Mars Science Laboratory

Mars Science Laboratory (MSL) (suom. ”Marsin tiedelaboratorio”) on NASAn Jet Propulsion Laboratoryn suunnittelema ja rakentama miehittämätön Mars-luotain, jossa on mukana suurikokoinen ajokki, Mars-mönkijä Curiosity. Laukaisu tapahtui 26. marraskuuta 2011 Atlas V -kantoraketilla Cape Canaveral Air Force Stationista Floridasta. Curiosity laskeutui Marsiin 6. elokuuta 2012 kello 8.32 Suomen aikaa.

Historia

Curiosity on vastaavanlainen mutta suurempi ja monimutkaisempi kulkija kuin NASAn aiemmat 2000-luvun Mars-mönkijät, Mars Exploration Rover (MER) ohjelman mönkijät Spirit ja Opportunity. Opportunity on edelleen toiminnassa, Spirit vaikeni 2010. Ensimmäinen onnistunut Mars-mönkijä oli Yhdysvaltain itsenäisyyspäivänä 4. heinäkuuta 1997 NASAn Mars Pathfinder -luotaimen mukana Marsiin laskeutunut Sojourner. Sojourner painoi vain 10,6 kg. Curiosity on siis neljäs yhdysvaltalainen Mars-mönkijä. Muilla valtioilla ei ole Marsissa mönkijöitä. Kaikista Mars-mönkijöistä on vastannut Jet Propulsion Laboratory. Mönkijöitä etäohjataan Maasta käsin. 
Ydinkäyttöisen Curiosityn kokonaispaino on yli viisinkertainen ja tieteellisten mittalaitteiden paino yli kymmenkertainen verrattuna Spirit- ja Opportunity-kulkijoihin. Curiosityn massa on 900 kg ja pituus 3 metriä. Koko MSL-hankkeen kustannukset ovat noin 2,5 miljardia dollaria. MSL:n laukaisu siirtyi vuodelta 2009 marraskuulle 2011. Kunnianhimoisen projektin toteuttamisongelmat ja kustannusylitykset olivat yksi syy laukaisun viivästykseen.  Vuonna 2011 oli uhkana, että laukaisu olisi siirtynyt vuoteen 2013, mikä olisi voinut merkitä 500 miljoonan dollarin lisäkustannuksia. 
Marraskuussa 2008 NASA järjesti yhdysvaltalaisille koululaisille kilpailun kulkijan uudesta nimestä. 27. toukokuuta 2009 julkaistiin voittanut nimiehdotus,  Curiosity ('uteliaisuus'), jonka oli lähettänyt kuudesluokkalainen koululainen Clara Ma.

Tehtävä

Lentomatka Marsiin kesti noin kahdeksan kuukautta. Avaruusluotaimen laukaisussa rakettina käytettiin raskasta yhdysvaltalaista Atlas V -kantorakettia. 
Kulkijan on suunniteltu toimivan vähintään yhden Marsin vuoden ajan (686 Maan vuorokautta). Kulkijan tehtäviin kuuluu elämän merkkien ja elämän mahdollisuuksien etsiminen Marsissa. Tähän sisältyy mm. hiilen ja veden etsintä. Curiosityn kivi- ja maaperänäytteitä jopa 7 metrin päästä kulkijasta höyrystävä laser on yksi kymmenestä elämän löytymisen etsintään käytetystä laitteesta. Laser on osa Curiosityn ChemCam-mittalaitteiston Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) -järjestelmää. Curiosity käytti ensimmäisen kerran laseria 19. elokuuta 2012 Marsissa ampumalla nyrkin kokoiseen kiveen laserpulsseja. Curiosityn teleskoopin avulla ChemCan analysoi syntyneen höyrystyneen plasman spektriä.
Koko avaruusaluksen (MSL) massa laukaisussa oli 3 893 kg. Tähän sisältyy 899 kg painava Curiosity-kulkija, 2 401 kg painava lähestymisjärjestelmä ja laskeutumisjärjestelmä (suojakuori ja laskeutumisosa sekä 390 kg laskeutumisen jarrurakettien käyttämää rakettipolttoainetta) sekä 539 kg:n polttoaineella varustettu Marsin kiertoradalle kuljettava luotainosa (voimalähde, tietoliikenne, työntövoima matkalla Marsiin). Curiosityn massasta 80 kg on mittalaitteita, Mars Exploration Rovereissa oli vain 6,8 kg mittalaitteita.

