مختبر علوم المريخ

تاريخ

في أبريل 2004 دعت وكالة ناسا إلى تقديم مقترحات أجهزة علمية لمسبار فضائي، واختيرت ثمانية مقترحات في 14 ديسمبر من نفس السنة. وبدأ اختبار وتصميم المكونات أيضا في أواخر عام 2004.
وبحلول نوفمبر 2008 كانت المعدات جاهزة، والبرمجيات تحت الاختبار والتجربة. وتجاوزت التكاليف حينها نحو 400 مليون دولار، وفي الشهر التالي، أعلنت وكالة ناسا تأجيل إطلاق مختبر علوم المريخ إلى أواخر عام 2011 بسبب عدم كفاية وقت الاختبار.
وبين 23-29 مارس 2009، اتيح للجمهور فرصة اختيار اسم للروفر من بين تسعة أسماء، من خلال استطلاع للرأي العام على موقع وكالة ناسا، وفي 27 ماي 2009 أعلن عن الاسم الفائز، الذي وقع على كوريوسيتي، (“الفضول” بالعربية) الذي قدمته فتاة في الصف السادس، كلارا ما، من ولاية كانساس.
تم إطلاق المسبار في صاروخ أطلس 5 من قاعدة كيب كانافيرال في 26 نوفمبر 2011.
في يوم 6 أغسطس 2012 على الساعة 05:14:39 بالتوقيت العالمي، نقلت كاميرا مختبر علوم الفضاء صور تؤكد هبوط المسبار كيوريوستي بنجاح على سطح المريخ. وأرسل المسبار أول صورة لظله على أرض المريخ.

الرحلة

استغرقت الرحلة ثمانية أشهر ونصف، قطع المسبار خلالها مسافة 570 مليون كيلومتر.

مكان الهبوط

يهبط المسبار في منخفض مداري عميق يطلق عليه فوهة غيل، وبه جبل يبلغ ارتفاعه خمسة كيلومترات فوق سطح الكوكب.
و صل المسبار إلى المريخ في 06 أغسطس 2012 بعد 9 شهور من بدء البعثة.
وقد اختيرت له فوهة غيل من بين 100 موقع مرشح للهبوط قامت ناسا بدراستها خلال خمس سنوات. ويرجع اختبار هذا الموقع إلى حقيقة أن هذه الفوهة عميقة، ولا بد في كونها تحتوي على تربة رسوبية من مواد مختلفة من التربة من ضمنها الطفلة وكبريتات يمكن أن تكون تكونت تحت تأثير الماء. ويأمل العلماء المختصون
التوصل إلى معارف كثيرة من تلك الطبقات واستنتاج معلومات منها عن الطقس وجو المريخ حاليا أو في الماضي.

