Projekty kosmicznych misji marsjańskich

Krzysztof Ziołkowski Centrum Badań Kosmicznych PAN

Opowieść o historii badania Marsa rozpoczniemy od najbardziej aktualnych wydarzeń. Dziś jest 20 września. Za trzy dni, 23 września, doleci do Marsa jedna z dwóch sond kosmicznych wchodzących w skład misji Mars Syrveyor'98. Zadaniem tej sondy będzie, ogólnie rzecz biorąc, badanie klimatu Marsa: analiza tamtejszej atmosfery, zwłaszcza jej niskich warstw, oraz samej powierzchni planety.

O tym, jak ważny i ciekawy jest to problem, świadczą zdjęcia Marsa wykonane przez Teleskop Kosmiczny Hubble'a od 9 do 11 lipca 1997 roku, w czasie, gdy na powierzchni Czerwonej Planety wylądowała sonda Pathfinder.  Widać na nich szybko zmieniające się zjawisko blisko północnej czapy polarnej, które prawdopodobnie jest obrazem wielkiej burzy pyłowej na powierzchni Marsa. Wydarzyła się ona dość daleko od miejsca lądowania Pathfindera i nie zaszkodziła sondzie, jednak podobne burze są na Marsie zjawiskiem typowym i często spotykanym.

 

Rys1: Gwałtowna burza pyłowa w pobliżu północnego bieguna Marsa, sfotografowana przez Teleskop Kosmiczny Hubble'a w dniach 9-11 lipca 1997 roku. Zielonym krzyżykiem zaznaczono miejsce lądowania sondy Pathfinder

 Opiszemy teraz program badawczy sondy Surveyor'98, która właśnie dolatuje do Marsa. Za kilka dni zostanie włączony silnik, którego zadaniem będzie wyhamowanie sondy na tyle, żeby mogła ona wejść na zamkniętą orbitę wokół Marsa. Następnie rozpocznie się ważny etap ukołowiania orbity okołomarsjańskiej. Pierwotna orbita sondy będzie bowiem silnie wydłużoną elipsą, o perycentrum odległym od powierzchni Marsa zaledwie o 250-300 km i apocentrum w odległości aż kilkudziesięciu tys. km.

Jednym ze sposobów ukołowienia orbity sondy mogłoby być wielokrotne użycie hamującego ciągu silników. Do tego celu konieczny byłby jednak spory zapas paliwa, a jego wyniesienie w przestrzeń kosmiczną znacznie podniosłoby koszty całej misji. Z tego względu orbita Surveyora zostanie ukołowiona w inny, bardziej ,,ekonomiczny'' sposób, przy pomocy hamowania aerodynamicznego.

Perycentrum orbity zostanie najpierw obniżone do wysokości 110-120 km nad powierzchnią Marsa, a więc znajdzie się już w górnych warstwach atmosfery. Opór atmosfery spowoduje nieznaczne zmniejszenie prędkości sondy w perycentrum. Skutek tego manewru będzie taki, że apocentrum orbity obniży się o kilka do kilkunastu kilometrów. Wielokrotne ,,zaczepianie'' sondy o górne warstwy atmosfery doprowadzi w końcu do tego, że jej orbita z wydłużonej elipsy stanie się niemal kołowa. Proces ten wymaga wielu obiegów sondy wokół Marsa i może zająć nawet kilka miesięcy.

Surveyor'98 jest trzecią misją kosmiczną w ogóle, a drugą w dziejach badania Marsa, w której wykorzystano taką technikę ukołowiania orbity. Poprzednio podobny manewr wykonała sonda Mars Global Surveyor, która krąży wokół Marsa już od kilku miesięcy. Zadaniem tej sondy jest robienie dokładnych zdjęć marsjańskiej powierzchni.

Proces ukoławiania orbity Global Surveyora przebiegał nie bez kłopotów. Początkowa wysokość, na której sonda hamowała w atmosferze, około 110 km, okazała się zbyt mała. Silny opór atmosfery na tej wysokości mógł wygiąć jeden z paneli baterii słonecznych, który w wyniku usterki nie został należycie unieruchomiony. W trosce o bezpieczeństwo sondy trzeba było podnieść perycentrum orbity do wysokości około 125 km nad powierzchnią Marsa i na tej wysokości kontynuować aerodynamiczne hamowanie. Proces ukoławiania orbity znacznie się z tego powodu wydłużył, trwał ponad rok.

W przypadku misji Mars Global Surveyor istotne było, aby sonda poruszała się synchronicznie z ruchem Słońca na niebie Marsa. Dzięki temu wszystkie zdjęcia ukazują powierzchnię planety oświetloną pod jednakowym kątem, co ma ujednolicić mapę Marsa przygotowywaną w oparciu o zdjęcia z tej sondy .

