המעבדה לחקר המאדים

המעבדה לחקר המאדים (באנגלית: Mars Science Laboratory) או בקיצור MSL היא משימה לחקר מאדים של נאס"א, שמטרתה לחקור באמצעות מעבדה ניידת (רובר) בשם קיוריוסיטי (Curiosity - סקרנות) את כוכב הלכת מאדים. ה-MSL שוגרה ב-26 בנובמבר 2011 על גבי משגר אטלס 5 מ-SLC-41 שבנמל החלל קייפ קנוורל, ונחתה במאדים ב-6 באוגוסט 2012 במכתש גייל (Gale Crater). הרובר ביצע את הנחיתה המדויקת הראשונה על מאדים (בטווח של כ-100 ק"מ) ובשבועות שלאחר מכן העביר נתונים ותמונות. מטרות משימתו, בין היתר, הן לסייע להעריך האם מאדים הוא, או היה, מקום בו יכולים להתקיים חיים ולנתח מדעית דוגמאות אדמה ואבנים.

הרובר קיוריוסיטי של משימת MSL כבד פי חמישה מכלי הרכב הרובוטיים הקודמים ספיריט ואופרטוניטי מתוכנית מארס רובר, ונושא מטען ייעודי הגדול פי עשרה מהם. הרובר תוכנן לפעול במשך שנת מאדים אחת לפחות (686 ימים של כדור הארץ), תוך סריקת שטח רחב יותר מכל רכב רובוטי (רובר) אחר שנשלח אי פעם למאדים.

הרובר הוא חלק מהתוכנית לחקר מאדים של נאס"א, תוכנית בלתי מאוישת ארוכת טווח, המופעלת על ידי המעבדה להנעה סילונית והמכון הטכנולוגי של קליפורניה עבור נאס"א. ה-MSL היא גם חלק מתוכנית פלאגשיפ של נאס"א שעלותה הכוללת היא כ-2.3 מיליארד דולר.

מטרות ויעדים
למשימת MSL יש ארבע מטרות: לקבוע האם חיים יכלו להתקיים על מאדים אי פעם, לאפיין את האקלים על מאדים, לאפיין את גאולוגיית מאדים ולהוות הכנה לנחיתות מאוישות על מאדים. כדי להשלים מטרות אלו, ל-MSL ישנם שמונה יעדים מדעיים:
 לקבוע את טבעם וכמותם של תרכובות הפחמן האורגני. אם אף תרכובת אורגנית לא נמצאת, המידע יכול לעזור לקבוע כי חיים על מאדים, או עדויות לחיים בעבר על מאדים, אינם נמצאים קרוב לפני הקרקע. הוא גם יסייע בהבנת הגורמים הסביבתיים הגורמים להסרת חומרים אורגניים.
 לבדוק את "מלאי" החומרים הנדרשים לחיים כפי שאנו מכירים אותם: פחמן, מימן, חנקן, חמצן, זרחן וגופרית.
 זיהוי תכונות המייצגים אפקטים של מטבוליזם או חתימה ביולוגית אחרת.
 חקירת ההרכב הכימי, האיזוטופי והמינרלי של החומרים הגאולוגיים על פני ומתחת לפני השטח של מאדים.
 לנתח את התהליכים שגרמו ליצירת ולשינוי האבנים והאדמה במאדים.
 להעריך את התהליך האבולוציוני של אטמוספירת מאדים ב-4.5 מיליארד השנים האחרונות.
 קביעת המצב, התפוצה והמחזוריות של המים והפחמן הדו-חמצני על מאדים.
 אפיון הקרינה במאדים בספקטרום הרחב, כולל קרינה קוסמית-גלקטית, קרינה קוסמית, מאורעים פרוטונים-סולאריים ונייטרונים בעלי אנרגיה גבוהה.

היסטוריה

באפריל 2008 דווח כי התוכנית עולה 235 מיליון דולר, 24% יותר מהמתוכנן, וכדי לפצות על כך נאס"א תהיה עלולה לקצץ בתוכניות אחרות לחקר מאדים. באוקטובר 2008, ה-MSL התקרב ל-30% יותר מהסכום המתוכנן. בנובמבר 2008 הפיתוח למעשה הסתיים, רוב החומרה והתוכנה של ה-MSL הושלמו והחלו לעבור בדיקות ומבחנים. ב-3 בדצמבר 2008, הודיעה נאס"א כי שיגור MSL נדחה לסתיו 2011 בגלל מבחנים לקויים. הסיבות הטכניות והתקציביות שעמדו מאחורי הדחייה הוסברו בפגישה במשרדי הנהלת נאס"א בינואר 2009.

