Mars Science Laboratory og Curiosity

Av Erik Tronstad

Tegning av Curiosity i arbeid på Mars. Til høyre er robotarmen med en verktøy- og instrumentplattform i enden strukket ut mot en stein som skal undersøkes. (NASA)

Har forholdene på Mars noen gang vært slik at det kan ha eksistert liv der? Det er hovedspørsmålet som Mars-forskerne håper at det rullende laboratoriet Curiosity skal gi svar på.

Curiosity er det største og mest avanserte kjøretøyet som noen gang er sendt bort fra Jorden. Kjøretøyet er hovedkomponenten i NASA-prosjektet Mars Science Laboratory (MSL).

Curiosity er bygd for å kunne kjøre minst 20 km og være i drift i minst ett Mars-år, 687 jordiske døgn.

Mars Science Laboratory-romfartøyet med Curiosity ble skutt opp fra Cape Canaveral i Florida, USA 26. november 2011 (se Curiosity på vei mot Mars (eRomfart 2011-067)). Romfartøyet er i skrivende stund på vei mot Mars.

Curiosity skal lande på Mars mandag 6. august 2012 mellom klokken 07.00 og 07.30 norsk sommertid. Klokken er da rundt 15 lokal tid på landingsstedet på Mars.

Kjøretøyet skal lande inni det 154 km store krateret Gale. Krateret er oppkalt etter den australske astronomen Walter F. Gale (1865-1945). (Når fjellmassivet i krateret ses ovenfra, likner det på Australia. Se bildet øverst i Landingssted for Curiosity er valgt (eRomfart 2011-049).) Landingsstedet ligger ved 4,5° S og 137,4° Ø på Mars.

Den gule ellipsen viser det planlagte landingsområdet for Curiosity i Gale-krateret. (NASA)

Landingsstedet ligger ved foten av det 5000 m høye fjellmassivet i Gale-krateret.

Temperaturen på landingsstedet forventes å variere mellom -90 °C og 0 °C i løpet av den tiden Curiosity er i virksomhet.

Et datamaskingenerert bilde i falske farger av Gale-krateret der høyder er overdrevet fem ganger. Bildet er basert på observasjoner gjort fra Mars-bane. (NASA)

Gale ligger i et lavtliggende område på Mars. Det tyder på at dersom det på Mars noen gang var mye flytende vann på overflaten, vil noe av det ha samlet seg inni Gale-krateret.

Observasjoner fra Mars-bane har vist at det i fjellmassivet i Gale er lagdelinger med mineraler som dannes i vann. Lagdelingene i fjellmassivet tyder på at de ble avsatt etter at krateret ble dannet i et nedslag for over tre milliarder år siden. De eldste lagene ligger nederst.

Kart som viser hvor Curiosity skal lande på Mars i forhold til de tidligere ubemannede landingene USA har foretatt på planeten. (NASA)

Kjøretøyets instrumenter skal i minst ett Mars-år foreta en omfattende undersøkelse av disse lagene. For å undersøke lag fra forskjellige tidsepoker, må Curiosity kjøre oppover fjellmassivet.

Curiosity skal ikke prøve å finne ut om det er liv på Mars i dag. Curiosity skal heller ikke prøve å finne ut om det har vært liv på Mars. Oppdraget begrenser seg til å se om forholdene på Mars kan ha tillatt liv der.

Hvorvidt det har eksistert liv på Mars, er et ubesvart spørsmål. Curiosity har ikke utstyr som kan gi svar på det spørsmålet. Ingen av instrumentene i kjøretøyet kan observere for eksempel stoffskifteprosesser, et direkte tegn på liv. Ingen av kameraene kan ta bilder av mikroorganismer eller fossiler av slike.

Dagens forskere mener at dersom det noen gang har eksistert liv på Mars, så vil det ha vært begrenset til mikroorganismer.

Det er tre forhold som anses som helt essensielle for liv slik vi kjenner det: Flytende vann, andre kjemiske stoffer som liv trenger og en energikilde.

Der Curiosity skal lande, vet man allerede at en av ingrediensene har vært til stede: vann. Perioden med flytende vann i området ligger antakelig tre milliarder år tilbake i tid. Curiosity skal lete etter tegn til de øvrige ingrediensene som liv trenger, som nitrogen, fosfor, svovel og oksygen. Kjøretøyet skal dessuten undersøke hvordan forholdene i området har endret seg opp gjennom Mars' historie.

Forekomster av forskjellige mineraler gir data om hvordan temperatur, trykk var da mineralene ble dannet og hvilke kjemiske forbindelser som fantes.

Romfartøyet

Mars Science Laboratory består av fem hoveddeler: Kjøretøyet Curiosity, nedstigningstrinnet, varmeskjoldet, ryggskallet og frakttrinnet.

Hovedkomponentene i Mars Science Laboratory. Tegnforklaring: 1) Beholder for fallskjermen, 2) Frakttrinnet, 3) Ryggskallet, 4) Nedstigningstrinnet, 5) Nylonsnorer (grønne) og datakabel (fiolett) mellom nedstigningstrinnet og Curiosity, 6) Curiosity og 7) Varmeskjoldet. (NASA)

Total masse for hele nyttelasten som ble skutt opp er 3893 kg. Av dette utgjør Curiosity 899 kg. Nedstignings- og landingssystemet har en masse på 2401 kg. I dette inngår varmeskjold, ryggskall, nedstigningstrinnet og drivstoff til det. Siste komponent er frakttrinnet med en masse på 539 kg.

Under hele ferden til Mars ligger Curiosity sammenfoldet mellom varmeskjoldet sitt og ryggskallet. Der inne ligger også nedstigningstrinnet. Denne «kokongen» med de to romfartøyene er festet til frakttrinnet. Hele romfartøyet roterer med to omdreininger i minuttet for å ha en stabil stilling i rommet.

Frakttrinnet har form som en smultring. Rundt trinnet er det 10 radiatorer som skal stråle ut overskuddsvarme. Hullet i smultringen sitter over en kjegle som inneholder fallskjermen til Mars Science Laboratory.

Frakttrinnet gjøres klart til en av mange prøver i et vakuumkammer. (NASA)

På motsatt side av frakttrinnet i forhold til der ryggskallet er, sitter en ring med seks sol­celle­pa­neler med et samlet areal på 12,8 m². De forsyner frakttrinnet med det meste av den elektriske strømmen det trenger under ferden til Mars. Frakttrinnet har med drivstofftanker og små rakettmotorer som skal brukes til banejusteringer helt frem til 10 minutter før Mars Science Laboratory raser inn i Mars-atmosfæren.

Når sol­celle­pa­nelene er i Jordens avstand fra Solen og rettet mot Solen, produserer de en effekt på 2500 W. Ute ved Mars produserer de opptil 1080 W selv om de er vendt 43° bort fra Solen.

En viktig oppgave for frakttrinnet er å sørge for stabile og riktige temperaturer i hele romfartøyet. På frakttrinnet er også en antenne som brukes til radiokommunikasjon med bakken under det meste av ferden til Mars.

Varmeskjoldet og ryggskallet har en diameter på 4,5 m. Til sammenlikning hadde varmeskjoldene til Apollo-romfartøyene en diameter på 4,0 m og varmeskjoldene til Spirit og Opportunity en diameter på 2,65 m. Materialet som er brukt i varmeskjoldet, er et annet enn det som er brukt på tidligere Mars-ferder. Varmeskjoldet må tåle temperaturer på opptil 2100 °C under ferden ned gjennom Mars-atmosfæren.

I forgrunnen ligger varmeskjoldet til Mars Science Laboratory. I bakgrunnen ser vi rett opp og inn i ryggskallet. Der ser vi nedstigningstrinnet og Curiosity nedenfra. De fire parene med røde sirkler er rakettmotorene til nedstigningstrinnet. Det hvite rektangelet er undersiden av Curiosity med bakenden ned. På hver side av det er tre hjul. De seks gule sirklene som vi ser i ulike vinkler øverst, er landingsradaren til nedstigningstrinnet. (NASA)

Kokongen som utgjøres av varmeskjold og ryggskall er den første som brukes utenfor Jorden som kan styres under ferden ned gjennom en planetatmosfære. Det er en svært viktig faktor for å oppnå den presisjonslandingen Curiosity er avhengig av.

