Mars-romfartøy klart til oppskyting

Av Erik Tronstad

Mars Reconnaissance Orbiter sett forfra, i bane rundt Mars. Øverst er den sirkulære parabolantennen, med de vingeformede sol­celle­pa­nelene under og ut til sidene. (NASA)

Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) er navnet på NASAs neste ubemannede romfartøy til Mars. MRO skal ikke lande på Mars, men gå inn i lav bane rundt planeten. Fra den banen skal romfartøyet gjøre en rekke observasjoner av Mars og omgivelsene. Først og fremst skal MRO kartlegge deler av Mars med høyere oppløsning enn noe tidligere romfartøy har gjort.

Atlas 5-bæreraketten som skal skyte opp MRO. (NASA)

Oppskytingsvinduet for MRO åpner 10. august 2005 og lukkes 30. august 2005. En eller annen gang i løpet av den tiden må Atlas 5-bæreraketten med MRO forlate oppskytingskompleks 41 ved Cape Canaveral Air Force Station i Florida. I skrivende stund er planlagt oppskytingstidspunkt klokken 13.54 norsk sommertid 10. august 2005. Den dagen er oppskytingsvinduet 1 time og 45 minutter langt.

Avhengig av hvilken dag MRO blir skutt opp på, vil romfartøyet gå inn i bane rundt Mars en gang i perioden 10.-16. mars 2006. Til å begynne med vil MRO gå i en meget langstrakt bane, på 300 km x 44 500 km rundt Mars.

Dette er første gang et interplanetarisk romfartøy skytes opp med Atlas 5. Det er også første gang at et interplanetarisk romfartøy skytes opp med noen som helst variant av Atlas, siden Pioneer Venus ble skutt opp i mai 1978.

Romfartøyet

I fullt utfoldet tilstand er MRO 6,5 m høy. Mellom ytterkantene på de to sol­celle­pa­nelene er det 13,6 m. Hvert panel er på 5,35 m x 2,53 m. Når Mars er lengst fra Solen, og MRO i bane rundt Mars, vil sol­celle­pa­nelene levere omtrent 2 kW med strøm. For kommunikasjon med Jorden har romfartøyet en parabolantenne som er 3 m i diameter.

Massen av hele romfartøyet er 2180 kg, hvorav 139 kg er vitenskapelige instrumenter og 1149 kg er drivstoff og gasser for å sette drivstofftankene under trykk.

Datamaskinen om bord er en spesialversjon av en PowerPC-prosessor på 133 MHz. Det høres kanskje ikke så imponerende ut. Dette er imidlertid en spesialversjon, som blant annet er spesialkonstruert for å motstå de ødeleggende virkningene av partikkelstrålingen i rommet. Maskinen har et hurtigminne på 128 MB, også det spesialbygd for bruk i rommet. Dessuten har den et fastminne på 160 GB.

I et renrom ved Kennedy-romsenteret monteres hovedkomponentene til MRO sammen. (NASA)

Totalt har MRO 20 små rakettmotorer, med forskjellig skyvekraft. De seks største har en skyvekraft på 170 N. Hovedformålet med dem er å bremse ned romfartøyets hastighet ved ankomst Mars så mye at det kan gå inn i bane rundt planeten. Alle seks kommer da til å brenne samtidig. Ved å bruke flere mindre motorer, istedenfor én stor, reduserer man sjansene for at motorsvikt skal hindre romfartøyet i å komme inn i Mars-bane.

Seks middels store motorer har hver en skyvekraft på 22 N. De skal brukes til de fleste banejusteringer underveis til Mars. De kommer også til å bli mye brukt de første månedene i bane rundt Mars, når MRO skal bruke aerodynamisk nedbremsing (se nedenfor) for å komme inn i ønsket sluttbane rundt Mars.

De åtte minste rakettmotorene har en skyvekraft på 0,9 N. Normalt kontrolleres stillingen til MRO i rommet ved hjelp av tre svinghjul, hvert på 10 kg. Om et svinghjul går i «metning», kan disse rakettmotorene brukes til å «tømme» et svinghjul for spinn. Motorene skal også brukes til å kontrollere romfartøyets stilling under banejusteringer.

Vitenskapelige formål

Mars er i dag en tørr planet, der trykket på overflaten er for lavt til at flytende vann kan forekomme. Man har imidlertid mange indisier på at det i perioder tidligere i Mars' historie må ha vært flytende vann der, i hvert fall i enkelte områder av planeten. Det er klart slått fast av undersøkelsene de to Mars-kjøretøyene Spirit og Opportunity hittil har gjort. Observasjoner fra Mars-bane har også vist mange strukturer på overflaten, som mest sannsynlig er dannet av flytende vann. Dog er man ikke helt sikre på dette. Det er blant de områdene der man håper MRO skal gi ny innsikt.