 

Rys2: Powierzchnię Marsa pokrywają liczne kratery pochodzenia meteorytowego i wulkanicznego. Jednym z utworów wulkanicznych jest krater Olympic Mons (na większym zdjęciu), którego podstawa ma średnicę około 550 km, a brzeg wznosi się na wysokość ponad 25 km - jest to najwyższa znana góra w Układzie Słonecznym. Dużo od niego mniejsza Patera Apollinaris, o wysokości niecałe 5 km, jest jednym ze starszych utworów na powierzchni Marsa. Przypuszczamy, że powstała około 3 mld lat temu. Precyzyjne zdjęcia obu kraterów zostały wykonane przez sondę Mars Global Surveyor 

 

 Powróćmy teraz do misji Mars Surveyor'98. Jej drugim elementem, obok badania klimatu Marsa z orbity, będzie lądowanie próbnika na powierzchni planety. Próbnik ma wykonać szczegółowe badania zjawisk klimatycznych, a także pomóc w rozstrzygnięciu problemu istnienia wody na Marsie. Jest to obecnie jedno z najbardziej dyskutowanych zagadnień naukowych związanych z Marsem. Wyniki misji Pathfinder sprzed swóch lat potwierdziły przypuszczenia, że na Czerwonej Planecie była kiedyś woda. Chyba najbardziej znaczącym naukowym wynikiem tej krótkiej misji było odkrycie, że w miejscu lądowania sondy przed kilkoma miliardami lat musiała płynąć woda.

Co się z tą wodą stało? Tego do tej pory nikt właściwie nie wie. Jest wiele domysłów i przypuszczeń, ale kwestia wody nadal pozostaje jedną z największych zagadek dotyczących Marsa. Lądownik misji Surveyor'98, który osiądzie na powierzchni 3 grudnia 1999 roku, ma między innymi pomóc w znalezieniu odpowiedzi na to pytanie.

Lądowanie ma przebiegać inaczej niż w przypadku Pathfindera. Nie będzie tym razem poduszek powietrznych, które amortyzowały uderzenie lądownika o powierzchnię. Próbnik będzie lądował na spadochronach, podobnie jak wiele lat temu sondy Viking, a w ostatniej fazie jego ruch wyhamują silniki.

Nie mniej ciekawą częścią tego eksperymentu będzie misja o nazwie Deep Space 2, która jest drugim elementem nowego amerykańskiego programu ,,Nowe Tysiąclecie'', polegającego na sprawdzaniu nowych technologii dla przyszłych badań kosmicznych.

Od części lądującej, jeszcze zanim zagłębi się ona w marsjańskiej atmosferze, zostaną odłączone dwie kule o wielkości piłki futbolowej. Z wysokości rzędu 100 km kule spadną na powierzchnię, a od spalenia w atmosferze uchroni je specjalny pancerz. Ocenia się, że prędkość kul przy powierzchni Marsa wyniesie 150-200 m/sek. Uderzenie z tak wielką energią spowoduje rozbicie pancerza, z którego wyłoni się instrumentarium naukowe. Na powierzchni osiądzie niewielki, płaski krążek o średnicy kilkunastu centymetrów, z którego w grunt marsjański wbije się ostry harpun, o rozmiarach zwykłego długopisu.

W zależności od spoistości gruntu, próbnik wniknie od 30 cm do około 2 m pod powierzchnię. Część pozostała na powierzchni zapewni łączność z dwoma sondami krążącymi po orbicie okołomarsjańskiej. Głównym zadaniem próbnika ma być poszukiwanie lodu wodnego wewnątrz gruntu marsjańskiego. Ze względu na niewielkie rozmiary próbnika, nie można stosować bardzo wyrafinowanych metod. Grunt zostanie podgrzany, a jeśli rzeczywiście zawiera on wodę, czujniki będą w stanie zarejestrować uwolnioną parę wodną.

 

Rys3: Powierzchnia Marsa sfotografowana przez Teleskop Kosmiczny Hubble'a 25 lutego 1995 roku. Mars znajdował się wówczas w odległości 103 mln km od Ziemi. Na zdjęciu widać liczne jasne obłoki, zbudowane z kryształków lodu. Rozbudowana pokrywa chmur zaskoczyła badaczy, świadczy ona o tym, że Mars jest zimniejszy i suchszy, niż sądzono. Czapa polarna wokół północnego bieguna to warstwa szronu, złożonego z zestalonego dwutlenku węgla i lodu.

 

 Następną ciekawą misją marsjańską jest trwająca obecnie japońska ekspedycja NOZOMI. Na orbitę w kierunku Marsa sonda NOZOMI weszła w wyniku skomplikowanego manewru dwóch kolejnych zbliżeń do Księżyca i do Ziemi. Dzięki temu uniknięto konieczności użycia dużych ilości paliwa do rozpędzenia sondy. Ostatnie zbliżenie z Ziemią, w wyniku którego sonda została wyrzucona na orbitę w kierunku Marsa, miało miejsce 20 grudnia 1998 roku.