בין ה-23 ל-29 במרץ 2009, הקהל הרחב היה יכול לדרג תשעה שמות שעלו לגמר בתחרות בחירת השם לרובר. הדירוג בוצע באתר האינטרנט של נאס"א כדי לסייע לשופטים שבחרו את השם. ב-27 במאי 2009 נבחר השם המנצח, קיוריוסיטי, שהוצע על ידי תלמידת כיתה ו', קלארה מא מקנזס.

בסוף יוני 2010 טכנאי הרובר הוסיפו לו את מערכות הגלגלים, הדומות מאוד לאלו ששימשו את המארס רובר והמארס פאת'פיינדר. הטכנאים והמהנדסים החלו לבחון את מערכות הגלגלים, שישמשו גם ככני נחיתה עבור הרובר שלא כמו קודמיו (המארס רובר והמארס פאת'פיינדר).

ב-6 באוגוסט 2012, 8:33 לפי שעון ישראל, נחת הרובר על פני המאדים ותמונה ראשונה התקבלה ממנו לאחר 3 דקות.

מבנה הרובר

ממדים
אורכו של קיוריוסיטי הוא שלושה מטרים ומשקלו 900 ק"ג, 80 מתוכם כלים מדעיים. לשם השוואה, אורך הרוברים מתוכנית מארס רובר היה 1.57 מטרים ומשקלם היה 174 ק"ג, 6.8 מתוכם כלים מדעיים.

מהירות
הרובר יוכל לטפס על אבנים בגובה 75 ס"מ ומהירותו המקסימלית תהיה כ-90 מטרים בשעה במצב ניהוג אוטומטי, אך המהירות הממוצעת המשוערת תהיה כ-30 מטרים לשעה בגלל תוואי שטח קשים, בעיות ראות ועוד. קיוריוסיטי תוכנן לעבור מרחק של לפחות 19 ק"מ במהלך שנת המאדים של משימתו.

מקורות אנרגיה
קיוריוסיטי מקבל אנרגיה מגנרטור רדיואיזוטופי תרמואלקטרי (RTG), ששימש בהצלחה את נחתות הוויקינג ב-1976. מערכת חשמל רדיוסטופית מפיקה חשמל מפרוק טבעי של פלוטוניום-238, שהוא איזוטופ לא-בקיע של הפלוטוניום. החום שנוצר כתוצאה מפירוק האיזוטופ מומר לאנרגיה חשמלית שמשמשת את הרובר לאורך כל העונות, ביום, בלילה ובמהלך סופות חול ואבק. החום שנוצר ישמש את הרובר גם לחימום מערכותיו.

הגנרטור שמשמש את קיוריוסיטי הוא חדשני מסוגו, מיוצר על ידי בואינג ונקרא Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator או בקיצור MMRTG. ה-MMRTG יספק לרובר 125 ואט בתחילת המשימה ו-100 ואט אחרי מינימום 14 שנה. קיוריוסיטי מפיק 2.5 קילוואט-שעה ליום לעומת המארס רובר שהפיק 0.6 קילוואט-שעה ליום.

מערכות חימום
הטמפרטורה באזורי הפעולה המתוכננים של הרובר נעה בין 30°C ל-127°C- (פלוס 30 עד מינוס 127 צלזיוס). מערכת החימום של הקיוריוסיטי, שנקראת בקיצור HRS, מעבירה נוזל חם לאורך צנרת של 60 מטרים בגוף קיוריוסיטי כדי שרכיבים רגישים לקור וחום יוכלו לפעול בטמפרטורה הרצויה. חום מושג גם באמצעות חום הרכיבים עצמם, וחום שנוצר מהגנרטור. למערכת יש אפשרות גם לקרר אם יהיה צורך בכך.

מחשבים
על הרובר ישנם שני מחשבים בשם RCE המכילים זיכרון מוגן מפני קרינה הבאה מהחלל ומפני מחזורי כיבוי. כל זיכרון של המחשב כולל 256 kB של EEPROM, עוד 256 MB של DRAM ו-2 GB של זיכרון פלאש. לשם השוואה, למארס רובר היו 3 MB של EEPROM, ו-128 MB של DRAM ו-256 MB זיכרון פלאש.

