Perseverance på vei mot Mars*

eRomfart 2020-040 Norsk Astronautisk Forening, 03.08.2020

Bildene tilhører en nyhetsnotis sendt på epost til medlemmer av Norsk Astronautisk Forening. Dersom du ikke er medlem, men ønsker å motta disse epostene og nyte godt av våre øvrige tilbud, kan du melde deg inn via vårt elektroniske innmeldingsskjema.

Perseverance på vei mot Mars

Av Øyvind Guldbrandsen

Den amerikanske romsonden Mars 2020 ble 30. juli kl. 13:50 norsk sommertid skutt opp fra Cape Canaveral i Florida med en Atlas V-541-bærerakett. Mars 2020 bringer med seg den over ett tonn tunge roveren Perseverance, som skal myklande i Jezero-krateret på Mars den 18. februar 2021 og blant annet lete etter spor etter tidligere liv som måtte ha eksistert på planeten.

Perseverance har med seg 43 små beholdere, hvorav de fleste skal fylles med nøye utvalgte boreprøver. NASA håper at de i samarbeid med ESA skal kunne bringe noen av disse tilbake til Jorden igjen med en fremtidig sonde.

Blant Perseverances syv instrumenter er en norsk undergrunnsradar utviklet og bygget ved Forsvarets Forskningsinstitutt. Perseverance bringer også med seg det lille helikopteret Ingenuity.

Oppskytingen av Mars 2020/Perseverance fant sted 30. juli fra oppskytingsrampe 41 på Cape Canaveral med en Atlas V-541-rakett. (NASA/Joel Kowsky)

Atlas V-541 benytter en russisk RD-180-motor i førstetrinnet, som også har fire faststoffmotorer påspent under første del av oppskytingen. RD-180 har to dyser, og ser derfor ut som to rakettmotorer. (NASA/Joel Kowsky)

Kl. 15:15, kort tid etter at oppskytingen var vel gjennomført og Mars 2020 koblet fra bærerakettens øvre Centaur-trinn, mottok NASAs DSN-antenner (Deep Space Network) ved Canberra i Australia de første radiosignalene fra sonden, men uten å kunne tyde telemetrien. Årsaken var at DSN-antennene, som er laget for å ta imot uhyre svake signaler fra romsonder langt ute i Solsystemet, ikke var innstilt på at Mars 2020 fortsatt befant seg veldig nærme Jorden. Signalene var derfor så sterke at de helt overdøvet mottakerne.

I tillegg til i Australia har NASA klynger av DSN-antenner plassert ved stasjoner i Madrid i Spania og ved Goldstone i California. Ved å spre dem rundt kloden på denne måten vil stort sett alltid en stasjon være innen synsvidde for et romfartøy langt fra Jorden.

Kommunikasjonsproblemet ble løst innen et par timer ved å justere innstillingene på mottakerne. Men rett etterpå så man at sonden hadde gått inn i sikker modus. Det innebærer at alle operasjoner, unntatt de som er essensielle for å holde romfartøyet i live, settes på vent, mens det venter på nærmere instrukser fra Jorden.

Sikker modus er noe de fleste større satellitter og romsonder er programmert til å gå inn i dersom de detekterer at noe ikke er som det skal. I dette tilfellet hadde temperaturen i romsonden sunket til lavere enn beregnet da det passerte gjennom jordskyggen på vei bort fra Jorden. NASA forklarte etterpå at de forhåndssatte parametrene nok var strammere enn nødvendig, men at det er bedre at romfartøy går inn i sikker modus en gang for mye enn en gang for lite. Problemet løste seg selv etter at romfartøyet kom ut av jordskyggen.

Under den nær syv måneder lange ferden til Mars er Perseverance og nedstigningstrinnet omsluttet av et 4,2 m bredt aerodeksel, som igjen er tilkoblet et sylinderformet cruisetrinn. Trinnet skal frakobles 10 minutter før sonden entrer Mars-atmosfæren. Restene av det vil styrte ned på Mars. (NASA)

MARS 2020-ELEMENTENE
Mars 2020 har en masse på 4,1 tonn. Av dette utgjør Perseverance 1025 kg, omtrent 126 kg mer enn forløperen Mars Science Laboratory/Curiosity, som landet på Mars i 2012 og fortsatt er i aktivitet på planeten. Mars 2020/Perseverance er bygget over samme lest som Curiosity, men kjøretøyet er en anelse større og har et annet sett instrumenter. Også typen bærerakett, ferden til Mars og landingsforløpet er svært like.