De overordnede vitenskapelige målene med MRO er:

• Forbedre vår forståelse av det nåværende klimaet på Mars. Heri inngår de prosessene som har formet og modifisert planetens overflate. Spesielt er man interessert i å vite mer om i hvilken grad vann har spilt en rolle i prosesser på overflaten.
• Finne steder der spor etter flytende vann kan indikere at forholdene kan ha vært gunstige for biologisk aktivitet, eller hvor det til og med kan tenkes å være levende organismer nå.
• Finne og karakterisere fremtidige landingssteder på Mars, for både ubemannede og bemannede romfartøyer.

Vitenskapelige instrumenter

For å nå disse målene har MRO med seks vitenskapelige instrumenter:

• Et høyoppløsningskamera (High Resolution Imaging Science Experiment). Med en diameter på hele 50 cm er dette det største kameraet som noen gang er sendt bort fra Jorden. Kameraet har en synsvinkel på bare 1,14° x 0,18°, men vil ta bilder med en imponerende oppløsning.
  Instrumentet vil gi de mest detaljrike bildene noe romfartøy hittil har tatt av Mars-overflaten. Kameraet skal ta bilder i striper som er omtrent 6 km brede.
  På bilder tatt fra 300 km høyde vil hvert bildeelement ha en utstrekning på 30 cm. Dette er en oppløsning som er nær dobbelt så god som de hittil beste bildene tatt av Mars. De beste bildene som til nå er tatt, er tatt med et kamera i Mars Global Surveyor (MGS) og med en meget spesiell teknikk. MGS har derfor bare tatt en håndfull bilder med en bildepunktoppløsning på nær 50 cm. MRO kommer til å ta langt flere bilder med nesten dobbelt så høy oppløsning.
  Som en tommelfingerregel må man ha minst tre bildeelementer for å se formen på et objekt. MRO vil følgelig ta bilder der man kan skille objekter med utstrekninger ned til omtrent 1 m.
  Ved å ta bilder av samme område fra ulike vinkler, kan forskerne lage stereobilder. På dem vil de kunne se høydeforskjeller helt ned til bare 25 cm.
  Et eksempel på bruk av kameraet er å se etter store steiner i det som ser ut som uttørkede elveleier. Dersom det ligger slike steiner der, tyder det på at det kan ha rent flytende vann der. Om det ikke ligger store steiner i disse strukturene, er det mer sannsynlig at de er dannet av isbreer eller lavastrømmer.

Høyoppløsningskameraet til MRO under bygging. (Ball Aerospace)

Til venstre modell av Mars Polar Lander (MPL), som gikk tapt under landing i desember 1999. De to bildene til høyre er simulerte bilder av MPL, tenkt tatt fra Mars-bane. Det venstre av dem viser hvordan kameraet om bord i Mars Global Surveyor (MGS), som er i Mars-bane, ville avbildet MPL på Mars. (Sammenlikn dette sterkt forstørrede, simulerte bildet med det man mener faktisk er MPL sett fra MGS i Er Mars Polar Lander funnet? (eRomfart 2005-064).) Bildet til høyre viser hvordan høyoppløsningskameraet til MRO vil avbilde MPL. Som man ser, vil MRO gi bilder av MPL med betydelig bedre oppløsning. (NASA/Erik Tronstad)