Mars-kulkija eli Curiosity

Curiosityn suurin nopeus on 2,5 senttimetriä sekunnissa (90 metriä tunnissa) ja arvioitu keskinopeus on 30 metriä tunnissa. Curiosity pystyy ylittämään 75 cm korkeita esteitä. Sen odotetaan kulkevan vähintään 19 kilometrin matkan yhden Marsin vuoden aikana.
Curiosityn voimanlähteenä on Boeingin valmistama radioisotooppinen termosähkögeneraattori (RTG), sen uusinta sukupolvea edustava Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG). RTG-generaattoreita käytettiin menestyksekkäästi Marsissa jo vuonna 1976 Viking 1 ja Viking 2 Mars-laskeutujien lennoilla. Curiosityn MMRTG-generaattorin polttoaineena on 4,8 kg plutonium-238:n dioksidiyhdistettä (plutoniumdioksidia), mikä tuottaa 120 watin sähkötehon.
Curiosityssa on kaksi identtistä  "Rover Compute Element" (RCE) tietokonetta joista toinen toimii varalaitteena. Kummankin tietokoneen muisteina toimii säteilysuojattu 256 kt EEPROM, 256 mt DRAM ja 2 Gt flash-muisti. Suorittimena on Spiritissä ja Opportunityssa käytetyn  RAD6000:n seuraaja RAD750. Sen suoritusnopeus on 400 MIPS, RAD6000:ssa 35 MIPS
Tietoliikenneyhteyksiin Curiosity käyttää X-aaltoalueen radiolähetintä, jolla saadaan yhteys Maahan. Signaalilta kestää keskimäärin 14 minuuttia 6 sekuntia tavoittaa Maa. Pääasiassa Curiosity käyttää kuitenkin tiedonsiirtoon UHF-alueen Electra-Lite ohjelmistopohjaista radiolähetintä millä Curiosity keskustelee Marsia kiertävien satelliittien (NASAn Mars Reconnaissance Orbiter ja Mars Odyssey) kanssa. Curiosityn ja satelliittien välinen tiedonsiirtonopeus on vastaavasti 2 Mbit/s ja 256 kbit/s. Kukin satelliitti pystyy olemaan yhteydessä Curiosityn kanssa vain noin 8 minuuttia vuorokaudessa. Marsin kiertoradalla on myös Curiosityn laskeutumista tarkkaillut Euroopan avaruusjärjestön Mars Express. Satelliitit lähettävät tiedot edelleen Maahan sillä niissä on Curiositya suurempi lähetysantenni ja enemmän lähetystehoa.
Ilmatieteen laitos kehitti kulkijaan paine- ja kosteusmittausinstrumentit (REMS-P ja REMS-H), joilla tutkitaan Marsin kaasukehän olosuhteita. Curiosity laskeutui Marsin Gale-kraatteriin 6. elokuuta 2012. Ilmatieteen laitos osallistuu tutkimusohjelmaan. Marsin kaasukehän tutkimuksia voidaan hyödyntää myös Maan sään ja ilmaston analysoimisessa.
Curiosity-kulkija oli tarkoitus varustaa myös Avatar-elokuvan ohjaajan James Cameronin 3D-kameralla, mutta testaukseen ei riittänyt aikaa ja suunnitelmasta luovuttiin.
Curiosityn ensimmäiset kuvat oli otettu mönkijän ohjaamisessa käytettävillä ajoesteitä havaitsevilla matalaresoluutioisilla (2 megapikseliä) Hazcam-kameroilla. Curiosityn nostettavassa sensorimastossa on parempiresoluutioisia HD-tason kameroita (Mastcamera).

Laskeutuminen

Curiosityn laskeutuminen oli hyvin monimutkainen operaatio, eikä senkaltaista oltu aikaisemmin yritetty toteuttaa. Jokaisessa laskeutumisen vaiheessa Curiosityn laskeutumisnopeutta vähennettiin. Kulkijan suuren massan vuoksi joidenkin aikaisempien luotainten (Mars Pathfinder, Mars Exploration Rover) käyttämiä laskeutumista pehmentäviä kaasutyynyjä ei voitu enää käyttää. Marsin kaasukehä ei ole myöskään riittävän tiheä, jotta voitaisiin käyttää pelkkää ilmajarrutusta ja laskuvarjoa laskeuduttaessa. MSL käytti uutta suureen laskeutumistarkkuuteen pystyvää EDL-laskeutumisjärjestelmää (kiertoradalle asettuminen, laskeutuminen ja maahantulo), jonka avulla Curiosity voitiin laskea 20 × 7 km:n alueelle, toisin kuin 150 × 20 km laskeutumistarkkuutta käyttänyt Mars Exploration Roverin laskeutumisjärjestelmä. Laskeutumisoperaatio kesti seitsemän minuuttia. Seuraavassa yksinkertaistettu kuvaus laskeutumisesta, joka koostui neljästä peräkkäisestä vaiheesta.