מחשב ה-RCE משתמש במעבד IBM RAD750, יורשו של ה-RAD6000 ששימש את המארס רובר. ה-RAD750 מסוגל ל-400 MIPS לעומת ה-RAD6000 המסוגל רק ל-35 MIPS.

לרובר יש מערכת מדידה אינרציאלית, המספקת מידע על מיקום הרובר, מידע המשמש לניווט. מחשבי הרובר מנטרים את עצמם באופן רציף כדי לשמור על הרובר מבצעי ולווסת את טמפרטורת הרובר. פעילויות שונות, כמו צילום תמונות, נהיגה והפעלת המיכשור המדעי, מבוצעות על ידי פקודות המגיעות מצוות הרובר בכדור הארץ. במקרה של בעיה במחשב הראשי, המחשב המשני יכנס לפעולה.

כלים

 מצלמות - מצלמות הרובר פותחו על ידי Malin Space Science Systems.
 MastCam - מערכת זו מספקת תמונות ספקטרה וצבע-אמת על ידי שימוש בשתי מצלמות. המצלמות יכולות ליצור תצלומים צבעוניים ברזולוציה של 1,600 × 1,200 פיקסלים, ולצלם עד 10 פריימים לשנייה באיכות 720p במצב ווידאו. כל מצלמה תהיה בעלת 8 ג'יגה של זיכרון פלאש. המצלמות מצוידות בפוקוס אוטומטי היכול להתמקד בעצמים במרחק של 2.1 מטרים עד אין-סוף.
 MAHLI - מערכת זו כוללת מצלמה המורכבת על הזרוע הרובוטית של הרובר ומשמשת לביצוע תצלומים מקרוסקופיים של אבנים ואדמה. המערכת יכולה ליצור תצלומים צבעוניים של 1,600 × 1,200 פיקסלים ברזולוציה של עד 14.5 מיקרון לפיקסל.
 MARDI - מצלמה זו, הממוקמת מתחת לרובר, נועדה ליצירת תצלומים ברזולוציה של 1,600 × 1,200 בזמן הנחיתה, מגובה של כ-3.7 ק"מ עד לגובה של 5 מטרים. התמונות שימשו לזיהוי אתר הנחיתה של הרובר.
 Navcams - מצלמות ניווט. ב-MSL שני זוגות של מצלמות שחור-לבן המורכבות על ה"תורן" של הרובר לניווט. אלה מצלמות המצלמות באור טבעי על מנת ליצור תמונות תלת-מימד סטריאוסקופיות. המצלמות בעלות זווית ראייה של 45 מעלות.
 ChemCam - מערכת חישה מרחוק, הכוללת שני כלים: LIBS ו-RMI. ה-LIBS מסוגל לאדות, באמצעות קרני לייזר, חלק מאבן או אדמה וה-RMI בוחן את ספקטרום האור המוחזר מהאבן המתאדה. המערכת פותחה על ידי המעבדה הלאומית לוס אלמוס ומעבדת CESR הצרפתית, בעלות של כ-10 מיליון דולר (כ-4% מכלל התוכנית).
 APXS - מכשיר זה יקרין קרינת אלפא של דוגמאות קרקע וימפה את ספקטרום קרני ה-X הנפלטים מהם כדי לקבוע את הרכב דוגמאות הקרקע. מכשיר דומה לזה שימש גם את המארס פאת'פיינדר ואת הרוברים בתוכנית מארס רובר.
 CheMin - קיצור ל-Chemistry and Mineralogy (כימיה ומינרולוגיה). אינסטרומנט קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן שישמש לכימות מינרלים ולבחינת מבנה המינרלים.
 SAM - ינתח תרכובות אורגניות מדוגמיות קרקע ודוגמיות אטמוספיריות.
 RAD - כלי זה ימפה את הספקטרום הרחב של קרינה הנמצאת על פני השטח הקרובים של מאדים כדי לקבוע את אפשרות קיום החיים לבני אדם שינחתו על מאדים בעתיד.
 DAN - חיישן ומקור ניטרונים פעימתי לאיתור מימן או קרח ומים בפני השטח הקורבים של מאדים. כלי זה מסופק על ידי סוכנות החלל הפדרלית של רוסיה.
 REMS - חיישן אולטרה-סגול ומכשירים מטאורולוגיים שיורכבו על התורן הראשי של הרובר וימדדו את הלחץ האטמוספירי, הלחות, זרמי רוח וכיוונם, טמפרטורת האוויר והאדמה ורמות הקרינה האולטרה-סגולה.
 MEDLI - ממוקם במגן החום של הרובר וישמש למדידת נתונים אטמוספיריים בעת החדירה לאטמוספירת מאדים.
 Hazcams - מצלמות תלת-מימד בעלות זווית ראייה של 120° שישמשו למניעת פגיעה ברובר ובזרוע הרובוטית שלו במהלך הנסיעה.

