ExoMars

ExoMars on  ESA:n ja Roskosmosin Mars-luotainprojekti, jossa laukaistiin vuonna 2016 kiertorataluotain ja 2022 on tarkoitus laukaista kulkijaluotain Marsiin. Luotaimet laukaistaan kahdella Proton-rakettilaukaisulla. Luotaimilla on tarkoitus etsiä jälkiä elämästä. 

Exomars 2016 eli ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) kiertorataluotain ja kokeellinen Schiaparelli (EDM stationary lander) -laskeutuja laukaistiin onnistuneesti kohti Marsia 14. maaliskuuta 2016. Laskeutuja ja kiertorataluotain irrotettiin suunnitellusti toisistaan 16. päivä lokakuuta 2016 ja ne saapuivat Marsiin 19. päivä. Schiaparellin oli määrä laskeutua Marsiin ja TGO:n asettua kiertoradalle. Schiaparellin signaali katosi laskeutumisen loppuvaiheessa. Sen laskuvarjo ilmeisesti irtosi liian aikaisin ja laskeutuja tuhoutui lopulta törmäyksessä Marsin pintaan. Lennon pääosa eli TGO asettui onnistuneesti aiotulle kiertoradalle ja toimii normaalisti.   

ExoMarsin toinen eli osa kulkijaluotain siirtyi ensin kahdella vuodella aiotusta 2018 vuoteen 2020 ja edelleen vuonna 2020 vuoteen 2022. TGO:ta käytetään muun ohessa määrittämään laskeutumispaikkaa kulkijalle ja sen viestintälinkkinä.  

Kulkijan laskeutuja, osa mittalaitteista ja raketit ovat Venäjältä Roskosmosilta, loput pääosin ESA:lta.

Esihistoria

ESAn hanke 
ExoMars-projekti alkoi vuonna 2002 ESA:n itsenäisenä hankkeena.   

Kesällä 2011 ESA:n osuuden Exomarsista arveltiin olevan 1 miljardia euroa.  Ranska ja Englanti, jotka rahoittavat yhteensä 35% sidostusta 850 miljoonan euron panostuksesta, lausuivat julkisesti kesäkuun lopulla 2011 epäilynsä projektin toteutumisesta.

Alkuperäinen ESA:n suunnitelma
Tammikuussa 2016 alus laukaistaan Floridan Cape Canaveralista kuljettaen Mars-luotaimen ja sen mukana laskeutujan. Mars-ajokki laukaistaan vuonna 2018 toisella raketilla. Missio maksaa ESA:lle noin yhden miljardin euron verran. Ajokki painaa 205 kiloa.

Suomesta ExoMarsiin voisi tulla Marsin kaasukehää mittaavia laitteita. Elokuun alussa 2010 ESA ilmoitti valinneensa ExoMars Trace Gas Orbiter-avaruusalukseen viisi tieteellistä avaruulaitetta, jotka ovat:
Kaasukehäspektrometri "Mars Atmospheric Trace Molecule Occultation Spectrometer (MATMOS)"
High-resolution solar occultation and nadir spectrometer (SOIR/NOMAD)
ExoMars Climate Sounder (EMCS) 
High-resolution Stereo Color Imager (HiSCI)
Mars Atmospheric Global Imaging Experiment (MAGIE). 
Nämä ei kuitenkaan toteutuneet mainitussa muodossa.

Nasa yhteistyövaihe 
ESA joutui ottamaan NASAn partneriksi Exomars-missioonsa projektin kustannusten ja teknisten vaikeuksien kasvaessa 2000-luvulla. Vuodesta 2009 sen kehitystyötä toteutettiin yhteistyössä NASAn kanssa, jolla oli myös omia Mars-ohjelmiensa (esim. MAX-C) kustannus- ja rahoitusongelmia. 2012 yhteistyö Nasan kanssa lakkasi Nasan budjettileikkausten myötä.

Yhteistyöhön Roskosmosin kanssa 
2009 Roskosmos ja ESA solmivat pienimuotoisemman yhteistyösopimuksen ja 2013 laajemman sopimuksen, jossa projektista tuli käytännössä yhteisprojekti.

2015 projektin tilanne on seuraava. 2016 on tarkoitus laukaista kiertorataluotain ja 2018 kulkijaluotain Marsiin. Luotaimet laukaistaan kahdella Proton-rakettilaukaisulla. 2016 on tarkoitus laukaista ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) kiertorataluotain ja  EDM stationary lander (myös 'Schiaparelli') laskeutuja. 2018 on tarkoitus laukaista ExoMars kulkijaluotain. Kulkijan laskeutuja, osa mittalaitteista ja raketit ovat Venäjältä Roskosmosilta, loput pääosin ESA:lta.