نظام الهبوط

يستخدم لهبوط المسبار كوريوسيتي على المريخ نظام دقيق يسمح بالهبوط في المنطقة المرغوبة في حدود 20 كيلومتر. ويحتوي النظام على عدة مراحل تنقسم إلى أربعة:
1. الدخول الموجّه: يكون المسبار خلاها مغطى بغطاء يحميه أثناء الرحلة في الفضاء ومن الجو عند الهبوط. ويتكون من واقي حراري يبلغ قطره 4.5 متر. يعمل هذا الغطاء الواقي على تحمل خفض السرعة في جو المريخ من 6 كيلومترات في الثانية إلى نحو 2 ماخ (نحو 680 متر في الثانية), وهي سرعة تسمح بفتح المظلة التي هي مشابهة لمظلات برنامج أبولو.
2. الهبوط بالمظلة: عندما تنتهي المرحلة الأولى للهبوط تنخفض سرعة الكبسولة إل 2 ماخ وتكون قد أصبحت على ارتفاع 10 كيلومتر من سطح المريخ. عندئذ تنفتح مظلة تتحمل السرعات فوق الصوتية. تتكون المظلة من مساحة قطرها 16 متراً ويمسكها 80 حبلاً طول كل منها 50 متراً. تستطيع المظلة تحمل الهبوط عند سرعات حتى 2.2 ماخ، وتكبح سرعة الهبوط بقوة قدرها 289 كيلو نيوتن في جو المريخ. وتوجد على قاعدة المسبار كاميرا مثبتة تلتقط 5 صور كل ثانية، ودرجة تباين قدرها 1600×1200 بكسل تحت 3.7 كيلومتر خلال فترة تبلغ نحو دقيقتين حتى يلمس المسبار سطح المريخ.
3. الهبوط الآلي: وهو يتبع مرحلة الهبوط بالمظلة على ارتفاع نحو 1.8 كيلومتر، حينئذ تكون سرعة هبوط المسبار قد هدأت إلى 100 متر/ثانية، ليفصل المسبار الغطاء. تتكون آلة الهبوط من منصة مثبتة فوق المسبار وتعمل بثمانية محركات صاروخية تعمل بالهيدرازين لتهدئة السرعة. يبلغ دفع كل محرك نحو 3.1 كيلونيوتن وهي مماثل للمحركات التي استخدمت مع فايكينج. ويبدأ المسبار النزول من منصة الهبوط التي يكون معلقا بها بثلاثة كابلات متينة بواسطة "رافعة سماوية".
4. الرافعة السماوية: تسمح الرافعة السماوية (بالإنجليزية: Sky Crane) بهبوط هادئ للمسبار حيث يكون المسبار معلق بالمنصة ذات المحركات الصاروخية. تتكون الرابطة بين المسبار والمنصة السماوية من 3 كابلات تقوم في نفس الوقت بتوصيل إشارات كهربائية بين المنصة والمسبار أثناء الهبوط. وبعد ملامسة المسبار سطح المريخ يبقى موصولاً بالمنصة نحو ثانيتين حيث يتأكد برنامج إلكتروني من صلابة مكان النزول. عندئذ يُطلق المسبار عدة عبوات انفجارية تعمل على فصل الكابلات الموصلة بالمنصة، وتنطلق "المنصة السماوية" بعيداً عن المسبار وتتحطم على سطح المريخ. ويبدأ المسبار تجواله على سطح المريخ والقيام بمهامه العلمية. وهذه هي المرة الأولى التي تُستَخدم فيها "منصة سماوية" تساعد في عملية هبوط هادئ لمسبار على جرم سماوي.

المركبة الفضائية

وزن المركبة الفضائية عند إطلاقها هو 3893 كلغ، منها 899 كجم للروفر، و2401 للنظام الهبوط، و539 كجم (1190 £) لتزويد مرحلة العبور.

كاميرا ماهلي

الكاميرا ماهلي (بالإنجليزية: MahliCam) هي كاميرا صغيرة جداً مركبة على حامل الأدوات الموجود في طرف دراع الروبوت كوريوزيتي. ستقوم هذه الكاميرا بتحليل التركيبة والبنية المجهرية للصخور، التربة والصقيع الممكن اكتشافه على سطح المريخ بمقياس الميكرومتر (متر على مليون) حتى السنتمتر. ستعطي صورا بألوان الطيف المرئية. رأس الكاميرا مجهز بأربع صمام ثنائي باعث للضوء ذات ضوء أبيض لإضاءة الهدف عندما يسود الظلام على سطح الكوكب الأحمر واثنين صمام ثنائي باعث للضوء دات أشعة فوق البنفسجية لإنتاج فلورية لاكتشاف المعادن الكربونية والمتبخرات.

ماست كاميرا

الكاميرا ماست (بالإنجليزية: MastCam) هي آلة تحملها سارية على المسبار، وهي كاميرا مركبة تحتوي على كاميرتين عاليتي التباين. وستقوم الكاميراتان بتصوير سطح المريخ وتوضيح تضاريسه، بالإضافة إلى قياس الطيف في الجو في نطاق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. كما يمكن للكاميرتين تصوير الفيديو بسرعة 10 صور في الثانية.

كاميرا الكيمياء

تتكون كاميرا الكيمياء وتُسمَّى "ChemCam" من جهاز ليزر قوي وجهاز تحليل الطيف وكاميرا خاصة. في إمكان مجموعة الأجهزة هذا التعرف على تربة المريخ وما عليه من زلك وأحجار حتى مسافة 7 أمتار بدقة وتحليلها.
يصوب الليزر على نقطة ويركز لتحليل مادة الحجر عن طريق تسخينها بشدة. بذلك تتبخر الطبقة العليا من الحجر وتحلل الفازات الصادرة عن طريق تحليل طيفها في نظاق الضوء المرئي. بذلك تعرف مكونات التربة والأحجار.