Under oppskytingen og ferden til Mars ligger Perseverance sammen med et nedstigningstrinn inne i et todelt aeroskjold, som igjen er koblet til et cruisetrinn med diameter 4,1 m og masse på 539 kg. Cruisetrinnet har et sirkulært solcellepanel, antenner for kommunikasjon med Jorden, radiatorflater for å stråle ut overskuddsvarme, drivstofftanker og små rakettmotorer som skal brukes til stillingskontroll og banekorreksjoner på veien mellom Jorden og Mars. Trinnet vil bli koblet fra aeroskjoldet omtrent 10 minutter før begge raser inn i Mars-atmosfæren og vil bli ødelagt på veien gjennom atmosfæren, før restene styrter ned på overflaten.

På samme måte som Curiosity i 2012 skal de siste meterne av landingsfasen foregå ved at Perseverance senkes ned på overflaten fra et nedstigningstrinn. Det spektakulære systemet er kalt Sky Crane. (NASA)

ANKOMST OG LANDING
Aeroskjoldet består av et fremoverrettet varmeskjold på 382 kg og et ryggskall på 294 kg. Varmeskjoldet har en diameter på 4,2 m. Aeroskjoldet vil beskytte Perseverance på veien gjennom Mars-atmosfæren, og sørge for det aller meste av oppbremsingen før landingen. Det er ventet at temperaturen på skjoldet under den aerodynamiske oppbremsingen vil komme opp i 1300 grader Celsius.

Siden Mars-atmosfæren er i stadig endring er det umulig å spå nøyaktig hvor landingen ville skjedd dersom Perseverance hadde blitt sendt på en rent ballistisk kurs gjennom atmosfæren. Små rakettmotorer vil derfor sørge for å kontinuerlig justere fartøyets stilling på veien gjennom atmosfæren, slik at det vil styres mot det forutbestemte landingsstedet.

I en høyde av 11 km vil luftmotstanden ha redusert hastigheten til rundt 865 km/t. I omtrent denne høyden, når romfartøyet detekterer at posisjonen er optimal i forhold til landingsstedet, vil fallskjermsystemet utløses. Hovedfallskjermen er basert på de til Curiosity og til Viking-sondene, men er forsterket og forstørret. NASAs Viking 1 og 2 var de første sondene som foretok vellykkede landinger på Mars, tilbake i 1976. Perseverances fallskjerm har en masse på 55 kg og diameter på 21,5 m når den er utfoldet.

Fallskjermen vil bremse Perseverance ytterligere. Varmeskjoldet vil bli frakoblet mens Perseverance henger i fallskjermen. To landingskameraer på roveren og en sett av landingsradarer på nedstigningstrinnet, som Perseverance fortsatt er koblet til, vil da kunne se overflaten.

Mars atmosfære er for tynn til at landing kan foregå bare med varmeskjold og fallskjermer. Så omtrent 60 sekunder før landingen kobles nedstigningstrinnet/Perseverance fra ryggskallet, som forblir hengende fallskjermen. Kort tid etter tenner de åtte nedoverrettede rakettmotorene i nedstigningstrinnet. I en høyde av rundt 20 m, når hastigheten er nær null, aktiveres den såkalte Sky Crane, som heiser roveren ned mot overflaten i tre lange vaiere festet til nedstigningstrinnet. Når roveren registrerer at hjulene er trygt nede på overflaten kuttes vaierne pluss en datakabel, og nedstigningstrinnet flyr avgårde og krasjer noen hundre meter fra Perseverances landingssted.