Luotain ja laskeutuja kuljetetaan joulukuussa 2015 kokoomispaikaltaan Cannesista Torinon lentoasemalle, josta ne lennätetään Antonov-rahtikoneilla Moskovan kautta Baikonuriin.

2015 kulkijan laskeutumispaikaksi valittiin alustavasti Oxia Planum. Lopullisesti laskeutumispaikka valitaan puoli vuotta ennen laukaisua.

ExoMars 2016 laukaistaan 
ExoMars 2016 laukaistiin onnistuneesti matkaan maaliskuussa 2016.

Exomars-kulkija myöhästyy 
ExoMars 2016:n laukaisun yhteydessä ESAn johtaja Jan Worner arvioi, että ExoMars 2018 saattaa siirtyä vuodelle 2020. Toukokuun alussa 2016 varmistui, että laukaisu myöhästyy vähintään kahdella vuodella vuoteen 2020. Syynä myöhästymiseen ovat ongelmat kulkijan ja sen laskeutumissysteemin yhteensovittamisessa. Maaliskuussa 2020 tiedotettiin laukaisun edelleen viivästyvän loppuvuoteen 2022. Syyksi kerrottiin ongelmat laskuvarjon ja elektroniikan kanssa. Laskuvarjojärjestelmän testaus epäonnistui toukokuussa ja elokuussa 2019. Joitakin elektroniikan osia joudutaan palauttamaan valmistajille.

ExoMars 2016 
Maaliskuussa 2016 Proton M -kantoraketilla laukaistu ensimmäinen osa on noin 3,5 metriä korkea ja massaltaan 4300 kg. Se koottiin Ranskassa, Cannesissa, ThalesAlenia Space -yhtiön tiloissa.  Laukaisu on toistaiseksi massiivisin laukaisu Marsiin.

Ensimmäisen vaiheen kiertorata-osio on TGO eli Trace Gas Orbiter. Kiertorataluotaimen mukana on myös Schiaparelli-laskeutuja.

TGO 

Havaintojen tekemisen lisäksi TGO toimii viestintälinkkinä laskeutujille. TGO on suunniteltu toimimaan mahdollisimman itsenäisesti, joten sen ohjelmiston tekeminen on ollut erityisen haastavaa. 

TGO:n aurinkopaneelien kärkiväli on yli 17 metriä ja lautasantenni 2,2 metriä halkaisijaltaan.

TGO:n suunniteltu toimivan viisi vuotta.

TGO:n havaintovälineet 
TGO:n  mitattavia kaasuja ovat mm. vesihöyry, typpioksidi sekä asetyleeni. Luotaimessa on kameralaitteisto, joka pystyy erottamaan viisi metriä kooltaan olevia yksityiskohtia. Neutroni-ilmaisin voi sondata noin metrin syvyydelle saakka jäätä pinnan alta; noin kymmenen kertaa aiempaa tarkemmin. 

Luotaimen neljä instrumenttia ovat: 
 NOMAD eli Nadir and Occultation for Mars Discovery sisältää kaksi infrapuna- ja yhden ultraviolettialueen spektrometrin. 
 ACS eli Atmospheric Chemistry Suite koostuu sisältää kolme infrapuna-alueen spektrometriä. 

 CaSSIS eli Colour and Stereo Surface Imaging System on korkean resoluution kamera. CaSSISia käytetään antamaan NOMAD ja ACS instrumenttien havainnoille geologinen ja dynaaminen konteksti.

 FREND eli Fine Resolution Epithermal Neutron Detector on neutroni-ilmaisin. Sen toiminta perustuu siihen, että kosminen taustasäteily hajottaa atomeja noin metrin syvyyteen asti Marsperästä ja osa vapautuneista neutroneista karkaa avaruuteen ja intrumentin havaittavaksi. Neutronien nopeusjakaumasta voidaan päätellä vedyn olemassaoloa ja siten myös veden olemassaoloa marsperän pintakerroksessa.

Schiaparelli 

Schiaparellin massa on noin 600 kg ja halkaisija noin kaksi metriä. Laskeutujan tärkein tehtävä on testata laskeutumiseen liittyvää tekniikkaa. Schiaparellissa itsessään on ainoastaan akut sähkönlähteenä, joten se toimii itsenäisesti vain korkeintaan muutaman päivän. Lennon aikana Schiaparelli viestii Maahan TGO:n kautta. Laskeutumisen jälkeen luotain lähettää purskeissa mittausdataansa lähinnä olevan sopivan kiertorataluotaimen kautta. Luotaimen UHF-signaalia pyritään laskeutumisvaiheessa kuuntelemaan myös suoraan Maan teleskoopeilla.

