Mars: a rejtélyes metán nyomában
Az ExoMars program
Az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA) ExoMars programjának célja a marsi életre utaló jelek keresése. A program két független indítású szondából áll. Az első szonda (Trace Gas Orbiter, TGO) egy orbitert (keringőegységet), valamint egy Schiaparelli elnevezésű, technológiai célú légköri belépő-leszálló-mérő egységet (Entry, Descent and Landing Demonstrator Module, EDM) tartalmaz. Az első szondát orosz Proton hordozórakétával indították 2016. március 14-én. Októberben, három nappal a Mars atmoszférájának elérése előtt (900 000 km távolságban) az EDM egység levált az orbiterről, majd miután belépett a légkörbe, műszaki hiba miatt a felszínbe csapódott.
Az orbiter kezdetben elliptikus pályán keringett a Mars körül, majd 2018-ban, a marsi atmoszféra fékező hatása miatt egy végleges, kb. 400 km-es körpályára állt (2 órás keringési idővel), tudományos kutatási programjának teljesítésére. A felszín állandó megfigyelése érdekében az orbiter elsődlegesen a Mars felszínére merőleges orientációban van, és olyan tengely körül forog, hogy a napelemtáblák a Nap irányába állnak, míg a hőleadó radiátorok soha sem kerülnek napfénybe.
A jelenlegi tervek szerint 2022-ben indul az ExoMars program második szondája, mely egy hatkerekű mozgó laboratóriumot is szállít. Ez a 310 kg-os marsjáró 2 méter mélyből vesz majd mintákat, az élet nyomait kutatva.
A TGO műszerei
A TGO szondát az ESA tagországai és Oroszország fejlesztették, az indítást és a hordozórakétát az Orosz Űrügynökség (Roszkozmosz) biztosította. A tudományos célok megvalósítására négy műszeregyüttes van az űrszondán. Fő feladatuk a légkörben csak nyomokban előforduló gázok eloszlásának feltérképezése, forrásaik és elnyelőik azonosítása, a gázeloszlás helytől függő és időbeli (évszakos) változásainak megfigyelése. A műszerek feltérképezik a deutérium/hidrogén arányt is. Mérik a légkör más paramétereit is: a hőmérsékletet, az aeroszolok, a vízgőz és az ózon mennyiségét. Feltérképezik a felszínt, hogy azonosítani tudják a gázok forrásául szolgáló területeket. A műszerek:
- A NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) műszerblokk három spektrométert (két infravörös és egy ultraibolya) tartalmaz a légköri komponensek nagy érzékenységű azonosításához, beleértve a metánt és más összetevőket.
- Az ACS (Atmospheric Chemistry Suite) három infravörös egységet tartalmaz. A marsi légkör kémiai összetételét és szerkezetét vizsgálja. Az ACS kiegészíti a NOMAD méréseit, kiterjeszti őket az infravörös hullámhossztartományban, és a Napról is készít képeket.
- A CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) nagy felbontású (5 méter/pixel), színes és sztereokamera, amely egyetlen optikai csatornával hozza létre a sztereoképeket. A CaSSIS biztosítja a NOMAD és az ACS által észlelt gázok forrásainak meghatározását.
- A FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) egy neutronérzékelő detektor, amely a felszíni és felszín alatti hidrogén eloszlását méri egyméteres mélységig. A neutrondetektor mérései alapján 2019-ben elkészült a Marson található víz (jég) előfordulásának részletes térképe. A kozmikus sugárzásból származó neutronok a talaj felső rétegében vízbe vagy vízjégbe ütközve (hidrogénatomok) lelassulnak, egy részüket befogják a felszíni anyagok, egy részük viszont kilép a világűrbe. A visszavert neutronok sebessége a jelen lévő víz (hidrogén) mennyiségével arányosan változik, így sebességükből következtetni lehet a kölcsönhatásba lépett jég mennyiségére.