משגר
ה-MSL שוגר מנמל החלל קייפ קנוורל על גבי משגר אטלס 5 המסופק על ידי ULA. המשגר זהה למשגר ששימש לשיגורם של המקפת לסקר מאדים והניו הוריזונס.

מערכת הנחיתה

הנחתת מסה כבדה על מאדים היא אתגר מסובך. כשהאטמוספירה של פלנטה צפופה מדי, מערכת נחיתה בעלת רקטות האטה בלבד היא מערכת קשה מאד לייצוב, בגלל שזמני התגובה לחיווי של הכיוון והמהירות, ועוצמת התגובה של הרקטות עלולים להוציא את המערכת ממצב של טיסה יציבה; ספציפית, צפיפות האטמוספירה של מאדים גדולה מכדי לאפשר האטה יציבה. מאידך, האטמוספירה של הפלנטה דלילה מכדי שיהיה אפשר להשתמש בחיכוך האטמוספירי ובמצנחים בלבד. המארס רוברים והמארס פאת'פיינדר השתמשו בכריות אוויר כדי לספוג את עוצמת הנחיתה, אך קיוריוסיטי גדול מידי מכדי להשתמש בטכניקה זו. על כן, נדרשה מערכת המשלבת מצנחים עם רקטות האטה, בשלבים שונים של הגישה לנחיתה.

"קיוריוסיטי" ירד לקרקע מאדים באמצעות מערכת נחיתה חדשנית ובעלת דיוק נחיתה גבוה בשם EDL, שהנחיתה אותו בתוך אליפסה של 20X7 ק"מ מאתר הנחיתה (לעומת המארס רובר, שמערכת הנחיתה שלו הייתה בעלת יכולת דיוק בנחיתה באליפסה של 20 × 150 ק"מ).

מערכת הנחיתה של ה-MSL מורכבת מארבעה שלבים, וכל שלב מהווה מערכת בפני עצמה.

חדירה מונחית לאטמוספירה
הרובר נמצא, במצב מכונס, בתוך ה"אירושל" - מגן, הכולל מגן אחורי ומגן חום, המגינים עליו במהלך המסע למאדים והחדירה לאטמוספירה. מגן החום, שקוטרו 4.5 מטרים (מגן החום הגדול ביותר שיוטס בחלל עד כה), יאט את הרובר ממהירות של כשישה ק"מ לשנייה למהירות של כמאך 2, אז פתיחת המצנח אפשרית. מערכת ההנחיה ששמשה את הרובר לדיוק בנחיתה היא מערכת דומה לזאת ששימשה את חלליות אפולו בחזרתם לכדור הארץ. המצנח נפרש בגובה של כ-10 ק"מ ובמהירות של כ-470 מטרים לשנייה.

הנמכה מוצנחת
כששלב החדירה לאטמוספירה הסתיים, והכמוסה הואטה למהירות של כמאך 2, בגובה של כ-10 ק"מ מפני הקרקע, נפרש מצנח בעל היכולת לשרוד במהירויות על-קוליות, ששימש גם את המארס פאת'פיינדר והמארס רובר.

ממרץ עד אפריל 2009 עבר המצנח בדיקות במנהרת הרוח הגדולה ביותר בעולם שנמצאת במרכז המחקר איימס ונמצא כשיר. אורכו של המצנח הוא 50 מטרים וקוטרו 16 מטרים. המצנח יכול להיפתח ולפעול במהירות של 2.2 מאך וליצור עד ל-289 ניוטון של גרר באטמוספירת מאדים.

הנמכה ממונעת
בגובה של כ-1.8 ק"מ מעל פני מאדים, כשהכמוסה נעה במהירות של כ-100 מטרים לשנייה, הרובר ושלב ההנמכה הממונע משתחררים מהכמוסה. שלב ההנמכה הממונעת הוא שלב המורכב מעל הרובר בעל שמונה מנועים רקטיים הפועלים על הידרזין. המנועים פותחו על בסיס מנועי הנחיתה של נחתות הוויקינג ויכולים להפיק דחף של עד 3.1 קילו-ניוטון כל אחד. תוך כדי ההנמכה הממונעת, הרובר פרש את גלגליו והשלב הבא, ה-Sky Crane הוריד את הרובר בעזרת כבלים אל פני הקרקע.