Schiaparellin havaintovälineet 
Tekniikan testaamisen lisäksi Schiaparelli laskeutuessaan mittaa ensimmäistä kertaa Marsin kaasukehän tuulta ja ominaisuuksia. 

Pinnalla Schiaparelli jatkaa säätietojen ja kaasukehän mittaamista suunnitelman mukaan muutaman solin ajan, kunnes sen akuista loppuu virta. Scaparelli mittaa myös sähkökenttää, minkä perusteella voidaan määrittää sähköisten ilmiöiden merkitystä pölymyrskyjen synnyssä. Laskeutujan mukana on myös kameralaitteisto.

Lento 
Laukaisuikkuna aukesi 14. päivä maaliskuuta ja kesti 12 vuorokautta.

ExoMars 2016 laukaistiin heti ikkunan avauduttua 14. maaliskuuta 2016 09:31 UTC Proton-M/Breeze-M-kantoraketilla Baikonurin avaruuskeskuksesta.  Proton-M:n kolme vaihetta nostivat paketin avaruuteen, jossa neljäs vaihe Breeze-M otti hallinnan lennon kulusta. Breeze-M suoritti kaikkiaan neljä polttoa ExoMarsin ollessa kiinni siinä. Ensimmäisen heti laukaisun yhteydessä ja kaksi kiertoradan muuttamiseksi. Laukaisimen kapasiteetti ei riitä suoraan laukaisuun, joten jouduttiin tekemään mainitut kiertoratamanööverit. Neljäs lähetti Exomars 2016:n kohti Marsia päättyen kello 20:06 UTC.  21:29 voitiin vahvistaa signaalin saanti alukseen ja pian sen jälkeen myös aurinkopaneelit saatiin avattua. ExoMars 2016 on matkalla onnistuneesti kohti Marsia. 

Irtoamisen jälkeen Breeze-M:n oli tarkoitus tehdä lyhyt, 12 sekunnin, poltto, jolla piti tehdä etäisyyttä ExoMarsiin. Turvallisen etäisyyden päässä sen oli tarkoitus käyttää moottoreitaan vielä viimeisen kerran. Noin 1,5 minuuttia kestävällä poltolla se käyttäisi ajoaineensa loppuun ja muuttaisi lentorataansa, niin ettei se joudu Marsin läheisyyteen. Breeze-M:ää ei pystytty havainnoimaan seurantateleskoopeilla suunnitellun manooverin aikaan aiotusti Boliviasta ja Australiasta.  Brasiliasta OASI-seurantateleskoopilla havaittiin, että ainakin yhdeksän isohkoa kappaletta seurasi ExoMarsia liki samalla radalla. Oletettavasti Breeze-M:n viimeinen poltto epäonnistui ja se hajosi kappaleiksi.

ExoMarsin lennonjohtajan Michael Denisin mukaan alusten etäisyys oli useita kilometrejä Breeze-M:n hajoamisen hetkellä. Oletettavasti täten se ei pystynyt vaurioittamaan ExoMarsia. Huhtikuun puoliväliin mennessä suoritettujen diagnostiikka- ja muiden toimenpiteiden perusteella alus ja havaintolaitteet olivat kunnossa.

Schiaparelli irtaantui TGO:sta suunnitellusti 16. lokakuuta 14:42 UTC ja vahvistus tästä annettiin 17:27 UTC.  Marsiin saapumisen aikaan viestintäviive Maan ja Marsin välillä on 9:48 minuuttia.

Schiaparelli 
Schiaparellin oli määrä laskeutua Marsiin 19. päivä. Luotain osui Marsin kaasukehään noin 14:42 UTC, jolloin laskeutumisen pinnalle piti tapahtua noin 14:48 UTC. Laskeutumista pystyttiin seuraamaan Intiassa sijaitsevalla Giant Metrewave Radio Telescope:lla, kunnes signaaliyhteys katosi laskeutumisen loppuvaiheessa. Heikon signaaliyhteyden katkeaminen sinänsä ei ollut yllätys. Seuraavaksi tietoja laskeutumisesta saatiin Mars Express -satelliitilta ja Mars Reconnaissance Orbiterilta, MAVEN:ilta sekä edelleen TGO:lta. Alustavien tietojen mukaan signaali katkesi laskeutumisen loppuvaiheessa, jota ennen tiedot olivat nominaalisia. Laskuvarjo irtosi ilmeisesti liian aikaisin. Jarruraketit toimivat joitakin sekunteja, mutta nekin sammuivat liian aikaisin ja niin Schiaparelli tuhoutui törmäyksessä Marsin pintaan. Koska raketit toimivat vain hetken on mahdollista, että lähes kaikki ajoaine oli mukana törmäyshetkellä ja alus räjähti törmäyksessä. Arvioiden mukaan alus putosi 2-4 kilometrin korkeudesta ja osumisnopeus oli enemmän kuin 300 km/h.