Japońska sonda miała dotrzeć do Marsa w październiku 1999 roku. Okazało się jednak, że manewr rozpędzania w polu grawitacyjnym Ziemi był za mało precyzyjny, aby trafić dokładnie do celu. Dokonano wprawdzie korekty toru, jednak po dotarciu w okolice Marsa sonda miałaby zbyt mało paliwa, aby wyhamować i wejść na wokółmarsjańską orbitę. Na szczęście dokładne obliczenia toru sondy pokazały, że po dwóch następnych obiegach Marsa (i sondy) wokół Słońca, w roku 2003, japoński próbnik zbliży się do Marsa na tyle, że skromny zapas paliwa pozwoli na wprowadzenie go na orbitę okołomarsjańską.

Powiemy teraz o historii bezpośrednich badań Marsa przy użyciu sond kosmicznych. Prawie 40-letnie sondowanie Marsa (pierwsze rakiety próbowano wystrzelić już w 1960 roku) zaowocowało w sumie 32 startami w kierunku Czerwonej Planety. Z tej liczby jedynie 8 misji można uznać za eksperymenty w pełni udane.

Pierwsze próby wysyłania sond w kierunku Marsa przeprowadzono w Związku Radzieckim w październiku 1960 roku, zaledwie 3 lata po uruchomieniu pierwszego sztucznego satelity Ziemi. Próbne starty dwóch rakiet zakończyły się niepowodzeniem, a Rosjanie oficjalnie o tej misji nawet nie informowali.

Rys4: Sonda Mariner 9

 

 Podczas następnego okna startowego, w roku 1962, Rosjanie wystrzelili trzy Sputniki, jak je wówczas nazywano, oznaczone numerami 29, 30 i 31. Jedynie Sputnikowi 30 udało się odstrzelenie z orbity okołoziemskiej sondy w kierunku Marsa. Rosjanie nazwali tę sondę Mars 1. Rzeczywiście, przeleciała ona w odległości kilku tys. km od powierzchni Marsa, jednak już na parę miesięcy przed tym przelotem sonda zamilkła i utracono z nią kontakt.

Dopiero okno startowe w listopadzie 1964 r. przyniosło sukces w badaniach Marsa. Amerykanie wystrzelili wówczas dwie sondy: Mariner 3 i 4 (były to pierwsze amerykańskie sondy planetarne). Ekspedycja Marinera 3 była nieudana, ale Mariner 4 przeleciał w 1965 roku w pobliżu Marsa, w odległości około 10 tys. km od jego powierzchni. Wykonano wtedy 21 zdjęć o rozdzielczości około 3 km, obejmujących niewielkie fragmenty powierzchni planety. Było to w tamtych czasach wielkim osiągnięciem, bowiem najlepsze naziemne teleskopy umożliwiały obserwacje szczegółów powierzchni Marsa z rozdzielczością około 150 km.

Na przełomie lutego i marca 1969 roku Amerykanie wystrzelili sondy Mariner 6 i 7. Rosjanie, wiosną tego samego roku, również wysłali dwie sondy, ale ich misje zakończyły się niepowodzeniem już przy starcie z kosmodromu Bajkonur. Mariner 9 , wystrzelony podczas kolejnego okna startowego w 1971 roku, stał się pierwszym sztucznym satelitą Marsa, wykonał podczas swojej misji wiele wartościowych zdjęć.

 

Rys5: Jedna z sond Viking

 

 Podczas okna startowego w 1975 r. wystrzelono dwie sondy Viking 1 i 2, które w następnym roku bezpiecznie osiadły na powierzchni Marsa. Były to jak dotąd chyba najbardziej udane misje marsjańskie, dostarczyły najbogatszego materiału naukowego. Warto przypomnieć, że oba lądowniki, które na powierzchni Marsa pracowały przez kilka lat, poszukiwały tam śladów życia. Za pomocą tych eksperymentów nie udało się znaleźć jakichkolwiek, choćby najbardziej prymitywnych, form życia.

Od obu Vikingów aż do Pathfindera jest ponad dwudziestoletnia przerwa w badaniach Marsa. W tym czasie podjęto kilka prób osiągnięcia Marsa, ale żadna z nich się nie powiodła. Można tu wymienić międzynarodowe sondy Fobos, wystrzelone w 1988 roku, na których umieszczono m.in. polską aparaturę badawczą. Z niewyjaśnionych przyczyn Amerykanie utracili sondę Mars Observer, wystrzeloną w 1992 r, która zamilkła tuż przed dotarciem do celu.

Podczas okna startowego w 1996 r. wystartował Pathfinder oraz Mars Global Surveyor, który właśnie fotografuje powierzchnię Marsa z orbity. W tym samym roku rozpoczęła się nieudana rosyjska misja Mars 96. Na pokładzie tej sondy wiele państw, wśród nich także Polska, umieściło swoje instrumenty.

Na zakończenie warto wspomnieć o sondzie Mars Express, przygotowywanej obecnie przez Europejską Agencję Kosmiczną. W programie naukowym tej ekspedycji swój udział mają również polscy naukowcy. Centrum Badań Kosmicznych PAN zostało zaproszone do budowy spektrometru fourierowskiego dla poznania składu chemicznego atmosfery i powierzchni Marsa. Sonda wystartuje w 2003 roku.