Hele ferden gjennom Mars-atmosfæren frem til landingsøyeblikket er ventet å ta rundt syv minutter. Når Perseverance ankommer Mars vil radiosignalene bruke 21 minutter tur-retur Jorden-Mars, altså tre ganger så lang tid som hele ferden gjennom Mars-atmosfæren. Alle operasjonene under landingen må derfor skje automatisk, og må utføres perfekt for å unngå havari. Ankomst-og landingssekvensen er den mest risikable delen av ferden, og bakkekontrollen kan bare overvåke hvordan den forløper via radiosignaler som sendes tilbake, uten mulighet for å gripe inn dersom noe skulle gå galt. Disse nervepirrende minuttene blir derfor kalt «syv minutters terror». Radiosignalene vil dels gå direkte via enkle bærebølger, dels med telemetri via sonder som allerede befinner seg i bane rundt Mars.

Perseverance skal lande nær et viftedelta i det 49 km store Jezero-krateret. Deltaet består av avsetninger brakt inn av flytende vann for 3,5 milliarder år siden. NASA håper at det finnes spor av tidligere liv i leiren i deltaet. Etter landingen skal Perseverance kjøre bort til deltaet og etter hvert muligens inn i det uttørkede elveleiet til venstre for dette på bildet. (NASA/JPL-Caltech/MSSS/JHU-APL)

LANDINGSSTEDET
Etter en lang og møysommelig utvelgelsesprosess bestemte NASA seg for å lande Perseverance i det 49 km store Jezero-krateret. Forskerne mener at store mengder vann rant inn i krateret og dannet en innsjø av det for mer enn 3,5 millarder år siden, da Mars var varmere og våtere enn nå. Bilder fra sonder i bane rundt Mars viser et vifteformet delta av sedimentære avsetninger dannet av materiale brakt inn med vannet fra omgivelsene.
Data fra Curiosity har vist at Mars tidligere har hatt et miljø som kunne opprettholde liv. Dersom mikrobiologisk liv oppstod i Jezero-krateret kan spor av dette eksistere i sedimentene i den tidligere bunnen eller langs kystlinjene.

NASA regner ikke med at det finnes liv på Mars idag, i hvert fall ikke på overflaten. Til det er planeten for tørr og kald og den ultrafiolette strålingen fra Solen for kraftig. Riktignok mener mange forskere at liv potensielt kan eksistere et stykke under overflaten. Men Perseverance kan bare bore noen cm inn i steinene der og har ikke med seg biologiske instrumenter, det vil si instrumenter som kan detektere nåværende biologisk aktivitet. Perseverances instrumenter vil derimot kunne gi indikasjoner på spor etter tidligere liv på planeten.

Dette til forskjell fra ESAs ExoMars-rover Rosalind Franklin, som vil kunne bore ned til 2 m og studere prøvene med biologiske instrumenter om bord. Det var lenge meningen at ExoMars-roveren også skulle skytes opp i sommer, men ferden ble i mars måned vedtatt utsatt for femte gang etter at prosjektet ble startet i 2005. Hver utsettelse har vært på to år dvs. fra ett Mars-oppskytingsvindu til det neste. ExoMars-roveren er nå planlagt skutt opp med en russisk Proton-rakett høsten 2022

PRØVERETUR
Uansett hvor avansert Perseverance og dens instrumenter måtte være er det grenser for hva man kan finne ut med et lite, fjernstyrt mobilt laboratorium. For å fastslå med nær full sikkerhet hvorvidt liv har eksistert på Mars må prøvene undersøkes i store laboratorier på Jorden. Skulle Perseverance finne indikasjoner på tidligere liv i boreprøvene vil disse bli forseglet i små beholdere for mulig retur til Jorden med en fremtidig sonde.

Med en masse på 1025 kg og lengde på 3 m vil Perseverance bli det største og tyngste fartøyet som er landsatt på Mars. Robotarmen foran kan strekke seg ut til en lengde på 2 m. (NASA)

PERSEVERANCE
Perseverance har en lengde på 3 m, bredde på 2,7 m og høyde på 2,2 m. Roveren er den femte som NASA har sendt til Mars, etter Sojourner, Spirit, Opportunity og Curiosity. Alle roverne har benyttet sekshjuls boggisystem av tilsvarende typer, men i svært varierende størrelser. Systemet er designet for å takle det tildels meget steinete og ulendte terrenget på Mars. Perseverances toppfart på 4,2 cm/s, eller 152 m/t på flat, hard grunn kan høres lav ut, men hensikten har aldri vært å fyke rundt på Mars.