• Et rekognoseringsspektrometer (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars). Instrumentet observerer samtidig på mange bølgelengder reflektert sollys fra Mars. Hvor mye lys som mottas på hver bølgelengde, sier noe om hva slags stoffer som er på Mars-overflaten i akkurat det området instrumentet ser på. Forskerne er spesielt interessert i å se etter mineraler som kan tilskrives aktivitet fra flytende vann på Mars. For instrumentet er det gitt høyeste prioritet til å lete etter områder med vannrelaterte mineraler, som karbonater, leirer og salter.
• Et omgivelseskamera (Context Camera). Kameraet skal ta bilder over et 30 km bredt område. De fleste av bildene med dette kameraet skal tas slik at den 6 km brede bildestripen fra høyoppløsningskameraet eller rekognoseringsspektrometeret eller begge ligger i sentrum av bildefeltet til omgivelseskameraet. Hovedformålet med kameraet er å vise omgivelsene for observasjonene som de to andre nevnte instrumentene gjør. Oppløsningen på bildene fra dette kameraet er 6 m per bildepunkt. Det er godt nok til at bildene fra det også vil brukes til flere vitenskapelige formål.
• Et globalt overvåkningskamera (Mars Color Imager). Daglig skal kameraet ta bilder som dekker hele Mars. Formålet er å observere forandringer i atmosfæren og på overflaten til Mars. Kameraet har et ekstremt vidvinkelobjektiv. Med det kan MRO ta bilder som viser hele Mars, fra horisont til horisont, under romfartøyet. Kameraet kan ta fargebilder og observere i den ultrafiolette delen av spekteret. Oppløsningen varierer i området 1-10 km per bildeelement.
  Bildene fra det globale overvåkningskameraet vil bli brukt til å lage daglige værkart for Mars. De vil også bli brukt til å følge årstidsbestemte endringer på Mars-overflaten. Eksempler på det er vekst og reduksjon i utstrekningen av polkalottene, frostavsetninger og vindbåren frakt av støv på overflaten.
  Dette kameraet er i stor grad en kopi av et kamera som også var med på Mars Climate Orbiter (MCO). Kameraet på MRO er imidlertid noe forbedret i forhold til det MCO hadde. MCO gikk tapt i september 1999, idet romfartøyet skulle gå inn i bane rundt Mars, se All kontakt med Mars Climate Orbiter brutt (Kortnytt 1999-100), NASA anser Mars Climate Orbiter som tapt (Kortnytt 1999-101), NASA har oppgitt letingen etter Mars Climate Orbiter (Kortnytt 1999-102) og Foreløpig rapport om svikten med Mars Climate Orbiter lagt frem (Kortnytt 1999-115).
• Et klimainstrument (Mars Climate Sounder). Instrumentet skal observere vanndamp, støv, iser og temperaturer i Mars-atmosfæren. Det skal gi data om hvordan disse varierer med høyde, hvordan de er fordelt rundt planeten og overvåke hvordan de varierer fra dag til natt og gjennom årstidene.
  Klimainstrumentet har omtrent de samme vitenskapelige formål som et tidligere, og mye tyngre, tilsvarende instrument, som var med både MCO og Mars Observer. Som nevnt ovenfor gikk MCO tapt i september 1999. Mars Observer gikk også tapt idet romfartøyet var fremme ved Mars i 1993 (se artikkelen Hva skjedde med Mars Observer? i Nytt om Romfart nummer 89, 1994, sidene 18-19).

Klimainstrumentet skal observere i Mars-atmosfæren både parallelt med overflaten og ned gjennom atmosfæren. (NASA)

• En underoverflateradar (Shallow Subsurface Radar). Radaren består av to antenner, som går 5 m ut på hver side av MRO. Antennene er sammenfoldet idet MRO skytes opp, drar til Mars og inn i Mars-bane. Først etter at den aerodynamiske nedbremsingen (se nedenfor) er ferdig, skal antennene foldes ut.
  Radaren skal brukes til å kartlegge strukturer under overflaten på Mars, i den øverste kilometeren av skorpen. Det skjer ved at den sender ut korte radiopulser ned mot overflaten. Radiopulsene trenger ned i overflaten og reflekteres fra grenser mellom ulike lag i skorpen.
  I den øvre delen av Mars-skorpen skal radaren kartlegge lag med is, bergarter og eventuelt lommer med flytende vann, om slike finnes. Radaren vil greie å skille mellom lag med forskjellig kjemisk sammensetning eller fysisk tilstand (for eksempel fast form kontra flytende form) med en tykkelse ned til bare 10 m.
  Radaren til MRO skal i prinsippet gjøre det samme som MARSIS-instrumentet på ESAs Mars Express (se Utfoldingen av antenner på Mars Express er startet (eRomfart 2005-065)). Radaren til MRO vil imidlertid ikke «se» så dypt ned under overflaten som radaren på Mars Express. Til gjengjeld vil radaren til MRO gjøre observasjoner med høyere oppløsning og se flere detaljer i lagene i skorpen.