Sky Crane (עגורן שמיים)
מערכת ה-Sky Crane הנמיכה את הרובר והביאה אותו ל"נחיתה רכה" על אדמת מאדים. הרובר הונמך באמצעות שלוש רתמות וכבל "טבורי" המעביר מידע מהרובר לשלב הממונע. בגובה של כ-7.5 מטרים מעל פני הקרקע השלב הממונע הגיע למהירות אפס והרובר מציב את רגליו על הקרקע. אחרי שתי שניות שבהם מוודא הרובר כי נחת על קרקע מוצקה ובטוחה, הוא מפעיל נפצים קטנים המשחררים אותו מהרתמות והכבל המחברים אותו אל השלב הממונע. לאחר מכן השלב הממונע מיד מטפס שוב לאוויר ומתרחק מהרובר ככל האפשר עד להתרסקותו בקרקע.

אתר הנחיתה

אתר הנחיתה, מכתש גייל, נבחר על ידי מנהלי נאס"א בעזרת מומחים שעבדו על הפרויקט. בתוך המכתש ישנו הר בשם אאוליס מונס (או הר שארפ), עשוי משכבות אבנים, המתנשא לגובה של כ-4.8 ק"מ מרצפת המכתש, שאותו ה-MSL מתוכנן לחקור. אתר הנחיתה (האזור המוקף בצהוב בתמונה) הוא אזור שטוח בתוך המכתש, הנמצא לפני ההר. אזור הנחיתה הוא אליפטי, אורכו 20 ק"מ ורוחבו כ-25 ק"מ. קוטרו של מכתש גייל כולו הוא 154 ק"מ.

אתר הנחיתה מכיל אבנים ואדמה שנשטפו מקירות המכתש, והמדענים יקבלו הזדמנות לבחון את הסלעים המרכיבים את האזור. אתר הנחיתה מכיל גם אבנים בעלי צפיפות גבוהה מאוד וצבע בהיר מאוד; אבנים מסוג זה עוד לא נבחנו במאדים. האזור עשוי להיות חופו של אגם עתיק, וזו תהיה ככל הנראה מטרתה הראשונה של המשימה, לבחון את האזור לקיומם של מולקולות אורגניות.

פעילות על פני המאדים
ב-20 באוגוסט 2012 פרסמה נאס"א תמונות ראשונות של ניסוי שערכה המעבדה הניידת "קיוריוסיטי" על פני מאדים. הניסוי נמשך כעשר שניות במהלכן שיגרה המעבדה קרני לייזר בעוצמה של 14 מיליג'אול כלפי סלע בגודל אגרוף, שנמצא במרחק שלושה מטר ממנה. מטרת הניסוי העיקרית הייתה תרגול השימוש בלייזר לצורך מחקר החומרים שבסלע (שמכונה "קורוניישן") והרכבם הכימי. הניסוי צולם באמצעות מצלמת מעבדת הכימיה "ChemCam".

אירועים משמעותיים בפעילות הרובר "קיוריוסיטי":
 6 באוגוסט 2012 – הרובר הגיע אל שולי אאוליס מונס במטרה לחקור את ההר
11 בספטמבר 2014 – החל מחקר של מורדות ההר
5 בנובמבר 2016 – לאחר שהייה על פני המאדים במשך 1,552 סול (יממה שימשית על המאדים), הרובר נסע מרחק של 11.7 ק"מ על מורדות ההר
7 ביוני 2018 – נאס"א הודיעה על מציאת מולקולות אורגניות במשטח סלע במאדים. עם זאת הבהירה נאס"א, כי לא נמצאו חיים על פני מאדים

ראו גם
 מארס רובר
 מארס פאת'פיינדר
 מארס 2020
 פרסווירנס
 חקר החלל

קישורים חיצוניים

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 Mars Curiosity Rover - Raw Images, Mars.NASA.gov
 NASA, press kit - Mars Science Laboratory Landing, jpl.nasa.gov, July 2012

הערות שוליים

משימות לחקר מאדים
גשושיות אמריקאיות
רוברים