مقياس الأحوال الجوية على المريخ

يقوم نظام قياس الأحوال الجوية على المريخ بجميع القياسات في هذا الخصوص. فهو يقوم بقياس سرعة الرياح اتجاهها وقياس الأشعة فوق البنفسجية ودرجة حرارة السطح، والضغط، ونسبة الرطوبة في جو المريخ. وتوجد جميع المجسات ماعدا جهاز قياس الأشعة فوق البنفسجية على سارية المسبار، أما الأجهزة الإلكترونية فتوجد في صندوق في وسط المسبار. يزن مقياس الأحوال الجوية نحو 1.3 كيلوجرام وقد أعدته إسبانيا للمشروع.

الكيمياء واكتشاف المعادن

يحتوي جهاز "CheMin-Instrument" على مطياف آخر يعمل على تحليل العينات المجمعة من التربة. ويتم ذلك بمساعدة مصدر أشعة سينية، يقوم بإشعاع العينة، ويقوم مجس يعمل بفكرة حيود الأشعة السينية وفلوريتها بالتحليل وتعيين التركيب الكيميائي للتربة، ويأمل العلماء عن طريق تحليل التربة اكتشاف آثار ماء وربما بعض الآثار لمادة حيوية.
يحتوي الجهاز على عجلة مزودة بـ27 بوتقة تُملأ بالعينات، ويمكن لجهاز القياس إدارة العجلة والانتقال من بوتقة إلى أخرى لتحليلها، بالإضافة إلى ذلك توجد 5 بوتقات أخوى تحتوي على مواد مرجعية تستخدم لمعايرة أجهزة القياس. لتحليل العينة تضبط العينة أمام مصدر الأشعة السينية، الذي يركز شعاعاً قطره 50 ميكرومتر على العينة.
وتقاس الأشعة التي مرت خلال العينة بواسطة مجس حساس يقيس الأشعة الفوق بنفسجية. ويقوم بتحليل شدة الأشعة ومعامل انكسارها، ويقوم بتحضير طيفها الذي يعطي معلومات عن التركيب الكيميائي للعينة. يستطيع البالغ 40 × 40 ميكرومتر مربع تحضير 224 صورة في الثانية، وهو يبرد حتى درجة -60 مئوية بغرض الحصول على حساسية عالية. وتستغرق عملية قياس كاملة عدة ساعات للحصول على نتائج جيدة دقيقة.

جهاز تحليل العينات (SAM)

جهاز تحليل العينات (بالإنجليزية: SAM) هو أثقل جهاز على المسبار كوريوزيتي وأشدها دقة. يبلغ وزنه 38 كيلوغرام ويشكل نصف وزن جميع الأجهزة العلمية على المسبار. وعن طريق ثلاثة أنظمة من المجسات يمكن التعرف على إذا ما كانت هناك على المريخ ظروف مناسبة للحياة في الماضي أو في الوقت الحاضر. وهو يستطيع تحليل المركبات العضوية والعناصر الخفيفة وتعيين نسب النظائر في جو المريخ. قام مركز جودارد للطيران الفضائي بإعداد الجهاز، الذي يستطيع العمل بقدرة 240 وات.
يستطيع جهاز "SAM" تحليل عينات من التربة وعينات من جو المريخ.
ويستخدم نظم ذراع لجمع العينات من التربة، تحتوي على عدة مناخل، ويضع حصيلة المناخل في 74 علبة خاصة لحويها. وإذا كانت ثمة حاجة للتخلص من بعض المواد الطيارة يتم ذلك عن طريق التسخين في فرنين معدَّين لهذا الغرض، ويمكن لكل فرن منهما العمل بقدرة 40 وات وإنتاج حرارة حتى نحو 1,100 درجة مئوية. كما يمكن أن يقوما بحرق موادٍّ عضوية. والغاز الناتج من تلك العملية أو الآتي من عينة من الجو يدخل مرحلة فصل كيميائي
„(Chemical Separation and Processing Laboratory“ (CSPL).
وبعد تحضير العينات يوجه الغاز إلى ثلاثة أجهزة: يستخدم مطياف الغازات لفحص المواد العضوية، الذي توجد عليه عدة غرف، كل منها مخصص للتعرف على مجموعة معينة من الغازات، وبذلك يمكن تعيين الغازات بدقة. ثم يستخدم مطيافاً يعمل بالليزر (بالإنجليزية: Tunable Laser Spectrometer)، وكذلك مطيافاً للكتلة يقوم بفصل الغازات وتعيين كتلة الجزيئات.
في إمكان الأجهزة التعرف على العناصر والمركبات ابتداءً من الكتلة الذرية 2 إلى 535. أما لقياس مركّبات كالماء والميثان وثاني أكسيد الكربون فيستخدم لذلك مطيافاً ليزرياً يتمتع بحساسية عالية لتلك المواد، كما يستطيع تعيين نسب النظائر في كل منها.