Radaren i full sving med å sende ut radiopulser mot Mars-skorpen og motta reflekterte pulser. Nede i forgrunnen på tegningen ses et snitt ned gjennom skorpen, med tenkt lagdeling og tenkte lommer med vannis og flytende vann. (NASA)

I tillegg til observasjonene som skal gjøres med de seks instrumentene, skal andre systemer i MRO brukes til to andre typer undersøkelser:

• Kartlegging av variasjoner i Mars' gravitasjonsfelt. Gravitasjonsfeltet fra Mars, som fra andre planeter, har små ujevnheter og variasjoner. De skyldes for eksempel ulik fordeling av massen under planetskorpen, at det noen steder er materialer med større tetthet under skorpen enn andre steder, at det noen steder er enorme vulkankjegler eller fjell, mens det andre steder er sprekker i overflaten, osv. Variasjoner i gravitasjonsfeltet gjenspeiler seg i små variasjoner i bevegelsen av MRO rundt Mars. Med stor nøyaktighet kan man følge banen til MRO. Indirekte kan man på den måten kartlegge variasjoner i Mars' gravitasjonsfelt, som igjen sier noe om forholdene i planetens indre.
  Denne teknikken har tidligere vært brukt med romfartøyer i bane rundt Mars. Slik har forskerne blant annet fått data om regionale forskjeller i tykkelsen på Mars-skorpen og sett årstidsvariasjoner i tykkelsen på polkalottene. MRO skal gå i en lavere bane enn tidligere romfartøyer. Derfor vil MRO gi mer detaljerte data om variasjonene i Mars' gravitasjonsfelt.
• Kartlegging av Mars-atmosfærens struktur. Om bord i MRO er meget følsomme akselerometre. De skal med stor nøyaktighet måle nedbremsingen MRO utsettes for, når romfartøyet passerer gjennom de øvre delene av atmosfæren i den aerodynamiske nedbremsingsfasen. Hvor mye MRO bremses ned under en passering gjennom atmosfæren, er proporsjonalt med atmosfærens tetthet. Slik får man data om forholdene i atmosfæren, kanskje helt ned til 95 km høyde.

Utover de vitenskapelige formålene med MRO, er det også en del teknologiske formål romfartøyet skal benyttes til:

• Electra er en teknologipakke i MRO. Med den skal MRO gi støtte til navigasjon for og til kommunikasjon med andre romfartøyer, både når de nærmer seg Mars og opererer på Mars-overflaten. Electra bruker UHF-radio til å videresende kommandoer fra Jorden til roboter på Mars-overflaten. Likeledes skal pakken brukes til å motta tekniske og vitenskapelige data fra roboter på Mars-overflaten og videresende dem til Jorden. Det er roller som 2001 Mars Odyssey og MGS i dag brukes til, i forhold til kjøretøyene Spirit og Opportunity.
  Via Electra kan MRO kommunisere med fartøyer på Mars-overflaten med hastigheter på fra 1 kbit/s til 2 Mbit/s. Sett fra et fartøy på overflaten, må MRO være minst 20° over horisonten for at de to skal kunne kommunisere med hverandre.
  Når romfartøyer med kompatible systemer nærmer seg Mars, vil signaler fra Electra gi data om hastigheten og avstanden det innkommende romfartøyet har i forhold til Mars. Det vil gjøre det mulig å lande romfartøyer på Mars med større nøyaktighet enn i dag. Sammen med posisjonen til MRO kan Doppler-data fra Electra gi bedre posisjonsbestemmelse av en robot på Mars-overflaten.
• Et optisk navigasjonskamera er en del av en utprøving av en navigasjonsteknikk. Beregnede posisjoner for de to Mars-månene, Phobos og Deimos, vil bli sammenliknet med observasjoner dette kameraet gjør av de to månene, mens MRO nærmer seg Mars. MRO er ikke avhengig av denne navigasjonsmetoden, men den kan gi bedre navigasjonsdata for fremtidige romfartøyer som nærmer seg Mars.
• Kommunikasjon i Ka-båndet. Man skal sammenlikne denne teknikken med overføring i X-båndet, som er standardmetoden for interplanetariske romfartøyer. Ka-båndet bruker mindre energi enn X-båndet. Radiosignaler i Ka-båndet er imidlertid mer følsomme for forstyrrelser av vanndamp i jordatmosfæren.

I Mars-bane

Når MRO ankommer Mars, vil de seks hovedmotorene blir avfyrt i omtrent 25 minutter. Romfartøyets hastighet blir da redusert med omtrent 3600 km/h, nok til å komme inn i en langstrakt bane rundt Mars. Banen vil ha et laveste punkt på 300 km og et høyeste punkt på 44 500 km over Mars. Omløpstiden blir om lag 35 timer.

De seks hovedmotorene på MRO avfyres, for å plassere romfartøyet i Mars-bane. (NASA)

Ved hjelp av aerodynamisk nedbremsing vil banen bli redusert til 255 km x 320 km. Det skjer ved å la MRO passere gjennom de øvre lagene av Mars-atmosfæren på hvert omløp. Den lille nedbremsingen romfartøyet da opplever, vil for hvert omløp senke det punktet i banen som er lengst fra Mars, apoapsis.