«Kokongen» til Curiosity som utgjøres av ryggskallet (øverst) og varmeskjoldet (nederst). (NASA)

Hovedkomponenter i nedstigningstrinnet er drivstofftanker, fire par med rakettmotorer til nedbremsing og radiokom­mu­ni­ka­sjons­ut­styr. De tre drivstofftankene inneholder 387 kg med hydrazin, et drivstoff som ikke trenger et oksidasjonsmiddel. Skyvekraften på hver av de åtte rakettmotorene kan reguleres opp til et maksimum på 3300 N.

Nedstigningstrinnet sett nedenfra. De fire parene med dyser til rakettmotorene trer tydelig frem i ytterkantene av romfartøyet. Strukturen som stikker ut ned mot høyre er landingsradaren. Den skal i slutten av landingsfasen gi data om høyde, horisontal og vertikal hastighet som er helt avgjørende for en vellykket landing. (NASA)

Curiosity

Curiosity er mye større enn Spirit og Opportunity, de to største kjøretøyene som hittil er landsatt på Mars. Curiosity er 3,0 m langt (når man ser bort fra robotarmen) og 2,8 m bredt. Det høyeste punktet på kjøretøyet er toppen av kameramasten som befinner seg 2,1 m over bakken. På Jorden veier kjøretøyet 899 kg. Av disse kiloene utgjør de vitenskapelige instrumentene 75 kg.

Silhuetten av Curiosity ved siden av en voksen mann med gjennomsnittshøyde viser hvor stort dette kjøretøyet er. (NASA)

Til sammenlikning er Spirit og Opportunity hver 1,6 m lang, 2,3 m bred og 1,5 m høy med en masse på 174 kg. De har med 5 kg med instrumenter hver.

Curiosity har seks hjul, hvert med en diameter på 50 cm. Alle seks hjulene har hver sin motor for å kjøre fremover og bakover. Hvert av de fire hjørnehjulene har hver sin svingmotor. Hvert hjul kan frikobles slik at det kan rulle fritt om hjulets motor slutter å fungere. Slik er det ikke med Spirit og Opportunity. Der ble et hjul låst fast om motoren sluttet å fungere, og de øvrige hjulene måtte «dra» med et hjul uten fungerende motor. Dette var i lang tid et problem for Spirit, helt inntil kjøretøyet sluttet å fungere.

Curiosity klargjøres for oppskytingen mot Mars. (NASA)

En robotarm foran på Curiosity har i enden en plattform med flere verktøy og instrumenter. Robotarmen er 2,1 m lang fra der den er festet til karosseriet og til ytterenden av instrumentplattformen.

Curiosity har to datamaskiner som kan erstatte hverandre. Hver har en prosessor på 200 MHz som er basert på PowerPC 750-prosessoren. Prosessorer som skal brukes i verdensrommet må spesialbygges for å tåle den skadelige partikkelstrålingen der ute. Derfor kan man ikke bare ta en kommersiell prosessor og dytte inn i et romfartøy. En klokkefrekvens på 200 MHz virker ikke særlig høy, men er en stor forbedring i forhold til 20 MHz-prosessorene i Spirit og Opportunity.

De to datamaskinene utgjør en A- og en B-side i elektronikken om bord. Bare en av sidene er aktive i gangen. Curiosity opererer altså til enhver tid enten fra A- eller fra B-siden. Elektronikken er bygd slik at hver datamaskin kan, uavhengig av den andre, kommunisere med og kontrollere alt utstyr i kjøretøyet.

Curiosity ligger nede til venstre mens nedstigningstrinnet henger oppe til høyre. (NASA)

Tidligere Mars-kjøretøyer har fått elektrisk strøm fra sol­celle­pa­neler. Curiosity er det første som bruker en radioaktivt drevet termoelektrisk strømgenerator. Radioaktiv nedbrytning av plutonium 238 produserer varme. Varmen føres til en termokobling (en kobling mellom to ulike metaller). Når de to metallene har ulike temperaturer, dannes det elektrisk strøm mellom dem.

Den radioaktivt drevne termoelektriske generatoren har 4,8 kg med plutoniumoksid og leverer strøm med en effekt på opptil 110 W. Det gir en energiproduksjon på 2700 Wh per sol, mot knapt 1000 Wh per sol i starten for Spirit og Opportunity. Enheten er 64 cm i diameter, 66 cm lang og har på Jorden en vekt på 45 kg. Den er montert bak på karosseriet på Curiosity og på skrå opp fra det.

Denne strømkilden er uavhengig av sollys. Strømforsyningen vil dermed være den samme døgnet rundt, også i de timene det er natt der Curiosity til enhver tid er.

Curiosity sett ovenfra og bakfra mens kjøretøyet pakkes sammen før oppskyting. Noe av det siste som ble gjort, var å montere inn den radioaktivt drevne termoelektriske generatoren. Den ble montert inn i den her tomme «halen» bak på kjøretøyet (nede i bildet). (NASA)

Litiumionebatterier supplerer den radioaktive strømkilden. Ved å hente strøm fra batteriene kan systemene i kjøretøyet i perioder trekke mer strøm enn den radioaktive strømkilden kan levere. Batteriene lades jevnlig opp med strøm fra den radioaktive strømkilden.

Nærbilde av nedstigningstrinnet og Curiosity i ryggskallet. I hjørnene på nedstigningstrinnet ses de fire parene med trinnets rakettmotorer. Vi ser klart undersiden av Curiosity med de seks hjulene. De seks gule sirklene som vi ser i ulike vinkler øverst, er landingsradaren til nedstigningstrinnet. Den radioaktivt drevne termoelektriske generatoren er ennå ikke montert inn bak på Curisoity (nederst). (NASA)

Curiosity har tre antenner for radiokommunikasjon. To av dem skal brukes for direkte kommunikasjon med antenner på Jorden i NASAs Deep Space Network (DSN). Den tredje er for kommunikasjon med romfartøyer i Mars-bane.

Den ene antennen for direkte kommunikasjon med bakken er en rundstråleantenne som mest vil bli brukt til å motta kommandoer fra bakken.

Den andre antennen for direkte kommunikasjon med bakken er en retningsbestemt antenne med en diameter på omtrent 30 cm. Fra Mars kan den (avhengig av avstanden mellom Mars og Jorden) sende med 160 bit/s til bakkeantenner med 34 m diameter og 800 bit/s til 70 m store bakkeantenner. Den retningsbestemte antennen kan brukes til både å sende og motta data. Antennen vil hovedsakelig bli brukt til daglig mottak av kommandoer for hva Curiosity skal gjøre den dagen.

«Kokongen» av ryggskall og varmeskjold er montert til frakttrinnet (øverst). På høyre side av ryggskallet er det fortsatt åpent der den radioaktivt drevne termoelektriske generatoren senere skal inn for å monteres til Curisoity. (NASA)

En UHF-antenne skal brukes til kommunikasjon med NASAs Mars Odyssey og Mars Reconnaissance Orbiter som går i bane rundt Mars. Det aller meste av data fra de vitenskapelige observasjonene som Curiosity gjør, vil bli overført til Jorden via disse to romfartøyene i Mars-bane. Den samme antennen kan også kommunisere med ESAs Mars Express, som også er i Mars-bane, dersom det blir nødvendig eller ønskelig.

Mars Odyssey og Mars Reconnaissance Orbiter kommer hver til å passere over Curiosity minst en gang hver morgen og en gang hver ettermiddag. Hver passering tar typisk 10 minutter. Under disse passeringene kommer Curiosity til å sende opp vitenskapelige data til romfartøyene. Curiosity kan sende opp til Mars Odyssey med 0,25 Mbit/s og til Mars Reconnaissance Orbiter med 2 Mbit/s. Fra de to romfartøyene i Mars-bane vil så dataene overføres til Jorden med langt større kapasitet enn den retningsbestemte antennen på Curiosity kan greie.