Hjulene har diametre på 52,5 cm og er noe større og smalere enn de på Curiosity. Aluminiums«dekkene» er også tykkere og sporene tettere og svakt bølget i stedet for Curiositys sikk-sakk-mønster. Det nye designet skal forhåpentligvis redusere slitasje på hjulene sammenlignet med hva Curiosity har blitt utsatt for. Etter relativt kort kjørestrekning ble det noe overraskende oppdaget flere store rifter og hull i Curiositys hjul.

En arm i fronten av Perseverance kan strekke seg ut i en lengde av 2 m. Armen har en hånd på 45 kg med drillutstyr, kameraer og vitenskapelige instrumenter. Det er denne drillen som skal hente boreprøver for undersøkelse i roveren og eventuelt plassering i beholdere i roveren. Beholderne skal deretter legges igjen på spesifikke steder på overflaten for så å kunne plukkes opp av en fremtidig rover, som så skal frakte dem til et landingsfartøy som skal skytes opp igjen til Mars-bane. Prøvene skal deretter bringes tilbake til Jorden med en annen sonde igjen. De første elementene i et slik konsept vil tidligst skytes opp i 2026, med mulig retur til Jorden i 2031.

ENERGIFORSYNING
Som Curiosity vil Perseverance benytte en termoelektrisk radioisotopgenerator betegnet MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) som strømkilde på Mars-overflaten. Inni denne befinner det seg 4,8 kg plutoniumdioksid. Plutoniumet er av isotopen Pu-238, som har en halveringstid på 87,7 år. Under den naturlige nedbrytingen genereres varme, som generatoren konverterer til en jevn strøm av elektrisk energi. Ved oppskytingen var dette 110 W, som reduseres med noen få prosent hvert år. Varmen fra MMRTG'en vil også holde temperaturen på systemene om bord i Perseverance på et akseptabelt nivå under de kalde nettene.

Perseverances primære oppdrag er ett Mars-år (687 jorddøgn), men om landingen lykkes vil den sannsynligvis fungere lenger enn som så. MMRTG'en vil i alle fall kunne holde den i drift i inntil 14 år.

Dette er tilfeldigvis like lenge som den solcelledrevne roveren Opportunity fungerte på Mars. Opportunity landet på Mars i januar 2004, tre uker etter tvillingroveren Spirit. Begge var konstruert for å fungere i 90 dager, men varte mye lenger enn det. Spirit sa takk for seg i 2010, mens Opportunity fungerte helt frem til juni 2018. Da var det en global støvstorm som til slutt tok knekken på roveren. Alt støvet i atmosfæren gjorde at bare 0,02 promille (1/50 000-del) av lyset fra Solen slapp igjennom til overflaten.

Selv om Spirit og Opportunity fungerte hinsides alle forventninger har man på Curiosity og Perseverance valgt å benytte MMRTG'er i stedet for solcellepaneler. På Mars er MMRTG'er mer stabile og pålitelige strømkilder, hvor man ikke trenger å bry seg om det er natt, støvstormer eller om panelene er dekket av støv eller vendt mot Solen.

Perseverance har også to litium-ionbatterier som kan lades opp av MMRTG'en og benyttes ved visse operasjoner av kortere varighet, hvor behovet for strøm er ekstra stort.

INSTRUMENTER OG VITENSKAP
NASA oppgir at Perseverances primære mål er å avgjøre om liv har eksistert på Mars. Utover dette skal roveren også karakterisere klimaet på Mars og geologien ved landingsstedet, og forberede for fremtidig bemannet utforskning av planeten

Til dette har roveren syv vitenskapelige instrumenter. Noen av instrumentene består av flere sensorer, som kan være spredt rundt på roveren.

MastCam-Z består at to fargekameraer og er Perseverances primære vitenskapelige øyne. De er de første kameraene på en interplanetarisk farkost med zoomoptikk. MastCam-Z kan også ta video. Kameraene ser i samme retning for å kunne ta 3D-bilder. 360-graderspanoramaer av omgivelsene kan lages ved at hodet på masten roteres helt rundt, pluss tiltes opp og ned.

Spania har bidratt med det meteorologiske instrumentet MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer). I tillegg til å måle vind, temperatur, fuktighet etc. gjennom årstidene skal MEDA måle stråling fra Solen, som er viktig å kjenne til før man en eller annen gang måtte sende folk til planeten.