20. päivä MRO:n matalan resoluution CTX-kameralla otetussa kuvassa aiotulla laskeutumisalueella näkyy kaksi uutta kohdetta. Kirkas pienempi kohde, joka on luultavasti laskuvarjo ja suurempi tumma kohde, joka on luultavasti laskeutuja. Pienempi kohde vastaa hyvin 12 metrin laskuvarjoa. Suurempi kohde on mitoiltaan 15 x 40 m ja kilometrin pohjoiseen kirkkaasta. Tumma kohde sijaitsee noin 5,4 kilometriä länteen aiotusta laskeutumiskohdasta mutta selvästi aiotun laskeutumisellipsin sisällä. MRO otti 25. lokakuuta kuvia osumisalueelta korkean resoluution Hirise-kameralla. Paremmalla tarkkuudella tummasta kohdasta erottu 2,4 metrin halkaisijainen tummempi kohta. Tämä vastaa hyvin kraatteria, jonka 300kg kappaleen putoaminen muutaman sadan kilometrin tuntinopeudella voisi synnyttää. Sen sijaan kraatteria ympäröivä vaaleampi tumma alue on vaikeampi tulkita. Se on vahvasti epäsymmetrinen. Tämä vihjaisi siihen, että luotaimen ajoainesäiliöt olisivat räjähtäneet. Lisäksi iskeymäkohdan vieressä on kaari, joka saattaa liittyä tai olla liittymättä törmäykseen.  

Törmäyksen myötä menetettiin in-situ-mittaukset ja osa laskeutumisdatasta, mutta ongelmia edeltänyt laskeutumisdata saatiin suurelta osin talteen TGO:lle laskeutumisvaiheessa. Luotain lähetti dataa törmäykseen asti.  

Schiaparellin tavoiteltu laskeutumisalue oli 100×15 kilometrin kokoinen ellipsin muotoinen alue, joka sijaitsee Meridiani Planumilla. Alue on lähellä Marsin päiväntasaajaa ja se on verrattain tasainen osa planeetan eteläpuoliskon ylänköaluetta. Schiaparellin piti toimia suunnitelman mukaan 19.-23. lokakuuta ja TGO:n välittää sen havainnot Maahan.

Schiaparellin kovan laskeutumisen oli määrä koostua neljästä osasta: lämpökilpi, laskuvarjo, jarruraketit ja iskun kestävät rakenteet. Se saapui Marsin kaasukehään yli 5 800 m/s nopeudella. Noin 122 kilometrin korkeudessa luotain törmäsi kaasukehään ja kaasujarrutusvaihe alkoi. Noin 11 kilometrin korkeudessa nopeus oli runsaat 450 m/s ja laskuvarjo avautui. Lämpösuojan oli määrä irrota noin 7 kilometrin korkeudessa, ja aluksen piti alkaa hallita laskeutumista rakettimoottoreillaan. Laskuvarjon piti irrota noin 1,3 kilometrin korkeudessa ja nopeuden ollessa 75 m/s. Nopeutta oli tarkoitus pienentää edelleen rakettimoottoreilla ja kahden metrin korkeudessa nopeuden oli tarkoitus olla 0,55 m/s, jolloin moottori oli määrä sammua ja antaa aluksen pudota vapaasti loppumatka. Schiaparelli oli suunniteltu kestämään noin 3 m/s törmäys maahan.

Onnettomuustutkinta 
Talteen saadun datan perusteella laskuvarjo vaikuttaa irronneen hieman ennenaikaisesti ja jarruraketit toimivat vain hetken. Syynä tähän on vaikuttaa olevan virhe laitteiston ohjauksessa ei niinkään laitteiston hardwaressa. Jostain syystä keskustietokoneen ohjaama ohjausjärjestelmä ei toiminut odotetusti.