Planen er å overføre rundt 250 Mbit med data hvert døgn fra Curiosity til Jorden via disse dataforbindelsene.

Selv om «kokongen» med Curisoity er 4,5 m i diameter, blir den liten i forhold til de to store halvdelene av nyttelastdekselet den skal skjules i under oppskytingen. (NASA)

Curiosity har mange kameraer med seg. Noen er for vitenskapelige formål og noen skal bidra med data til navigering og til å unngå at kjøretøyet kjører seg fast eller kjører på en slik måte at det skades.

Mastekameraene

De to mest avanserte kameraene er de som kalles mastekameraene (Mastcam på engelsk). Som navnet antyder, sitter de på kameramasten på Curiosity. Det høyre mastekameraet har en telelinse, det venstre en linse med middels bildevinkel. Hvert kamera kan lagre tusenvis av fargebilder.

Kameramasten dominerer venstre del av tegningen. Øverst er en laser med et eget kamera. Under den sitter de to mastekameraene nærmest inntil masten. Utenfor mastekameraene sitter to par med navigasjonskameraer. (NASA)

Det venstre mastekameraet har et objektiv med 34 mm brennvidde, et synsfelt på 15° x 18° og kalles Mastcam 34. For et objekt som er 1 km borte, dekker hvert bildepunkt en utstrekning på 22 cm. Er objektet 2 m borte, fås en oppløsning på 0,45 mm.

Mastcam 34. (NASA)

Det høyre kameraet kalles for Mastcam 100 og har følgelig et objektiv med 100 mm brennvidde. Det gir en oppløsning på 7,4 cm per bildepunkt for et objekt som befinner seg 1 km fra kameraet og på 0,15 mm per bildepunkt for et objekt som er 2 m fra det.

Mastcam 100. (NASA)

Hvert kamera har en detektor på 1600 x 1200 bildepunkter og tilgang til et flashminne på 8 GB. Hvert av dem kan også fokusere (se skarpt) på objekter fra en avstand på 2 m og opp til uendelig fra kameraet.

Tidligere kameraer, som panoramakameraene på Spirit og Opportunity, har brukt et sett med fargefiltre for å ta fargebilder. Et slikt kamera må ta tre eksponeringer gjennom forskjellige fargefiltre for å få et fargebilde.

Hvert bildepunkt i Mastcam-kameraene er dekket av filtre med rødt, grønt og blått. Dermed tar de fargebilde i hver eksponering, omtrent som kommersielle digitalkameraer. Fargebildene ligger nær opptil det et menneske ville sett med sine øyne. I tillegg har kameraene et hjul med forskjellige filtre for å kunne gjøre spesialopptak i utvalgte bølgelengdeområder. Ett av dem er et spesialfilter som gjør at kameraet kan se direkte mot Solen for å måle mengden med støv i Mars-atmosfæren.

Sentrum i hvert kamera er 2,0 m over bakkenivå. Avstanden mellom kameraene er 25 cm, noe mer enn for panoramakameraene på Spirit og Opportunity. Kameraene kan følgelig brukes til å ta stereobilder.

Når Curiosity kommer til et nytt sted, kan Mastcam 34 i løpet av bare 25 minutter ta 150 fargebilder som danner et panorama på 360° og fra like ved kjøretøyet opp til himmelranden.

Selvportrett av Curiosity tatt før ferden. Bildet er sammensatt av bilder tatt med Mastcam 34. (NASA)

Mastcam-kameraene kan ta både stillbilder og video. Videoopptak kan gjøres med en kvalitet på 720p og med fra fire til syv eksponeringer per sekund. Video kan for eksempel brukes til å studere bevegelsene til Curiosity når det kjører, til å se hvordan jordsmonnet vekselvirker med hjulene og til å studere bevegelsene av robotarmen.

Kjemi og kamera (kjemikamera)

Instrumentet består av en laser, et lite teleskop og et kamera på toppen av kameramasten på Curiosity. Med dette instrumentet kan Curiosity undersøke den kjemiske sammensetningen av mål i nærheten uten å være i kontakt med dem. Et liknende instrument har aldri før vært sendt opp i verdensrommet.

Laseren kan sende usynlig, infrarødt lys mot mål på størrelse med et knappenålshode som er opptil 7 m fra den. I løpet av 0,000000005 s mottar målet en effekt på rundt 1 000 000 W. Den intense energikonsentrasjonen ikke bare smelter målpunktet, den får stoffene der til å fordampe og bli til et plasma.

Tegningen viser hvordan Curiosity bruker laseren til å bestråle et mål. Laserstrålen er tegnet rød, men er i virkeligheten usynlig da laseren bruker infrarødt lys. (NASA)

Et plasma er en glødende gass der elektroner er revet løs fra normale elektronbaner rundt atomkjernene sine. Når elektroner fanges inn igjen atomer i gassen, sendes det ut lys på forskjellige bølgelengder. Forskjellige stoffer sender ut lys på ulike bølgelengder, bølgelengder som er karakteristiske for akkurat det stoffet.

Lyset fra disse små plasmaboblene som laseren skaper, kommer tilbake til teleskopet, ledes langs en 6 m lang fiberoptisk kabel som går ned gjennom kameramasten og til tre spektrometre inni kjøretøyet. Spektrometrene kan registrere lysstyrken på 6144 forskjellige bølgelengder fra 240 nm til 850 nm i ultrafiolett, synlig lys og infrarødt.

Ved å observere hvor mye lys som kommer på de forskjellige bølgelengdene, kan forskerne finne ut hvilke stoffer som var til stede i målet som ble bestrålt og de relative mengdene av forskjellige stoffer der.

I prinsippet er dette akkurat det samme som astronomer har gjort i over 100 år. Stjerner, som Solen, er kuler av plasma. Det meste av det astronomene vet om stjerner, kommer fra observasjoner der lys fra stjerner observeres med et spektrometer, akkurat som man skal gjøre med Curiositys kjemikamera.

Blant grunnstoffene som kan identifiseres på denne måten er natrium, magnesium, aluminium, silisium, kalsium, kalium, titan, mangan, jern, hydrogen, oksygen, beryllium, litium, strontium, svovel, nitrogen og fosfor.

Mange steinoverflater på Mars har en skorpe med en annen sammensetning enn steinen inni. Skorper dannes gjennom millioner på millioner av års påvirkning av frysing og oppvarming, vindbårne gasser og støv og av kjemiske reaksjoner med gasser i atmosfæren.

Ved å sende hundrevis av gjentatte laserpulser mot samme mål, kan en slik skorpe «brennes bort» og laseren får til å analysere steinens uberørte indre. Slik kan forskerne få informasjon både om skorpelagene utenpå steinen og om steinens egentlige sammensetning.

Teleskopet, som har en diameter på 11,0 cm, til laseren gjør også tjeneste som objektiv for kameraet til kjemikameraet. Det tar monokrome bilder med en detektor på 1024 x 1024 bildepunkter.

Den engelske betegnelsen på instrumentet er Chemistry and Camera (ChemCam).

Røntgenspektrometer med alfapartikler

Røntgenspektrometeret (Alpha Particle X-ray Spectrometer, APXS) er plassert på plattformen i enden av Curiositys robotarm, akkurat som et tilsvarende instrument er på instrumentarmene til Spirit og Opportunity. Instrumentet skal brukes til å påvise ulike grunnstoffer i steiner og jordsmonn via en annen metode enn den som kjemikameraet bruker.

Curiositys røntgenspektrometer baserer seg på 0,0007 g av det radioaktive grunnstoffet curium-244 som har en halveringstid på 18,1 år. Ved starten produserer det 60 millicurie med radioaktiv stråling. Denne lille klumpen med curium sender ut alfapartikler (atomkjerner av grunnstoffet helium) og røntgenstråling ned mot målet som røntgenspektrometeret skal observere.