مستكشف النترونات (DAN)

مستكشف النترونات (DAN) (بالإنجليزية: Dynamic of Albedo Neutrons) هو جهاز مستكشف إيجابي وسلبي للنوترونات حيث سيقوم بقياس نسبة الهيدروجين الموجود في الطبقة السطحية لسطح المريخ (على الأقل 1 متر من العمق) على طول المسار الذي ستسلكه العربة أثناء تنقلها على السطح. هذه المعطيات ستمكن من استنتاج نسبة تواجد الماء على شكله الطبيعي أو في المعادن الرطبة. تمت هندسته هذا الجهاز من طرف معهد أبحاث الفضاء التابع لأكاديمية العلوم الروسية

جهاز (REMS)

جهاز (REMS) (بالإنجليزية: Rover Environmental Monitoring Station) هو عبارة عن محطة رصد جوي ستقوم بقياس الضغط الجوي، نسبة الرطوبة، الأشعة الفوق البنفسجية، سرعة الرياح ودرجة حرارة السطح والهواء. المجسات تم تثبيتها في عدة أماكن: مجموعتين من أجهزة القياس مُتبثة على سارية الكاميرا (Remote Sensing Mast RSM) على علو 1.5 متر من السطح، المجموعتين لهن اتجاهين مختلفين بينهما زاوية 120 درجة للحصول على حساب دقيق لاتجاه وسرعة الرياح المحلية. ستة (6) من صمام ثنائي باعث للضوء توجد في أعلى المركبة لحساب نسبة لأشعة الفوق البنفسجية على جميع أطوال الموجات. وأخيرا الجزء الرئيسي من جهاز (REMS) يوجد في وسط جسم المركبة ويتواصل مع الخارج بواسطة قناة تمكنه من حساب قيمة الضغط الجوي.

جهاز (REMS) تمت هندسته من طرف المركز الأستروبيولوجي الإسباني

عداد الأشعة (RAD)

أعد عداد الأشعة بغرض قياس الأشعة الكونية على سطح المريخ. ويمكن قياس الأشعة في نطاق واسع منها وبدقة كبيرة، بحيث يمكن تعيين الجرعة الإشعاعية لإنسان على سطح المريخ، استعداداً لإرسال بعثات زواد فضاء إلى الكوكب مستقبلاً. كما تلعب تلك القياسات دوراً هاماً للتعرف على إمكانية الحياة على المريخ، ويمكن عن طريق قياس شلالات الجسيمات الكونية على المريخ التعرف على تكوين غلافه الجويّ.
قام معهد سوث وست للبحوث بالولايات المتحدة بالاشتراك مع المركز الألماني للطيران الجوي والفضائي ب جامعة كيل بألمانيا بألمانيا بتجهيز العداد.