Marraskuussa 2016 kaikki data viittaa siihen, että lämpökilpijarrutus onnistui ja laskuvarjo avautui suunnitellusti 12 kilometrin korkeudesa 1 730 km/h vauhdissa. Edelleen lämpökilpi irtosi suunnitellusti 7,8 kilometrin korkeudessa. Jostain syystä aluksen pyörimisnopeuksia mittaava Inertial Measurement Unit (IMU) saturoitui, se mittasi maksiminsa, pian laskuvarjon aukeamisen jälkeen.  Pääosin mittaukset olivat odotetun kaltaisia mutta tässä noin sekunnin kestäneessä hetkessä ei. Kun tämä mittaustulos yhdistettiin ohjausjärjestelmään, saatiin korkeusarvioksi negatiivinen lukema eli alle pinnan taso. Tämä virheellinen näkemys johti laskuvarjon ennen aikaiseen irrottamiseen ja lyhyeen jarrurakettien polttoon sekä järjestelmien aktivointiin aivan kuin luotain olisi laskeutunut. Todellisuudessa luotain oli edelleen 3,7 kilometrin korkeudessa. Kuvattu käyttäytyminen on selvästi pystytty toistamaan simulaatioissa.

Varsinainen tutkimuslautakunnan raportti on tarkoitus saada alkuvuodesta 2017.

TGO 
17. päivä 02:42 UTC  TGO suoritti rajanmuutoksen, joka ohjasi sen lentoradalle, jolta se asettui jarrutuksella Marsin kiertoradalle.

TGO:n kiertoradalle asettavan runsaat kaksi tuntia kestävän jarrutuspolton aloitus varmistettiin 19. päivä noin 13:15 UTC ja Marsin takaa kiertämisen jälkeen signaaliyhteys saatiin odotettuun aikaan, mikä alustavasti indikoi onnistunutta asettumista kiertoradalle ja pian tämän jälkeen voitiinkin varmistaa, että TGO päätyi nominaaliselle neljän vuorokauden kiertoradalle.

Hyvin soikea kiertorata on tarkoitus pyöristää noin 400 kilometriin. Radalle saapumisen jälkeen luotaimella suoritetaan lähinnä kalibrointi-tyyppisiä ja toissijaisia mittauksia. Maaliskuusta 2017 maaliskuuhun 2018 rataa muokataan ilmajarrutuksen avulla pyöreäksi. Varsinaiset päähavainnot on tarkoistus aloittaa tällä pyöreällä radalla maaliskuussa 2018 ja kestää ainakin joulukuuhun 2019. Polttoainetta luotaimessa riittää periaatteessa ainakin vuoteen 2022 saakka. Toiminta-aikanaan TGO toimii myös muiden luotainten viestintälinkkinä.

ExoMars-kulkija 
ExoMars-kulkija laukaistaan Proton-raketilla. Marsiin saapuva hyötykuorma on kaksiosainen. Laskeutuja tekee havaintoja ja kuljettaa kulkijan Marsin pinnalle. Kulkija suorittaa tutkimuksia laajemmalla alueella liikkuen useita kilometrejä toimintansa aikana.

Laskeutujan ja kulkijan yhteismassa on noin 2000 kg.

Cruise-moduuli 
Maasta laukaisun ja Marsiin saapumisen ajan hyötykuorma on ESAn toimittaman moduulin sisässä.

Laskeutumisjärjestelmä 
Roscosmosin toimittaman laskeutumisjärjestelmän pääosat ja vaiheet ovat lämpökilpi, laskuvarjo, thrusterit ja iskunvaimennus. Laskuvarjo-osuudessa on kaksi varjoa; halkaisijoiltaan 15 metrinen ylisooninen ja 35 metrinen alisooninen.

Laskeutuja 
Roscosmosin ja IKI:n toimittama laskeutuja kuljettaa mukanaan kulkijan ja suorittaa havaintoja. Nominaali toiminta-aika on 1 Maan vuosi. Laskeutujan päätutkimuskohteet ovat pitkäaikainen sään mittaus ja muut kaasukehän mittaukset.

Kulkija 
Kulkijan suurin uutuus on noin kahden metrin syvyyteen yltävä pora. Sen avulla tutkitaan Mars-perän geologista ja kemiallista koostumusta.

ExoMars-kulkija on massaltaan noin 310 kg eli noin 100 kg enemmän kuin vastaavan luokan Spirit- ja Opportunity-kulkijoilla. Pyörillä rullaamisen lisäksi kulkija pystyy liikkumaan kävelemällä.

Lähteet

Aiheesta muualla

 ExoMars Main Site
 ESA Bulletin 126 2006
 Raman-LIBS spectrometer for ExoMars Combined Raman-LIBS spectrometer for ExoMars at TNO

 Mars-luotaimet
Vuoden 2016 avaruustoiminta
Vuoden 2018 avaruustoiminta
Vuoden 2020 avaruustoiminta