Når stoffer i målet treffes av denne partikkel- og røntgenstrålingen, stimuleres de til å sende ut sin egen røntgenstråling. Situasjonen her er analog med et plasma: Forskjellige grunnstoffer sender ut røntgenstråling på ulike bølgelengder.

Røntgenspektrometeret observerer hvor mye røntgenstråling som kommer fra målet på ulike røntgenbølgelengder. Fra det kan forskerne bestemme mange av grunnstoffene som er i observasjonsmålet og de relative mengdene av dem.

Tunge grunnstoffer som kan bestemmes på denne måten, ligger i de øvre 0,005 mm av målet som observeres, lettere grunnstoffer ned til 0,05 mm.

For steiner som skal observeres, er det derfor viktig å få fjernet det ytre laget med skorpe av en annen kjemisk sammensetning av steinen. Til det formålet har Curiosity med en roterende børste og et bor, akkurat som Spirit og Opportunity har brukt. Med disse verktøyene kan en skorpe børstes bort eller bores gjennom slik at man kommer inn til selve steinen.

Feltlupekameraet

Alle geologer som skal arbeide ute i felt, har med seg en liten feltlupe for å kunne se detaljer i steiner de undersøker. Farger, krystallformer, spalteplan og andre synlige detaljer fra slike nærobservasjoner gir viktig informasjon om en steins sammensetning.

En slik «feltlupe» har også Curiosity med i form av et kamera som sitter på plattformen i enden av robotarmen. Kameraet, som på engelsk kalles Mars Hand Lens Imager (MAHLI), kan med robotarmen benyttes omtrent som en håndholdt feltlupe.

Feltlupekameraet er omtrent som et kamera med en makrolinse og autofokus. Korteste fokuseringsavstand er 2,1 cm. Der kan det se detaljer på ned til 0,014 mm per bildepunkt. Synsfeltet i denne avstanden er 1,7 cm x 2,2 cm. Selv på én meters avstand kan kameraet se detaljer på ned til 0,5 mm.

Kameraet har en detektor på 1200 bildepunkter x 1600 bildepunkter og tar fargebilder, akkurat som mastekameraene. Som dem har også dette kameraet et flashminne på 8 GB til datalagring.

Feltlupekameraet har to sett med dioder som sender ut hvitt lys. De kan brukes til å lyse opp områder om natten eller områder som ligger i sterk skygge. To andre dioder kan sende ut ultrafiolett stråling med en bølgelengde på 365 nm. Med dem kan man undersøke om materialer blir fluoriserende (selvlysende) når de bestråles.

Røntgenspektrometeret og feltlupekameraet sitter begge på plattformen helt til venstre på dette bildet, i enden av robotarmen foran på Curiosity. (NASA)

Kjemi/mineralinstrumentet

Instrumentet skal undersøke prøver som tas med Curiositys robotarm og leveres til et eget analysekammer i kjøretøyet. Med dette instrumentet kan man direkte påvise noen av mineralene som finnes i jordsmonn og steiner på Mars, noe som før ikke har vært mulig.

Kjemikameraet og røntgenspektrometeret kan påvise mange av grunnstoffene som er i målene som undersøkes. Ut fra hvilke grunnstoffer som er til stede, kan forskerne gjøre antakelser om hvilke mineraler som er der. Forskerne har imidlertid ikke direkte kunnet identifisere mineraler. Slik var det også for instrumentene i Spirit og Opportunity.

Kjemi/mineralinstrumentet bruker en teknikk som kalles for røntgendiffraksjon (røntgenstrålespredning) til å identifisere mineraler.

Her sendes en røntgenstråle mot en prøve, og instrumentet observerer hvordan denne røntgenstrålingen spres av atomer i prøven. Alle mineraler er krystaller. I krystaller sitter atomene i en fast gitterstruktur med faste avstander og plan. Når en krystall bestråles med røntgenstråling, spres denne strålingen i helt bestemte retninger (vinkler) av disse krystallplanene.

Ved å måle disse refleksjonsvinklene kan avstandene mellom atomplanene i krystallen bestemmes. Hvert mineral har sitt eget, særegne sett med atomplanavstander, refleksjonsvinkler og strålingsintensiteter. Slik kan mineraltypene i en prøve bestemmes.

Kjemi/mineralinstrumentet er en kubisk beholder med 25 cm lange sider. På Curiositys toppdekk er en trakt med et deksel som kan åpnes og lukkes. Den trakten fører ned til kjemi/mineralinstrumentet.

En analyse starter med at robotarmen leverer en prøve til en sil. Der fjernes partikler som er større en 0,150 mm før prøven i pulverform ledes ned gjennom trakten til kjemi/mineralinstrumentet. Prøven havner i en liten prøvecelle som er omtrent som en skjorteknapp i diameter og like tykk som et visittkort. Det er 32 slike celler montert på en roterende skive. Fem av dem inneholder referanseprøver fra Jorden, de 27 øvrige kan brukes til prøver fra Mars.

Skiven kan roteres slik at en hvilken som helst av prøvecellene kommer under røntgenstrålen. Mens en prøve bestråles, vibrerer prøvecellen slik at partiklene i prøven skal ristes rundt og ha vilkårlige stillinger i forhold til røntgenstrålen. Det gir sikrere analyseresultater.

I hver analyse må prøven bestråles i opptil 10 timer. Dette kan fordeles over to eller flere Mars-netter.

Hvilke mineraler som dannes og hvordan de dannes, avhenger av flere forhold i omgivelsene som de kjemiske forholdene på stedet (innbefattet om det er vann der), temperatur og trykk. Hvilke mineraler kjemi/mineralinstrumentet påviser, gir data om omgivelsene på det stedet og den tiden da mineraler i steiner og jordsmonn ble dannet eller ble endret.

Instrumentet har den engelske betegnelsen Chemistry and Mineralogy (CheMin).

Hvert av de fire hjørnehjulene på Curiosity kan svinges uavhengig av de andre. (NASA)

Prøveanalyser av Mars

Dette er et annet instrument som skal få tilført prøver fra robotarmen for å analysere dem. Instrumentet har tre delinstrumenter.

Ett av dem er et massespektrometer. Et massespektrometer kan bestemme hvilke gasser som er i en prøve ved å skille gassmolekylene etter vekt og elektrisk ladning når de er ionisert (elektrisk ladet).

Et annet er et laserspektrometer. En laser bestråler en gass og måler hvilke bølgelengder som gassen absorberer stråling på. Ut fra det kan instrumentet si noe om hvilke gasser som er til stede i prøven.

Et tredje er en gasskromatograf. Den kan skille ut forskjellige gasser fra en gassblanding og gjøre det lettere å bestemme hvilke gasser som er til stede. Gasser som er skilt ut, kan sendes videre til massespektrometeret for en sikrere identifikasjon der.

Instrumentet for prøveanalyser er på størrelse med en mikrobølgeovn og er det største av de ti instrumentene i Curiosity. Analysen av en prøve starter med at robotarmen leverer jordprøven til en av to innganger til instrumentet. Der havner prøven i en av 74 små prøveskåler.

Av disse 74 skålene er 59 skåler av kvarts der prøven kan varmes opp til rundt 1000 °C. Når prøven varmes opp, frigis gasser som ledes til de tre delinstrumentene omtalt ovenfor. De analyserer gassene for å finne ut hvilke grunnstoffer som finnes og i hvilke mengder.

Etter bruk kan en slik kvartsskål «steikes» slik at den senere kan brukes til en ny prøve.

I ni av de 74 skålene blir prøven tilsatt en løsning. Også da frigjøres gasser som sendes til de tre delinstrumentene for analyse.

De siste seks skålene inneholder prøver som er tatt med fra Jorden og som skal brukes til å kalibrere de tre delinstrumentene.