مصور الهبوط على المريخ

مصور الهبوط هو كاميرا شديدة البيان تبدأ عملها خلال المرحلة الأخيرة للهبوط، ابتداءً من ارتفاع 4 كيلومترات، وتصور منطقة الهبوط، فيمكن بذلك اختيار منطقة الهبوط ومعرفة المناطق المجاورة بدقة. هذا المصور مثبت في مقدمة غطاء المسبار إلى اليسار، وهو بذلك موجَّه للتصوير إلى الأسفل، ويمتلك مجس الصورة من نوع "باير" من 1600 × 1200 بكسل
ويمكنه التعرف على سطح المريخ بدقة 2,500 سنتيمتر إلى 0.33 سنتيمتر بحسب الارتفاع. وهو مُعدٌّ لتسجيل 5 صور في كل ثانية. يزن المصور 0.66 كيلوغرام ويحتاج طاقة كهربية بقدرة 10 وات.
ونظراً لعدم إمكانية إرسال نتائحه في الحال إلى الأرض بسبب ضيق عرض محزم إشارات الاتصال، فقد أنشئت عليه ذاكرة لتخزين البيانات بحجم 8 جيجابايت، يمكنها تخزين 4000 صورة.

طابق الرحلة

طابق الرحلة هو عبارة عن بنية أسطوانية من الألومنيوم دات قطر من 4 أمتار وارتفاع أقل، تزن 539 كيلوغرام، تغطي (مثل القبعة) باقي المركبة وتحمل من الجهة المقابلة لها المحول الذي يُثبت ويحمي المركبة وقاذفها. مهمة طابق الرحلة هي ضمان عبور المركبة الفضائية من المدار الأرضي إلى مدار المريخ في حالة جيدة غير مصابة بالشواهب. يـُتَخلى عن الطابق الواقي عند الاقتراب من كوكب المريخ عند أنتهاء مهمته وتبدأ عربة الدخول عملية الدخول المداري. تصميم طابق الرحلة لا يختلف عن أسلافه في مركبات مارس باثفايندر وMER. يُنجز، بمساعدة نظام دفعه 5 أو 6 تصحيحات ضرورية للمسار لكي تصل المركبة بالقرب من المريخ إلى المكان والسرعة الدقيقين الذين يمكناها من هبوط دقيق وهادئ.

عربة الدخول

عبور الغلاف الجوي للمريخ في سرعة أولية تصل إلى 6 كم الثانية يؤدي إلى ارتفاع مهم في درجة حرارة الأجزاء الخارجية للمركبة قد تصل إلى 2100 درجة مئوية. لحماية المركبة خلال هذه المرحلة، يتم تغليفها وتغطيتها بعربة الدخول. هذه الأخيرة تتألف من الدرع الأمامي الواقي من الحرارة، مصمم لتحمل درجات الحرارة المرتفعة التي تعيشها المركبة في هذا المرحلة من الرحلة، والدرع الواقي الخلفي، الذي يحتوي على مظلة الهبوط. عربة الدخول هي على شكل مخروطي المجال بزاوية 70 درجة ونصف، هذا الشكل تم أخده من برنامج فايكينغ والذي استعمل في كل المركبات الفضائية اللواتي أرسلتهن وكالة ناسا إلى سطح المريخ في وقت لاحق.

الدرع الواقي الأمامي

الدرع الأمامي الواقي من الحرارة هو هيكل قطره 4.5 متر، وهذا يعني أنه أكبر من درع الكبسولة أبولو (4 متر) وأيضا أكبر من نظيره المستخدم في المركبة MER. هناك علاقة مباشرة بين قطر الدرع، وفعالية الفرملة في الغلاف الجوي والكتلة التي يمكن وضعها على تربة المريخ بهدوء. القطر المختار هو الحد الأقصى المسموح به من قبل خصائص التصميم الهندسي لمنصة الإطلاق.

الدرع الواقي الخلفي

الدرع الواقي الخلفي سيتعامل مع درجات حرارة أقل. هيكله، ذو بنية خلية النحل المصنوع من الألومينيوم سيواجه درجات حرارة شديدة التي تنتج عن المحرك الصاروخي أثناء مرحلة الدخول المداري، وقد صُنع من نفس المواد التي استُعملت في صناعة الدرع الواقي الأمامي للمركبات السابقة. الدرع الواقي الخلفي يحتوي على أربعة فتحات، عبر هذه الفتحات تَنفُث الفوهات الثمانية للمحركات الصاروخية بقوة دفع تصل إلى 308 نيوتن الضرورية للتحكم في زاوية المواجهة وعموما في توجيه المركبة ككل وتصحيح المسار.