Ohjattu kaasukehään saapuminen

10 minuuttia ennen Marsin kaasukehään saapumista MSL:n kiertoradalle tuonut avaruusaluksen osa, joka huolehti Mars-lennon tietoliikenneyhteyksistä, virransyötöstä ja työntövoimasta, irtautui muusta aluksesta (engl. Cruise Stage Separation) ja tuhoutui myöhemmin Marsin kaasukehässä. Lennolla Curiositya avaruudessa ja kaasukehään laskeuduttaessa suojaavan suojakuoren (aeroshell) rakettimoottorit (ohjausmoottorit) käynnistyivät minuutin päästä, pysäyttivät aluksen pyörimisliikkeen ja käänsivät Marsin kaasukehään saavuttaessa alusta suojaavan suojakuoren alaosan lämpökilven oikeaan asentoon ilmajarrutusta varten. Lämpökilpi on suurin tähän asti avaruudessa käytetty, halkaisijaltaan 4,5 metriä. Siinä käytettiin samaa materiaalia (PICA — Phenolic Impregnated Carbon Ablator), jota käytettiin Stardust-komeettaluotaimen lämpökilvessä. Lämpökilpi vähensi laskeutumisnopeuden kaasukehään tulon 5,8 km/s:stä noin 470 m/s:ään, ja tässä nopeudessa voitiin jo avata laskuvarjo noin 4 minuutin päästä. 75 sekuntia kaasukehään saapumisesta lämpökilpi saavutti suurimman lämpötilansa 2 090 °C, kun kaasukehä muunsi liike-energiaa lämmöksi. Laskeutumistarkkuuteen vaikutti se, että painopisteeltään epäkeskinen suojakuori aiheutti nostetta, joka suuntaa voitiin ohjata suojakuoren ohjausmoottoreilla ja sitten ohjata laskeutumissuuntaa. Painopisteen muutos  saavutettiin volframipainoilla, jotka sysättiin ulos suojakuoresta ennen kaasukehään saapumista.

Laskuvarjon aukeaminen

Noin 10 kilometrin korkeudessa avautui halkaisijaltaan 15-metrinen laskuvarjo ja lämpökilpi irroitettiin noin 5 kilometrin korkeudessa. Videokamera ryhtyi kuvaamaan laskeutumista ja korkeustutka mittaamaan etäisyyttä Marsin kamarasta. Etäisyyden tietäminen oli tärkeää, jotta rajallista polttoainetta käyttävät jarruraketit osattiin käynnistää myöhemmin oikeaan aikaan.

Jarruraketteja käyttävä laskeutuminen

Laskuvarjo ja siinä kiinni oleva Curiosityn suojakuoren yläosa (backshell) irrotettiin noin 1,1 kilometrin korkeudessa Curiositysta ja siihen yhdistetystä laskeutumisosasta. Curiosity oli kiinni 7,6 metrin pituisilla vaijereilla MSL:n laskeutumisosaan (toimii laskeuduttaessa eräänlaisena "avaruusnosturina" (sky crane), jonka nurkissa olevat hydratsiinia käyttävät jarruraketit (8 kpl) käynnistyivät ja hidastivat entisestään laskeutumista. Curiosity siirtyi varastotilasta laskeutumistilaan.

Avaruusnostokurki

Laskeutumisosa laski Curiosityn pehmeästi, pyörät alhaalla, Marsin kamaralle  7,5 metrin korkeudessa ja jäi leijumaan paikalleen. Curiosity-kulkija tutki kahden sekunnin ajan, tunnistavatko sen pyörät olevansa tukevalla Marsin pinnalla ja laukaisi pienet räjähdyspanokset, jotka aktivoivat kaapelileikkurit, ja nämä puolestaan katkaisivat laskeutumisosaan yhdistävät kaapelit (datakaapelit ja tukikaapelit). Laskeutumisosa erkani raketteja käyttäen Curiositysta ja teki pakkolaskun turvallisen matkan päähän (vähintään 150 metriä) Curiositysta.
Avaruusnostokurki-lähestymistavasta oli myös se hyöty, että mikäli Curiosity olisi käyttänyt laskeutumisessaan omaa rakettimoottoria, olisi Curiosity vaatinut korkeat tukijalustat alleen, jotta rakettimoottori olisi ollut laskeuduttaessa riittävällä korkeudella Marsin pinnasta eikä mahdollisesti mittalaitteita vahingoittuvaa pölypilveä olisi laskeuduttaessa muodostunut. Curiosity olisi tällöin vaatinut myös laskeutumisrampin.

Löydöt

Curiosity-mönkijän kauhaan on sattunut tähän mennessä ainakin vaikeasti tulkittavia mineraaleja.