Színes és sztereokamera – magyar közreműködéssel
A NASA visszalépése miatt csupán 28 hónap maradt a CaSSIS fejlesztésére (a másik három műszer esetében erre 38 hónap állt rendelkezésre). A CaSSIS áramköri és mechanikai részeit a Berni Egyetem bolygókutató csoportjának (Planetary Imaging Group) kutatói fejlesztették. Az CaSSIS fedélzeti szoftverrendszerét a magyar SGF Kft. szoftverfejlesztői készítették. Erre is igen rövid idő jutott, mert csak 2014 decemberében döntöttek arról, hogy svájci szoftverfejlesztők helyett az SGF Kft.-t bízzák meg a feladattal, amelynek így csak 10 hónapja maradt a munka elvégzésére.
A CaSSIS az orbiter Mars felé néző oldalán helyezkedik el. Vezérlőrendszere kompenzálja az orbiter oldalirányú elfordulását, de a nominális sztereoképek készítése idején a szonda oldalirányú elfordulása leáll, a sztereoképpárok maximális pontossága céljából. A CaSSIS forgatómechanizmusa képes a teljes optikai rendszert 180°-kal elforgatni, miközben tartószerkezete mozdulatlan marad. A CaSSIS forgatómechanizmusa teszi lehetővé, hogy egyetlen teleszkóppal és érzékelőegységgel sztereoképeket készítsen. A sztereoképpárokból először a szonda nyomvonalában 10°-kal előre fordulva fényképez, majd 180°-ot elfordulva, 10°-kal hátrafelé nézve készíti a második képsorozatot.
A vezérlőrendszer elektronikája egy kétmagos, viszonylag szerény számítóteljesítményű LEON3 processzorra épült. A szerény számítóteljesítmény komoly kihívást jelent a számításigényesebb műveleteknél (például képtömörítés). A nem felejtő és újraírható két darab 2 MB-os MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory) memóriamodulban van a rendszerindító és két példányban a működtető szoftver, valamint a működés fontos paraméterei. Egy további 256 MB-os SDRAM memóriamodul használható a működtető szoftver futtatásához és az ideiglenes adatok tárolásához. A forgási és képalkotó folyamatok szigorú időzítési követelményei igénylik a valós idejű operációs rendszer (Real Time Operating System, RTOS) használatát. Számos fordító- és operációs rendszer áll rendelkezésre a LEON processzorok számára. Jelen esetben az RTEMS-et (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems) választották ki. Ez egy skálázható, többfeladatos valós idejű operációs rendszer, amely lehetőséget ad a fejlesztőknek a fejlesztést gyorsító szolgáltatásainak használatára. A szoftverfrissítés lehetőségét a duplázott MRAM memóriamodulok támogatják. Az MRAM0 a repülés során csak olvasható memória, amely tartalmazza a működtető szoftver első verzióját, és egyik fontos funkciója, hogy a felküldött új változatot az MRAM1-be tudja írni. Földi parancsok segítségével lehet kiválasztani, hogy bekapcsoláskor vagy újraindításkor melyik szoftver változat induljon el.
Szalai Sándor
Földi szegmens a terepen – magyar műszerfejlesztés az ExoMars 2022 rover támogatására
Az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA) ExoMars 2022 rovere (EXM, Rosalind Franklin) fog első alkalommal 2 méter mélységig lefúrni a Marson. A példa nélküli műveletnek minél több elemét szükséges még a Földön tesztelni, mivel a kivitelezés módja nemcsak a fúrás sikerességét, hanem a megfigyelések eredményességét, értelmezését is befolyásolja.