I apoapsis vil det bli foretatt små, korte motoravfyringer med de mellomstore rakettmotorene. Formålet med avfyringene er å regulere passeringshøyden i det laveste punktet, periapsis. For eksempel kan variasjoner i tettheten i Mars-atmosfæren gjøre det nødvendig å senke eller heve periapsis på ulike omløp.

Slik vil banen, i løpet av perioden mars-oktober 2006, bli omgjort fra en meget langstrakt og til en nesten sirkulær bane.

Aerodynamisk nedbremsing sparer store mengder drivstoff. Om MRO skulle ha brukt rakettmotorer til å komme ned i banen på 255 km x 320 km, måtte romfartøyet hatt med dobbelt så mye drivstoff fra Jorden som hva det nå har. Som nevnt ovenfor utgjør drivstoff 1149 kg av romfartøyets totale masse. Skulle drivstoffmengden vært fordoblet, ville det krevd et større og tyngre romfartøy, som igjen ville krevd mer drivstoff. Resultatet ville blitt et dyrere romfartøy, som måtte skytes opp med en større og mye dyrere bærerakett.

Hele romfartøyets areal skal brukes i de flere hundre omgangene med aerodynamisk nedbremsing i Mars-atmosfæren. (NASA)

Operativ bane, banen observasjonene skal gjøres fra, skal altså være 255 km x 320 km, med en omløpstid på 1 time og 52 minutter. Banen er nesten polar, det vil si passerer nesten over polene på Mars. Dermed kan MRO dekke hele Mars-overflaten.

De tre andre romfartøyene som for tiden er aktive i baner rundt Mars, går i høyere baner enn MRO til slutt skal inn i. NASAs Mars Global Surveyor går i en nær sirkulær bane i 378 km høyde. NASAs 2001 Mars Odyssey er også i nær sirkulær bane, i 400 km høyde. ESAs Mars Express er i en meget langstrakt bane, på 259 km x 11 560 km, med en omløpstid på omtrent 7,5 timer.

Størrelsen på Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) sammenliknet med Mars Global Surveyor (MGS) og 2001 Mars Odyssey. (NASA)

Driftstid

Den primære driftstiden for MRO går fra november 2006 til desember 2008. I denne perioden vil MRO bli prioritert i NASAs Deep Space Network (DSN). DSN er et nettverk av store parabolantenner på tre steder på Jorden, for kommunikasjon med interplanetariske romfartøyer. Om alt går som planlagt, vil MRO i denne tiden sende tilbake til Jorden omtrent 3,4 TB med data, mer enn fem ganger så mye data som samtlige tidligere Mars-romfartøyer til sammen.

Når Mars (og MRO) er lengst fra Jorden, kan MRO sende data hit med en kapasitet på 600 kbit/s. Når Mars (og MRO) er nærmest Jorden, øker dette til 2,6 Mbit/s. Tallene gjelder ved kommunikasjon med 34 m store parabolantenner i DSN. Om MRO sender til de største antennene i DSN, som er 70 m i diameter, øker maksimal overføringskapasitet til 3,5 Mbit/s. I primærfasen i 2006-2008 kommer MRO til å overføre omtrent 4-9 GB med data hvert døgn.

Om alt fungerer bra med MRO, forventes driftstiden å bli utvidet til perioden januar 2009 til desember 2010. MRO vil da få lavere prioritet i DSN enn i primærfasen.

Hvis MRO etter forlengelsen til 2010 etterlates i banen på 255 km x 320 km, vil romfartøyet gradvis tape høyde, på grunn av friksjon mot de øverste delene av Mars-atmosfæren. Det kan da falle ned på Mars i løpet av få år.

NASA planlegger isteden å heve banen til 350 km x 410 km. Der vil MRO kunne gå i flere tiår, før det eventuelt faller ned i Mars-atmosfæren og i hvert fall delvis brenner opp.

MRO har med store mengder drivstoff. Selv etter at banen i 2010 er hevet til 350 km x 410 km, forventes MRO å ha nok drivstoff til banejusteringer i ytterligere fem år. MRO kan da fortsatt bli brukt som kommunikasjonsrele for roboter på overflaten. Samtidig kan høyoppløsningskameraet fortsette å se etter fremtidige landingssteder, selv om oppløsningen på bildene blir redusert med omtrent 30 %. Det skyldes større høyde over Mars.