De tre delinstrumentene kan også analysere gasser fra Mars-atmosfæren som kan trekkes inn utenfra ved å åpne ventiler.

Et hovedformål med dette hovedinstrumentet er å lete etter kjemiske stoffer som kan være relevante for liv.

Metan (CH₄) er et av de enkleste organiske molekylene. På Jorden dannes metan i hovedsak av ulike levende organismer, men slippes også opp i atmosfæren i for eksempel vulkanutbrudd. Observasjoner fra både Mars-bane og Jorden de siste årene tyder på at metan til tider forekommer i Mars-atmosfæren (se artikkelen Liv eller geologi bak aktivitet på Mars? (eRomfart 2009-004)). Det betyr at metan oppstår og forsvinner fra Mars-atmosfæren. Laserspektrometeret i denne instrumentpakken vil bli brukt til å undersøke om det er metan der og eventuelt overvåke variasjoner i konsentrasjonen av metan. Hvis laserspektrometeret påviser metan på Mars, vil man også prøve å undersøke om metanet kan skyldes biologisk aktivitet eller ikke.

Instrumentet har den engelske betegnelsen Sample Analysis at Mars (SAM).

Værstasjon

Værstasjonen (Rover Environmental Monitoring Station, REMS) skal observere værforholdene ved kjøretøyet og hvordan de varierer i løpet av døgnet og med årstidene på Mars.

Værstasjonen har flere delinstrumenter som skal måle vindhastighet, vindretning, lufttrykk, relativ fuktighet, lufttemperatur, overflatetemperatur og ultrafiolett stråling. Slike målinger skal gjøres med fem minutters mellomrom hele døgnet i løpet av de 98 ukene som Curiosity i utgangspunktet skal være i drift.

Den ultrafiolette sensoren sitter på kjøretøyets toppdekk. Den måler ultrafiolett strålingsmengde i seks bølgelengdeområder. Ultrafiolett stråling er skadelig for liv og levende celler, noe som er årsaken til at vi mennesker bruker solkrem.

Målinger av ultrafiolett stråling har aldri før vært gjort fra Mars-overflaten. Slike målinger vil gi ny informasjon om i hvilken grad forholdene på Mars-overflaten kan tillate levende organismer å være ubeskyttet der.

Curiosity sett rett forfra. Oppe til venstre er kameramasten, opp til høyre ses verktøy-/instrumentplattformen i enden av robotarmen. (NASA)

Partikkelstrålingsdetektor

Instrumentet skal registrere hvor mye partikkelstråling det er både underveis til Mars og på Mars-overflaten.

Med partikkelstråling menes her atomkjerner, atomer som er ladet (i den forstand at de har mistet ett eller flere elektroner og er blitt ioner) og elektroner. Slik stråling forekommer naturlig i verdensrommet og er skadelig for alle levende organismer. Hvor skadelig strålingen er, avhenger av hvor intensiv den er, hvor store energier partiklene i den har og hvilke partikler som er der.

Partikkelstråling opptrer i verdensrommet som kosmisk stråling med to kilder. Den ene er fra kilder utenfor Solsystemet, noe som kalles galaktisk kosmisk stråling fordi den i hovedsak kommer fra kilder i vår galakse, Melkeveisystemet. Den andre kilden er Solen som sender ut en kontinuerlig strøm av ladede partikler. I perioder med kraftige utbrudd på Solen kan denne strålingsformen øke betydelig. Da får vi også ekstra mye nordlys.

Liv på jordoverflaten har to hovedskjold mot denne meget skadelige strålingen fra verdensrommet: Jordens magnetfelt og atmosfære. Jordens magnetfelt sørger for at det meste av partikkelstrålingen som kommer mot Jorden, avbøyes rundt Jorden. Jordatmosfæren sørger for å stoppe en stor del av de partiklene som ikke bøyes rundt Jorden av magnetfeltet.

Mars har ikke noe magnetfelt og har en atmosfære som bare er rundt 1/100 av jordatmosfærens. Derfor vil nivået av partikkelstråling på Mars-overflaten være mye høyere enn på jordoverflaten.

Mengden av partikkelstråling som når Mars-overflaten, har aldri før vært målt. Mars Odyssey har en detektor som måler strålingsnivået i Mars-bane. Fra de målingene er det gjort en del beregninger av hvor mye partikkelstråling som når ned til Mars-overflaten. Slike beregninger er imidlertid beheftet med stor usikkerhet.

Et hovedformål med Curiosity er å finne ut i hvilken grad forholdene på Mars har ligget til rette for at liv kan ha eksistert der, eventuelt fortsatt kan eksistere der. Målinger av nivået av partikkelstråling på overflaten vil gi et viktig bidrag til å kartlegge livsvilkårene på overflaten.

En av de største utfordringene for romfarere som skal til Mars, være der og dra tilbake til Jorden, er partikkelstrålingen de utsettes for. Partikkelstrålingsinstrumentet på Curiosity er derfor det eneste instrumentet der som delvis er finansiert gjennom NASAs bemannede romprogram.

På Mars-overflaten kan partikkelstrålingsinstrumentet også måle nøytroner og gammastråling som kommer både fra Mars-atmosfæren og fra bakken under Curiosity.

Partikkelstrålingsinstrumentet skal gjøre målinger i 15 minutter hver eneste time i løpet av de 98 ukene som er primærprosjektet for Curiosity. Da regner man med å fange opp alle variasjoner i strålingsnivået på Mars.

Instrumentet kalles på engelsk Radiation Assessment Detector (RAD),

Instrument for måling av nøytronintensitet

Instrumentet skal bruke nøytroner til å undersøke i hvilken grad det er vann (mer presist hydrogen) i bakken under Curiosity. Målinger kan gjøres ned til 50 cm under overflaten.

Det skyter nøytroner ned i bakken og måler hvordan disse nøytronene spres. Nøytroner som kolliderer med hydrogenkjerner (atomkjerner av hydrogen), spretter bort fra dem med et bestemt tap av energi. Ved å måle energien til nøytronene som reflekteres tilbake fra bakken, kan instrumentet måle hvor mye hydrogen som er der. Siden hydrogen er en vesentlig bestanddel i vann, kan man slik få et anslag for mengden av vannholdige komponenter i overflatematerialet.

Metoden som brukes har tidligere vært brukt på instrumenter i månebane og Mars-bane. På de sistnevnte har man ikke hatt en egen, kunstig kilde som har skutt ut nøytroner, men man har utnyttet partikler i den kosmiske strålingen som strålingskilde. Det var slike målinger fra Mars Odyssey som i sin tid påviste at det er store mengder med vannis i de øvre lagene av jordsmonnet i polområdene på Mars. Les mer om det i 2001 Mars Odyssey påviser store mengder vannis på Mars (eRomfart 2002-059). Disse måleresultatene var en hovedgrunn til at Phoenix ble sendt til Mars og myklandet der (se artikkelen Phoenix skal se om forholdene på Mars tillater liv (eRomfart 2007-068)).

Instrumentet i Curiosity for måling av nøytronintensitet har som nevnt med sin egen «nøytronkanon». I løpet av Curiositys virksomhet på Mars kan nøytronkanonen skyte ut 10 millioner nøytronpulser, hver med 10 millioner nøytroner.

Den mest sannsynlige kilden til hydrogen i Mars-overflaten er hydrerte mineraler. Det er mineraler der vannmolekyler eller hydroksyler er bundet inn i mineralets krystallstruktur.

På engelsk kalles dette instrumentet for Dynamic Albedo of Neutrons (DAN).

Nedstigningskamera

Dette kameraet (Mars Descent Imager, MARDI) kommer til å ta en serie bilder av Mars-overflaten i landingsfasen for Curiosity. Nedstigningskameraet kommer til å ta omtrent fire fargebilder per sekund, noe som også kan settes sammen til en video.