A bolygókutató űrszondák leszállóegységeinek helyszíni munkájánál a részben automatizált működés, a sok mozgó alkatrész és a szélsőséges környezeti viszonyok együttesen sokoldalú földi előkészítést igényelnek. A bonyolult mintavételt biztosító fúrásnak nemcsak a kivitelezése nehéz, de finomhangolni is kell a rendszert, hogy a megfelelő eredmény eléréséhez minden egység optimálisan működjön együtt. Az EXM a fúrás közben egy MaMISS nevű infravörös spektrométerrel a furatlyuk falát is megvizsgálja, majd a kiemelt mintákat különböző minilaboratóriumokban elemzik.
A földi tesztek célja, hogy kiderüljön, miként lehet a fúrást optimálisan végrehajtani (sebességét szabályozni, a kiemelt mintát kiválasztani, a célkőzetet kijelölni). A földi tesztekben magyar kutatók is részt vettek: az ESA támogatásával, a Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (CSFK) vezetésével egy furatlyukfal-térképező rendszert fejlesztettek ki a rover fúróegységéhez. A Borehole-Wall Imager (BHWI) elnevezésű műszer autóval és repülőgéppel is szállítható, egyetlen ember által felállítható és üzemeltethető mobil eszköz: egy laptop segítségével vezérelt félautomata képrögzítő, amely a 2,5 és 5 cm közötti átmérőjű furatlyukak falát tudja megörökíteni 0,1 mm-es felbontással 2 méteres mélységig. A fejlesztés keretében kialakított elektronika többféle üzemmódban mozgatja a kamerát, és a beállított paraméterek alapján szkenneli a furatlyukat – mindeközben az operátor folyamatosan követheti a munkát. Néhány egyszerű automatikus képfeldolgozási műveletet is végez a szoftver, végül egy hengerpalást-mozaikot állít össze.
A rover tesztelésekor kifúrt lyukak falának megörökítése révén pontosabban megérthető az a környezet, ahonnan a kiemelt minta származik. A terepi tesztelések eredményei korrelálhatóak a MaMISS detektor infravörös méréseivel, és segítenek az értelmezésükben. Ez utóbbi főleg olyan esetekben nehéz, amikor maguk a fúrás által létrehozott „képződmények” hamisíthatják meg az adatokat. Az esettanulmányok alapján sikerült elkülöníteni a fúrás módszerével és a célkőzet eredeti jellemzőivel kapcsolatos megfigyeléseket. Többek között a falat beborító finom por, az elvonszolódott képlékeny ásványok és kihullott falszegmensek hatása is azonosítható volt – ami optikai mérések nélkül nem vagy csak bizonytalanabbul történhetett volna.
A furatlyukfal-szkennert közel három tucat földi helyszínen próbálták ki, ezek közül 13 esetben zajlott teljes teszt, amikor a rover tervezett működésének megfelelően a legtöbb művelet megtörtént. A hazai vulkanikus és üledékes helyszíneken, valamint az Atacama-sivatagban zajlott tesztek után 2018-ban az ESA ExoFIT programja keretében a spanyolországi Tabernas-sivatagban a rover egyik terepi tesztpéldányával együtt zajlott a furatlyukak vizsgálata. Az eredmények alapján fontos a MaMISS detektor méréseinek korai értelmezése és a kiemelt fúrómag jellemzőihez való kapcsolása. A földi tesztek eredményei alapján jelentősen javítja a kiemelt minta értelmezését, ha az egyik beépített minilabor (MicrOmega detektor) részletes elemzéseinek célpontjait a furatlyukfal képei alapján jelölik ki.
A fejlesztést és a kutatómunkát a COOP_NN_116927, az EXODRILTECH, valamint a GINOP-2.3.2-15-2016-00003 projektek támogatták. A munkában a CSFK, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME), a Magyar Bányászati és Földtani Szolgálat (MBFSZ), valamint a Digitál Fotó Labor Kft. vett részt, Gróf Gyula, Gyenis Ákos, Gyenis Tamás, Kapui Zsuzsanna, Kovács Bálint, Maros Gyula, Pál Bernadett, Skultéti Ágnes és Tiegelmann Péter közreműködésével.
Kereszturi Ákos