MOXIE (Mars OXygen In situ resource utilization Experiment) er et annet instrument som vil være til nytte for planleggere av bemannede ferder til Mars. MOXIE skal demonstrere muligheten av å konvertere karbondioksid (CO2) til molekylært oksygen (O2). Mars-atmosfæren består av 96% CO2, men er praktisk talt fri for O2, som vi alle vet er gassen mennesker og dyr er avhengig av for å overleve. Håpet er at man på bemannede ferder vil kunne produsere O2 på Mars, i stedet for å drasse det med seg fra Jorden.

PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) befinner seg delvis på armen og skal sende kraftige røntgenstråler (X-rays) mot interessante steiner for å bestemme hva disse er sammensatt av. Områder så små som saltkorn kan undersøkes.

RIMFAX er Norges bidrag til Mars 2020! Utviklet og bygget ved FFI (Forsvarets Forskningsinstitutt), under ledelse av Svein-Erik Hamran. RIMFAX er en georadar og skal sende radarbølger ned i overflaten slik at man kan fremstille en vertikal profil av undergrunnen. Et lignende instrument fra FFI, Wisdom, skal bringes til Mars med ESAs ExoMars-rover.

SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescene for Organics & Chemicals) er også plassert på armen og skal se etter organiske molekyler og mineraler, for å hjelpe forskerne i å bestemme hvilke boreprøver som er verdt å bringe tilbake til Jorden på en senere ferd. SHERLOC skal sende ultrafiolette laserstråler på mineraler og analysere lyset som kommer tilbake. Instrumentet har også et mikroskop og vidvinkelkameraet WATSON (Wide Angle Topographic Sensor for Operations and eNgineering). Det skal benytte en bit av en Mars-meteoritt som kalibrasjonsmål (muligens den første objektet som er sendt fra Mars til Jorden (etter et meteorittnedslag) og deretter tilbake til Mars igjen).

SuperCam er en videreutvikling av Curiositys ChemCam og er montert på det bevegelige hodet på den vertikale masten. Optikken deles med et laserinstrument som skal fyre av laserpulser mot interessante bergarter inntil 7 m unna Perseverance og varme disse opp til 10 000 grader C. Gassene som unnslipper målet vil bli analysert av spektrometre i SuperCam. To mikrofoner er tilknyttet SuperCam-instrumentet. Disse skal ta opp lyden som oppstår når steinene treffes av laserstrålene, noe som vil hjelpe til å karakterisere disse. Mikrofonene vil også ta opp lyd under Perseverances landingsfase og under andre operasjoner på overflaten.

Det lille Mars-helikopteret Ingenuity vil foreta flyturer på opptil 5 m høyde og 50 m lengde som vil vare i maks 90 sekunder om gangen. Det vil holde seg innenfor 1 km fra Perseverance, og radiokommunisere med denne. Ingenuity vil bli det første helikopteret på en annen planet enn Jorden. (NASA/JPL-Caltech)

INGENUITY
I 2018 ble JPL, som har ansvaret for Mars 2020, bedt om å ta med et lite, eksperimentelt helikopter, som senere ble døpt Ingenuity. Ingenuity ble inkludert etter at roveren og alle instrumentene var ferdig designet, så meningene i JPL om å ta med et helikopter var så som så. Men ved å vri på de kreative delene av hjernene sine fikk ingeniørene det til likevel.

Lufttrykket på Mars-overflaten er mindre enn 1% av trykket ved havnivået på Jorden, eller tilsvarende det man finner rundt 35 km over havnivået her. Å fly helikopter under sånne forhold kan synes håpløst, selv om det hjelper at Mars har en tyngdekraft som er bare 38% av Jordens.

For å få det til har Ingenuity blitt skrapt ned til en masse på bare 1,8 kg, og de to propellene, som roterer motsatt vei i forhold til hverandre, vil rotere med en hastighet på omtrent 2400 rpm, dvs. 40 rotasjoner per sekund.

Helikopteret er montert i et beskyttende hylster på undersiden av Perseverance og er ventet å bli frigjort i mai 2021, med første flytur seks dager senere.