Opptakene starter omtrent idet varmeskjoldet kobles fra. På de første bildene kommer vi antakelig til å se at det forsvinner nedover. Disse bildene dekker et område på noen kilometers utstrekning av overflaten. Bildene kommer etter hvert til å dekke et mindre og mindre område av overflaten, samtidig som oppløsningen (og dermed graden av detaljer) øker. I siste del av landingsfasen kommer det til å bli tatt hundrevis av bilder med større oppløsning enn det som kan gjøres fra Mars-bane.

Som de andre kameraene som er omtalt har også nedstigningskameraet en detektor på 1200 bildepunkter x 1600 bildepunkter og et flashminne på 8 GB. Kameraet har et synsfelt på 55° x 70°.

Fra en høyde på 2 km kan det se detaljer på 1,5 m per bildepunkt på bakken. I praksis vil oppløsningen være dårligere fordi i Curiosity kommer til å svinge frem og tilbake under fallskjermen under nedstigningen. Bildene kommer derfor til å ha ulike grader av bevegelsesuskarphet.

Nedstigningskameraet sitter på undersiden av Curiosity og foran til venstre. Der vil det fortsette å fungere etter landing. Da kan det ta bilder av et område på størrelse med et badehåndkle under kjøretøyet. Disse bildene vil ha en oppløsning på 1,5 mm per bildepunkt.

Sensorer for å måle trykk og temperatur i landingsfasen

På varmeskjoldet er det montert flere sensorer som skal måle trykk og temperatur under ferden ned gjennom Mars-atmosfæren. Massen til den delen av romfartøyet som raser inn i Mars-atmosfæren (2431 kg), størrelsen på varmeskjoldet (4,5 m diameter) og hastigheten dette treffer Mars-atmosfæren med (6,1 km/s) gjør at varme- og trykkbelastningen på varmeskjoldet blir større enn på noen tidligere Mars-ferd.

De mange sensorene på varmeskjoldet skal måle størrelsen eller styrken på disse belastningene. Sensorer skal måle temperaturer på fire forskjellige dyp i varmeskjoldet. En sensor skal måle hvor fort materiale smelter og fordamper bort fra overflaten på varmeskjoldet under ferden ned gjennom Mars-atmosfæren. Sensorene som måler gasstrykket utenfor romfartøyet vil gi viktige data om forholdene i Mars-atmosfæren.

Robotarmen

Foran på Curiosity er en robotarm av tilsvarende type som instrumentarmen på Spirit og Opportunity. I enden av robotarmen er en plattform med en slags dreieskive med to vitenskapelige instrumenter og tre verktøy. De to vitenskapelige instrumentene er feltlupekameraet og røntgenspektrometeret (omtalt ovenfor). De tre verktøyene er et bor (en drill), en roterende støvbørste og et verktøy for å ta jordprøver og preparere dem før overlevering til vitenskapelige instrumenter for analyse.

Midt på bildet robotarmen til Curiosity med verktøy-/instrumentplattformen øverst. (NASA)

Dreieskiven, inkludert det påmonterte utstyret, har en diameter på omtrent 60 cm og veier 33 kg på Jorden. Når robotarmen er strukket helt ut, er sentrum i dreieskiven 1,9 m fra forkanten av «karosseriet» på Curiosity. Robotarmen har fem frihetsgrader den kan bevege seg i.

Boret kan bore seg opptil 5 cm inn i en stein. Diameteren på borehullet er 1,6 cm. Dersom borehodet kiler seg fast i en stein, kan boret koble seg fra borehodet og erstatte det med et annet borehode. To reserveborehoder er med.

Boret pulveriserer steinen det borer seg inn i til en kornstørrelse som er liten nok til at den kan leveres til vitenskapelige instrumenter for analyse.

Støvbørsten er en metallbørste som roterer for å fjerne støv og annen løsmasse fra overflatene på steiner som skal undersøkes med instrumenter i Curiosity.

Verktøyet for å ta jordprøver har en slags skuffe med to motordrevne lokk som kan lukkes mot hverandre og åpnes. Verktøyet inneholder også flere kamre og kanaler for å sortere, sile ut og dele opp prøver som er tatt med skuffen og med boret. Deretter kan prøver leveres til de to vitenskapelige instrumentene kjemi/mineralinstrumentet og instrumentet for prøveanalyser.

Tegning av verktøy-/instrumentplattformen i enden av robotarmen på Curiosity. Tegnforklaring: 1) Bor/drill, 2) Røntgenspektrometer, 3) Verktøy for å ta jordprøver og preparere dem før overlevering til vitenskapelige instrumenter for analyse, 4) Støvbørste og 5) Feltlupekamera. (NASA)

Kameraer for tekniske formål

I tillegg til de vitenskapelige kameraene omtalt ovenfor, har Curiosity med 12 kameraer for tekniske formål. Det er kameraer som skal brukes til navigasjon og til å identifisere eventuelle hindringer foran og bak kjøretøyet.

Hvert av disse kameraene tar monokrome bilder (svarthvittbilder) i den røde delen av den synlige delen av spekteret, sentrert på rundt 650 nm.

Curiosity har med to sett navigasjonskameraer, hvert sett består av to kameraer. Begge parene med navigasjonskameraer er montert like ved mastekameraene oppe på kameramasten. Begge parene med navigasjonskameraer er koblet til både A- og B-siden i kjøretøyets elektronikk.

Det ene paret med navigasjonskameraer er montert på kameramasten 1,99 m over bakkenivået, det andre paret 10 cm lavere. I hvert par er avstanden mellom venstre og høyre kamera 42 cm, omtrent det dobbelte i forhold til navigasjonskameraene på Spirit og Opportunity.

Hvert navigasjonskamera har et synsfelt på 45°, noe som tilsvarer et objektiv med en brennvidde på 37 mm på et speilreflekskamera. Objektivet har en fast blenderåpning på f/12. Alt fra 50 cm avstand fra objektivet og til uendelig vil bli skarpt på bildene som tas. Bilder tas med en detektor på 1024 bildepunkter x 1024 bildepunkter.

Curiosity har fire par med kameraer som skal identifisere mulige hindringer foran og bak kjøretøyet. Hvert av disse kameraene har et objektiv med et synsfelt på 124°.

To redundante par sitter foran på karosseriet og under toppdekket, mens to par sitter tilsvarende plassert bak. Siden Curiosity kan kjøre både forlengs og baklengs, vil det kunne bli bruk for alle disse kameraene. De som sitter foran, vil også bli brukt til hente inn tredimensjonale data for å planlegge bevegelser med robotarmen.

For kameraene foran er det 16,6 cm mellom sentrum av kameraene i hvert par. Begge parene er montert nær midten og nede på karosseriet til Curiosity, omtrent 68 cm over bakken.

For kameraene bak er det 10 cm mellom sentrum av kameraene i hvert par, tilsvarende som for kameraene på Spirit og Opportunity. Parene er montert ut til sidene bak på karosseriet til Curiosity, omtrent 78 cm over bakken.

Kameraene som skal se hindringer foran og bak Curiosity, har hvert sitt objektivdeksel som skal beskytte objektivene mot støv som måtte bli blåst opp fra bakken under landingen. Etter landingen avfyres små eksplosive ladninger som fjerner de åtte objektivdekslene.

Alle kameraene på kameramasten er beskyttet ved måten kameramasten ligger lagret på helt til etter landingen. De har derfor ingen objektivdeksler.

