipendente del tasso di produzione di (O2) prodotta. La misura della quantità di (O2) in uscita viene misurata dal terzo modulo. Il tutto viene gestito da un'elettronica che raccoglie i dati e li spedisce verso Terra.[32]. Il MOXIE pesa non più di Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido.[33] e ha un assorbimento di 300[34]
  • MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer):
    E' un set di sensori che forniscono misurazioni di temperatura, velocità e direzione del vento, pressione, umidità relativa e forma e dimensione del pulviscolo in sospensione nell’atmosfera.[5]Per la misurazione della temperatura dell'aria il sensore è composto da 5 set da 3 termocoppie ciascuno, 3 sensori sono installati sul braccio principale, i rimanenti 2 sono installati sul corpo principale. Il range di misurazione è tra -123°C a +27°C con un'accuratezza di 5°C e una risoluzione di 0,1°C. Il sensore di umidità è posizionato all'interno del braccio principale, ha un'accuratezza del 10% e una risoluzione del 1%. Il sensore di pressione è posizionato all'interno del corpo e collegato all'esterno attraverso una piccola apertura protetta da un filtro HEPA il range va da 1 a 1150 con un'accurateza di 3 e risoluzione di 0,5. Il sensore della radiazione termica è posizionato all'interno del braccio principale e misura la radiazione nel campo dell'infrarosso. Sempre nel braccio principale ci sono due sensori della velocità e direzione del vento con un accuratezza di 2 e una risoluzione di 0,5[35]. Il Meda pesa circa Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido. e ha un assorbimento fino a 17[36].Lo strumento è realizzato dal Centro de Astrobiologia, Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial (CSIC-INTA) in Spagna.
  • RIMFAX (The Radar Imager for Mars’ subsurFAce eXploration):
    E' un radar in grado di rilevare la struttura del marziano. Il diagramma che si ottiene dal segnale di ritorno è simile ad un'ecografia. Il segnale varia a seconda se è presente ghiaccio, rocce, sabbia o acqua. [37] Il radar opera tra le frequenze di 150 MHz e 1,2 GHz, esso sarà in funzione durante gli spostamenti del rover per raccogliere man mano dati del suolo marziano. Le aspettative sono quelle di riuscire a "penetrare" fino a 10 metri di profondità. L'obiettivo è quello di riuscire a mappare il sottosuolo nelle vicinanze del sito d'atterraggio e nei dintorni di un eventuale campione di roccia prelevato.[38] Il radar pesa meno di Errore in {{M}}: parametro 2 non è un numero valido. e ha un assorbimento fino a 10.[37]

Note

  1. ^ a b c Rudy Bidoggia, Nasa prenota un Atlas V, su astronautinews.it, 5 agosto 2016.
  2. ^ (EN) Jeff Foust, Razzo vettore Atlas V, su space.com, 26 agosto 2016.
  3. ^ a b c d (EN) Panoramica missione, su mars.nasa.gov.
  4. ^ (EN) Karen Northon, NASA Awards Launch Services Contract for Mars 2020 Rover Mission, su nasa.gov, 25 agosto 2016.
  5. ^ a b c d e f g h i Alberto Zampieron, Prende forma il rover marziano del 2020, su astronautinews.it, 16 luglio 2016.
  6. ^ (EN) Luoghi candidati per l'atterraggio di Mars 2020 su Marte, su mars.nasa.gov.
  7. ^ a b c (EN) Dwayne Brown, Strumentazione scientifica, su mars.nasa.gov, 31 luglio 2014.
  8. ^ a b c d Elisabetta Bonora, La NASA annuncia il payload per la missione Mars 2020, su aliveuniverse.today, 1º agosto 2014.
  9. ^ Rudy Bidoggia, Gli obiettivi del prossimo rover marziano, su astronautinews.it, 12 luglio 2013.
  10. ^ (EN) Mars 2020 Mission Contributions to NASA's Mars Exploration Program Science Goal, su mars.nasa.gov.
  11. ^ (EN) Goal 1: Determine if Life Ever Arose On Mars, su mars.nasa.gov.
  12. ^ (EN) Goal 2: Characterize the Climate of Mars, su mars.nasa.gov.
  13. ^ (EN) Goal 3: Characterize the Geology of Mars, su mars.nasa.gov.
  14. ^ (EN) Adaptive Caching Concept, su mars.nasa.gov, 10 giugno 2015.
  15. ^ (EN) Goal 4: Prepare for the Human Exploration of Mars, su mars.nasa.gov.
  16. ^ nei 2,1 miliardi ci sono circa 130 milioni per lo sviluppo della strumentazione scientifica. Ai 2,1 miliardi vanno aggiunti circa 250 milioni per le operazioni durante la missione primaria.
  17. ^ a b (EN) Matt Williams, NASA goes with atlas V to launch Mars 2020 rover, su universetoday.com, 26 settembre 2016.
  18. ^ a b (EN) La missione Mars 2020 costerà più di 2 mld di dollari, su spacenews.com, 20 luglio 2016.
  19. ^ (EN) Dan Leone, U.S. Plutonium Stockpile Good for Two More Nuclear Batteries after Mars 2020, su spacenews.com, 11 marzo 2015.
  20. ^ DEIS (PDF), su mars.nasa.gov.
  21. ^ (EN) Tim Sharp, What is the Temperature of Mars?, su space.com, 3 agosto 2012.
  22. ^ a b c (EN) Entry, Descent, and Landing Technologies, su mars.nasa.gov.
  23. ^ a b (EN) Mastcam-Z, su mars.nasa.gov.
  24. ^ (EN) Mastcam-Z Overview, su mars.nasa.gov.
  25. ^ (EN) Supercam, su mars.nasa.gov.
  26. ^ (EN) Supercam overview, su mars.nasa.gov.
  27. ^ (EN) Mars 2020 Rover's PIXL to Focus X-Rays on Tiny Targets, su jpl.nasa.gov.
  28. ^ (EN) SHERLOC overview, su mars.nasa.gov.
  29. ^ (EN) SHERLOC to Micro-Map Mars Minerals and Carbon Rings, su jpl.nasa.gov.
  30. ^ (EN) MOXIE, su jpl.nasa.gov.
  31. ^ non bilanciata
  32. ^ (EN) Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE), su mars.nasa.gov.
  33. ^ (EN) Air Squared Awarded Contract to Develop Scroll Compressor in NASA MOXIE Demonstration Unit for Mars 2020 Mission, su airsquared.com, 2 febbraio 2016.
  34. ^ (EN) MOXIE overview, su mars.nasa.gov.
  35. ^ (EN) Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA), su mars.nasa.gov.
  36. ^ (EN) MEDA overview, su mars.nasa.gov.
  37. ^ a b (EN) RIMFAX Overview, su mars.nasa.gov.
  38. ^ (EN) Radar Imager for Mars' subsurFAce eXperiment (RIMFAX), su mars.nasa.gov.
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