Helikopteret har en nær kubeformet kropp på 14x16x20 cm og rotorblader med vingespenn på 1,2 m. Kraftkilden vil være batterier, som lades opp av et solpanel over rotorbladene mellom hver flytur.

Flyturene må selvsagt foregå automatisk. Håvard Fjær Grip fra Trøndelag har ansvaret for at Ingenuity kommer seg på vingene på en tryggest mulig måte.

KAMERAER
Mars 2020 har med seg hele 25 kameraer, det største antallet for noe interplanetarisk romfartøy hittil. Syv av kameraene har vitenskapelige oppgaver, de øvrige har i hovedsak tekniske formål. 19 befinner seg på Perseverance, tre på ryggskallet, to på Ingenuity og ett på nedstigningstrinnet. Ingen befinner seg på cruisetrinnet, så Mars 2020 vil ikke begynne å ta bilder av Mars før varmeskjoldet er koblet fra.

Seks fargekameraer skal brukes til å dokumentere nedstignings- og landingsfasen, primært for at ingeniørene skal se hvordan farkosten med alle tilknyttede elementer oppfører seg på veien ned. Tre av disse kameraene er montert på ryggskallet og peker oppover, for å se på fallskjermsystemet. En er montert på nedstigningstrinnet og peker nedover for å se på senkingen og landsettingen av Perseverance. To er montert på Perseverance. En peker oppover mot nedstigningstrinnet og ett ned mot landingsstedet.

Et syvende, nedoverrettet svart-hvitt kamera skal brukes under landingsfasen for å automatisk navigere Perseverance ned mot overflaten.

Ingen av bildene vil bli overført til Jorden før etter at Perseverance har blitt trygt plassert på Mars-overflaten.

På karosseriet til Perseverance, omtrent der støtfangerne på en vanlig bil ville vært montert, er det plassert seks såkalte HazCams (Hazard Avoidance Cameras), fire foran og to bak. Med dataene fra disse vil Perseverance generere 3D-modeller av terrenget og automatisk detektere hindringer langs kjøreruten, som steiner, sanddyner og groper. Kameraene foran vil også overvåke armen under arbeid.

På den vertikale masten til Perseverance er det montert fem kameraer. Alle ser i samme retning, og er plassert på et hode som kan roteres i alle retninger. To navigasjonskameraer plassert 42 cm fra hverandre (for 3D-bilder) hjelper både bakkekontrollen og roveren selv i å navigere gjennom terrenget. Mellom disse er to MastCam-Z-kameraer montert. Disse tilhører de vitenskapelige instrumentene (forrige avsnitt.) Både NavCam og MastCam-Z ser i farger, uten bruk av roterende hjul med fargefiltre, slik kameraer på romfartøy vanligvis benytter for å se i farger.

Det femte kameraet på masten er SuperCam, et annet av de vitenskapelige instrumentene om bord (se avsnittet om disse).

I Perseverance befinner det seg et CacheCam, som skal benytte et makroobjektiv til å fotografere prøvene som er tatt fra overflaten før disse forsegles for eventuell senere retur til Jorden.

Et makrokamera på armen skal fotografere små ting på overflaten. Kameraet er en del av instrumentet SHERLOC.

Et annet kamera på armen er WATSON. Det er tilknyttet SHERLOC, men myser på større områder om gangen enn SHERLOCs eget mikroskop kan.

Et mikroskop i instrumentet PIXL skal fotografere prøver plukket opp fra bakken, på størrelser med saltkorn. Potensielt vil det kunne finne spor av liv i prøvene.

Et svart-hvitt kamera er tilknyttet det meteorologiske instrumentet MEDA. Det ser oppover i svart-hvitt for å måle hvordan støv og is påvirker sollyset.

De to siste kameraene befinner seg i helikopteret Ingenuity. Ett ser nedover i svart-hvitt for navigasjonsformål og ett ser på skrå i farger for å fotografere terrenget, innimellom også Perseverance.


KOSTNADER
Utviklingen, byggingen og oppskytingen av Mars 2020/Perseverance har kostet 2,3 milliarder amerikanske dollar. Å operere sonden og roveren ut ett Mars-år (687 jorddøgn) etter landingen er ventet å koste 400 millioner dollar i tillegg.