Tegning av Curiosity med angivelse av utstyret det har med. Tegnforklaring: 1) Meteorologiske instrumenter til værstasjon, 2) Mastekameraer og navigasjonskameraer, 3) Kjemikamera med laser, 4) UHF-antenne for kommunikasjon med romfartøyer i Mars-bane, 5) Radioaktivt drevet termoelektrisk generator, 6) Rundstråleantenne, 7) Sekskantet, retningsbestemt antenne med en diameter på omtrent 30 cm, 8) Instrument for måling av nøytronintensitet, 9) Hjul, 10) Partikkelstrålingsdetektor, 11) Nedstigningskamera, 12) Verktøy-/instrumentplattformen i enden av robotarmen, 13) Robotarmen. I tillegg er det altså to instrumenter inni kroppen på Curiosity: kjemi/mineralinstrumentet og prøveanalyser av Mars.(NASA)

Ferden til Mars

Mars Science Laboratory sendes ikke direkte fra jordbane mot Mars. Centaur-trinnet som sendte Mars Science Laboratory ut av jordbane, følger jo samme bane ut i Solsystemet som Mars Science Laboratory-kokongen. Man ønsker ikke at Centaur-trinnet skal kollidere med Mars og muligens forurense planeten med jordiske organismer. De første to ukene har Mars Science Laboratory en bane som, om den ikke korrigeres, fører til at Mars Science Laboratory bommer på Mars med omtrent 60 000 km.

Slik ser Mars Science Laboratory ut under overfarten til Mars. (NASA)

For å få Mars Science Laboratory inn på kurs mot Mars, må romfartøyet gjennomføre tre banejusteringer. De to første var planlagt henholdsvis 15 døgn og 120 døgn etter oppskyting. Den tredje og siste kommer 60 døgn før ankomst Mars. Først etter den siste av disse banejusteringene vil Mars Science Laboratory være på rett kurs mot Mars-atmosfæren. Om nødvendig kan man gjøre flere banejusteringer etter disse tre.

Banejusteringen 15 døgn etter oppskyting er avlyst. Årsaken er at banen ut fra Jorden var så nøyaktig at den banejusteringen ikke trenges. NASA planlegger isteden en banejustering sent i desember 2011 eller tidlig i januar 2012.

Ferden gjennom Mars-atmosfæren ned til landing

Innflyvningsfasen i Mars-atmosfæren og ferden ned til landing starter omtrent ti minutter før romfartøyet for alvor møter Mars-atmosfæren. Da kobles frakttrinnet fra. Det er ferdig med sin del av jobben og brenner opp i planetens atmosfære.

Frakttrinnet er ferdig med sin del av jobben og er koblet fra. Bare kokongen med ryggskall, varmeskjold og innhold sikter seg inn på en kontrollert ferd ned gjennom Mars-atmosfæren. (NASA)

Instrumentene som er festet til ryggskallet og varmeskjoldet, begynner nå å gjøre sine målinger.

Man regner at «treffpunktet» i Mars-atmosfæren ligger vel 130 km over bakken. Mars Science Laboratory har der en hastighet på 5,9 km/s (rundt 21 200 km/h). Omtrent syv minutter senere skal Curiosity stå stille på Mars-overflaten.

Uten frakttrinnet raser kokongen inn til møte med Mars-atmosfæren. (NASA)

Rundt ett minutt etter at frakttrinnet er koblet fra, sørger små rakettmotorer på ryggskallet for å stoppe rotasjonen på to omdreininger i minuttet. Samtidig dreies romfartøyet slik at varmeskjoldet vender fremover i fartsretningen.

Når denne manøveren er gjennomført, slippes to lodd av wolfram løs fra den ene siden ryggskallet. Hvert av dem har en masse på 75 kg. Dermed forskyves romfartøyets massemiddelpunkt slik at det blir liggende utenfor symmetriaksen.

Under hele ferden til Mars lå massemiddelpunktet på romfartøyets symmetriakse. Det var fordi romfartøyet da roterte for å holde seg stabilt.

Forskyvningen av massemiddelpunktet gjør at romfartøyet dreier og danner en vinkel med fartsretningen. Dermed oppstår en løftekraft når romfartøyet vekselvirker med atmosfæren. Romfartøyet kan da fly nesten som en flyvinge istedenfor bare å deise ned gjennom atmosfæren som en stein. Det gir mye bedre kontroll med ferden ned gjennom atmosfæren enn uten denne muligheten og er en meget viktig faktor for å kunne landsette Curiosity så presist på Mars som målsettingen er.

Datamaskinen i Curiosity, som styrer hele ferden ned gjennom Mars-atmosfæren, bruker små rakettmotorer på ryggskallet til å kontrollere romfartøyets stilling. Romfartøyet kommer da til å gjøre flere S-formede svinger ned gjennom Mars-atmosfæren, av samme type som de amerikanske romfergene brukte under tilbakevendinger til Jorden. S-svingene brukes både til å bremse ned romfartøyet mer enn en ren ballistisk ferd kan gjøre og til å forkorte avstanden romfartøyet må tilbakelegge gjennom Mars-atmosfæren.

Små rakettmotorer i ryggskallet brukes til å kontrollere ferden ned Mars-atmosfæren. (NASA)

Den datamaskinstyrte ferden gjennom atmosfæren gjør at Curiosity kan greie seg med en betydelig mindre landingsellipse enn tidligere Mars-landere. Landingsellipsen er området som Curiosity med 99 % sannsynlighet skal lande innenfor. For Curiosity er den 25 km lang (og 20 km bred), mens den for Spirit og Opportunity var hele 80 km lang.

Det er den lille landingsellipsen som gjør det mulig for NASA å forsøke å lande Curiosity inni Gale-krateret. Et slikt forsøk ville vært umulig om Curiosity hadde en like stor landingsellipse som Spirit og Opportunity.

Over 90 % av fartsreduksjonen som skjer før Curiosity lander, skyldes friksjon mellom varmeskjoldet og Mars-atmosfæren før fallskjermen åpnes. Største temperaturbelastning på varmeskjoldet kommer 1 minutt og 80 sekunder etter inntredenen i atmosfæren. Da er temperaturen på varmeskjoldet oppe i 2100 °C. Den kraftigste nedbremsingen kommer 10 sekunder senere.

Varmeskjoldet beskytter innholdet i romfartøyet mot den voldsomme varmeutviklingen forårsaket av friksjon mot Mars-atmosfæren. (NASA)

Nøyaktig hvor lang tid det vil ta fra romfartøyet «treffer» Mars-atmosfæren og til Curiosity har landet, vet man ikke. Man regner med at det vil ta et sted mellom et minimum på 6 minutter og 9 sekunder og et maksimum på 7 minutter og 40 sekunder fra «toppen» av atmosfæren og til overflaten. Som en «normaltid» i omtalen av landingsfasen bruker man en varighet på 6 minutter og 43 sekunder. Tidspunktet for når fallskjermen foldes ut, kan variere med 10-20 sekunder.

Den faktiske tiden vil avhenge av blant annet eventuelle vinder og lokale tetthetsvariasjoner langs Mars Science Laboratorys bane ned gjennom atmosfæren. Slike variasjoner kan utliknes og kompenseres for mye bedre når Mars Science Laboratory kan «fly» en kontrollert ferd med S-svinger ned gjennom atmosfæren.

Noen få sekunder før fallskjermen åpnes, etter at romfartøyet er ferdig med den kontrollerte nedstigningen med S-svinger, slippes et nytt sett med lodd løs fra ryggskallet. Nå er det seks wolframlodd, hvert med en masse på 55 kg, som forsvinner. Med det forskyves massemiddelpunktet tilbake inn på symmetriaksen. Der må det være når romfartøyet henger i fallskjermen.

På toppen av ryggskallet er en kjegleformet struktur som inneholder fallskjermen og utfoldingsmekanismen til det. Fallskjermen er den største som er laget for bruk utenfor Jorden. Den har en diameter på 16 m og har 80 snorer som hver er 50 m lange. Den skal kunne foldes ut i hastigheter opptil 2,2 mach i Mars-atmosfæren.

Fallskjermen til Mars Science Laboratory under utprøving i en vindtunnel. (NASA)

I denne «normalplanen» foldes fallskjermen ut 4 minutter og 15 sekunder etter at romfartøyet kom inn i atmosfæren. Hastigheten er rundt 1460 km/h når fallskjermen foldes ut i omtrent 11 km høyde.

Varmeskjoldet kobles fra 24 sekunder senere i rundt 8 km høyde. Farten er da om lag 450 km/h. Nedstigningskameraet på undersiden av Curiosity begynner nå å ta bilder ned mot overflaten. En radar med seks skiveformede antenner på nedstigningstrinnet trer i funksjon. Den måler høyde og både vertikal og horisontal hastighet.

Varmeskjoldet er koblet fra og ryggskall, nedstigningstrinn og Curiosity henger i fallskjermen. (NASA)

Helt til venstre, foran forenden på Curisity, er radaren i full gang med å måle høyde og hastighet og sende dataene til datamaskinen i kjøretøyet. (NASA)

Omtrent 80 sekunder etter at varmeskjoldet forsvant, kobles ryggskallet og fallskjermen fra nedstigningstrinnet og kjøretøyet. Romfartøyet er da om lag 1400 m over bakken og flyr nedover med rundt 290 km/h (80 m/s). Alle de fire parene med rakettmotorer (i alt åtte stykker) på nedstigningstrinnet starter.

Ryggskallet og fallskjermen er koblet fra. Alle de åtte rakettmotorene i nedstigningstrinnet er i full gang med å bremse fallhastigheten ytterligere. (NASA)

Mars Science Laboratory bremses ned til en fallhastighet på bare 2,7 km/h (0,75 m/s). Fire av de åtte rakettmotorene slås da av. Romfartøyet er nå omtrent 20 m over bakken, og det er 12 sekunder igjen til landing.

På dette tidspunkt kobles Curiosity løs fra nedstigningstrinnet. Kjøretøyet heises kontrollert ned under nedstigningstrinnet og blir hengende under det i tre nylonsnorer. Samtidig rulles det ut en datakabel mellom de to. Datamaskinen i Curiosity styrer hele sekvensen og kommuniserer med nedstigningstrinnet gjennom denne kabelen.

Curiositys datamaskin har for øvrig kommunisert med nedstigningstrinnet under hele ferden gjennom denne kabelen. Det er datamaskinen i Curiosity som kontrollerer hele landingsfasen. Verken nedstigningstrinnet, ryggskallet eller frakttrinnet har noen egen datamaskin.

Dette er starten på det som kalles himmelkranmanøveren. Nedstigningstrinnet fungerer som en «kran fra himmelen» som heiser Curiosity ned under seg.

Himmelkranmanøveren er i full gang. Mens nedstigningstrinnet og Curiosity beveger seg nedover, heises Curiosity ned fra og under nedstigningstrinnet. (NASA)

Fullt utrullet henger Curiosity 7,5 m under nedstigningstrinnet i de tre nylonsnorene. Slik fortsetter siste del av nedstigningen med en hastighet på 0,75 m/s. Like før kjøretøyet tar bakken, foldes de seks hjulene og hjulopphengningssystemet ut. Curiosity lander på de seks hjulene. Hjulene og deres opphengningssystem absorberer landingsstøtet og fungerer som landingssystem.

Hjulene på Curiosity har foldet seg ut og det er like før kjøretøyet tar bakken. (NASA)

Idet Curiosity registrerer at det har truffet bakken, kuttes de tre nylonsnorene og datakabelen mellom Curiosity og nedstigningstrinnet. Kuttene skjer ved Curiosity. Nylonsnorene og datakabelen rulles opp i nedstigningstrinnet av fjærbelastede spoler.

Hjulene på Curiosity har tatt bakken. (NASA)

Curiosity har landet på Mars. (NASA)

De tre nylonsnorene og datakabelen kuttes ved toppdekket på Curiosity. (NASA)

Nedstigningstrinnet flyr nå bort fra Curiosity og krasjlander minst 150 m fra kjøretøyet, antakelig dobbelt så langt borte. Med det er himmelkranmanøveren over.

Himmelkranmanøveren er over og nedstigningstrinnet flyr bort. (NASA)

Bruk av nedstigningstrinnet som en «himmelkran» er en dristig manøver, men alle involverte er trygge på at den vil fungere. Curiosity er altfor tung til at den kan landes på Mars med luftputer av den typen som Spirit og Opportunity brukte.

Etter landingen

Idet Curiosity er kommet til ro på overflaten, bytter datamaskinen om bord programvare. Bort går programvaren som har styrt hele ferden ned gjennom Mars-atmosfæren. Inn kommer programvaren som skal styre de første aktivitetene på overflaten.

Første oppgave blir å kontrollere status for alle systemene i kjøretøyet og gi en rask statussjekk. Flere data om status for kjøretøyet blir sendt opp til Mars Reconnaissance Orbiter når dette passerer over landingsstedet 12 timer etter landingen.

Landingsdagen blir sol 0 for Curiosity. For Spirit og Opportunity regnet man landingsdagen som sol 1. Ordet «sol» betegner ett døgn på Mars. Det er 24 timer, 39 minutter og 35 sekunder, det vil si noe lengre enn ett døgn på Jorden.

I løpet av sol 1 kommer det forhåndsprogrammerte dataprogrammet til å sørge for at kameramasten svinger opp fra toppdekket på Curiosity. Navigasjonskameraet tar bilder av himmelen, finner fra dem hvor Solen er, regner seg frem til hvor Jorden er og retter den direktive antennen mot Jorden.

Det kan ta over en uke etter landingen før Curiosity kjører for første gang. Første bruk av robotarmen kommer antakelig en gang etter den kjøreturen.

Curiosity er klar til et nesten to år langt oppdrag i Gale-krateret på Mars. (NASA)

Når Curiosity lander, er det sent på vinteren på Mars' sydlige halvkule. Omtrent to tredeler av tiden fra vintersolverv til vårjevndøgn er tilbakelagt. Ett år på Mars er 669 soler eller 687 jorddøgn.

Kommunikasjon i landingsfasen

NASA prioriterer høyt å få radiosignaler fra Mars Science Laboratory under hele ferden gjennom Mars-atmosfæren ned til landing. Hvis noe går galt i denne fasen, er det meget viktig å få data som kan si noe om hvor det gikk galt og hva som skjedde. Slike data betyr mye for planleggingen av fremtidige Mars-ferder.

Under hele nedstigningen gjennom Mars-atmosfæren kommer Mars Science Laboratory til å sende ut radiosignaler med telemetri. Alle de tre romfartøyene som nå er i live i Mars-bane, Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter (begge fra NASA) og Mars Express (ESA), kommer til å være slik posisjonert i sine baner at de kan motta signaler fra Mars Science Laboratory under hele nedstigningsfasen. Overføringene av data fra Mars Science Laboratory og til disse tre skjer med en frekvens på 400 MHz i UHF-delen av radiområdet. Sendingene kommer fra tre forskjellige antenner på Mars Science Laboratory.

På ryggskallet er en UHF-antenne som begynner å sende radiosignaler noen få minutter før Mars Science Laboratory raser inn i Mars-atmosfæren. Den fortsetter med det inntil nedstigningstrinnet og Curiosity kobles fra ryggskallet. Da begynner en UHF-antenne på nedstigningstrinnet å sende. Når Curiosity senkes ned under nedstigningstrinnet, begynner en UHF-antenne på Curiosity å sende. Det fortsetter den med inntil Curiosity har landet.

De tre romfartøyene i Mars-bane overfører dataene de mottar fra Mars Science Laboratory videre til Jorden i X-båndet. Mars Science Laboratory sender også ut data i X-båndet under ferden ned gjennom Mars-atmosfæren. Når disse direktesignalene når Jorden, er de svært svake. Derfor inneholder de ikke noe omfattende telemetri, men er nærmest for en slags semaforer å regne.

X-båndantennen på Mars Science Laboratory som brukes i første del av landingsfasen, sitter på ryggskallet ved fallskjermbeholderen. Før Mars Science Laboratory starter på S-svingene sine, overtar en annen X-båndantenne et annet sted på ryggskallet.

Etter at ryggskallet er koblet fra, overtar en rundstråleantenne i X-båndet på nedstigningstrinnet. Curiosity har også en rundstråleantenne for kommunikasjon i X-båndet. Den kommer først til å sende signaler etter at Curiosity har landet.