نگاه جامع به مریخ نورد استقامت؛ آزمون فناوری برای سفر انسان به مریخ - سبزوار امروز

می توان گفت که گام های گونه بشر کم کم به مریخ نزدیک تر می گردد و با کاوش ها و نمایش فناوری که مریخ نورد استقامت ناسا در سیاره سرخ پیش برده است، جنبه های جذابی از این همسایه زمین آشکار شده و انسان این دنیای خاموش را بیشتر از همواره درک نموده است.

مأموریت مارس 2020 ناسا

نوترین کاوشگر رباتیکی که به عنوان بخشی از مأموریت های مریخ 2020 ناسا روی سیاره سرخ فرود آمد، پشتکار یا استقامت (Perseverance) نام دارد. این سطح نورد برای کاوش در سطح مریخ طراحی شده است و به عنوان بخی از برنامه اکتشافی مریخ، در پی نشانه هایی از حیات گذشته و حال روی این سیاره است.

این مریخ نورد در طول مأموریت خود که قرار بود حداقل دو سال طول بکشد، آزمایش های علمی متعددی از جمله جست وجوی نشانه های حیات در مریخ را پیش برده است. استقامت که دور از مریخ نورد کنجکاوی نهاده شده است به فعالیت و ارسال داده های علمی ادامه می دهد و به ناسا امکان می دهد تا منطقه ها نوی از سیاره سرخ را کاوش کند و راه را برای ساخت فناوری های پشتیبانی از سفر انسان به مریخ در آینده هموار سازد.

مریخ نورد استقامت در 30 جولای 2020 پرتاب شد و در 18 فوریه 2021 با پیروزیت در دهانه جزرو (Jezero) فرود آمد، منطقه ای که گمان می رود زمانی میزبان دلتای یک رودخانه باستانی بوده است. اگرچه این کاوشگر به گونه ای طراحی شده که فقط چند سال در مریخ دوام بیاورد، اما دوقلوی آن، یعنی کنجکاوی، با گذشت بیش از یک دهه فعالیت و گشت وگذار در مریخ، همچنان فعال و قدرتمند است. چون بر خلاف مریخ نوردهای قبلی روح و فرصت، دو مریخ نورد کنجکاوی و پشتکار از یک منبع انرژی هسته ای به جای صفحات خورشیدی استفاده می نمایند که حتی در شرایط طوفان و گرد و خاک، امکان فعالیت داشته باشند. بنابراین تا زمانی که ابزارهای استقامت به خوبی کار نمایند، به کاوش خود در مریخ ادامه خواهد داد.

پس از پایان مأموریت اما، استقامت روی مریخ باقی خواهد ماند و به نشانگر دائمی سفر بشر به فراسوی زمین تبدیل خواهد شد. هم اکنون هیچ فناوری شناخته شده ای برای بازگردانی مریخ نورد به زمین وجود ندارد و در هر صورت، انجام این کار، مطمئنا بیش از ساختن یک کپی روی زمین هزینه در پی خواهد داشت.

اهداف مأموریت

مأموریت استقامت بر چهار هدف کلیدی متمرکز است.

• اخترزیست شناسی: جست وجوی نشانه هایی از حیات میکروبی باستانی.
• زمین شناسی و اقلیم: مطالعه ترکیب سطحی مریخ و درک شرایط آب وهوایی آن در گذشته.
• جمع آوری نمونه: جمع آوری و ذخیره سازی نمونه هایی از سنگ و خاک مریخ برای بازگردانی در یک مأموریت آینده.
• نمایش فناوری: آزمایش فناوری های تازه، از جمله بالگرد نبوغ (Ingenuity) که نخستین هواگردی است که در سیاره ای دیگر پرواز می نماید.

با اینکه استقامت بر پایه طرح اولیه کنجکاوی ساخته شده است اما با توجه به هدف متفاوتی که دارد، با ابزارها و قابلیت های علمی متفاوتی هم تجهیز شده است. برای نمونه برای جست وجوی شواهد احتمالی حیات مریخی باستانی، از ابزارهایی بهره می برد که می توانند نقشه هایی در مقیاس میکروسکوپی از عناصر و مولکول های آلی در سنگ ها تهیه نمایند.

بعلاوه چون استقامت نخستین گام در سری مأموریت های جمع آوری نمونه از مریخ است، یک مته مغزه گیری را در اختیار دارد که هسته های سنگ را مستقیما در لوله های نمونه جداگانه قرار می دهد و سپس یک سیستم رباتیک پیچیده، آن ها را برای سفر برگشت، مهروموم می نماید.

بخش های مریخ نورد استقامت

مریخ نورد استقامت به وسیله آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL) ناسا و بر پایه طراحی پیروز مریخ نورد کنجکاوی ساخته شده است که در آگوست 2012 روی مریخ فرود آمد. به گفته ناسا، حدود 85 درصد از پشتکار بر اساس سخت افزار میراث کنجکاوی ساخته شده است که باعث صرفه جویی در وقت و هزینه ها و البته کاهش قابل توجه ریسک شده است اما علاوه بر این، کاوشگر نو چندین بهبود را هم شامل می گردد.

این کاوشگر حدود 3 متر طول، 2.7 متر عرض و 2.2 متر ارتفاع دارد و وزن آن حدود 1025 کیلوگرم و اندکی کمتر از یک خودروی کوچک است. پشتکار هم مشابه کنجکاوی به وسیله یک ژنراتور ترموالکتریک رادیو ایزوتوپ (RTG) تغذیه می گردد که یاری می نماید حتی در طولانی مدت تأمین انرژی آن تضمین گردد.

همچون کنجکاوی، استقامت دارای بدنه ای مستطیلی با شش چرخ، یک بازوی رباتیک، یک مته برای نمونه برداری از سنگ و خاک، دوربین و ابزارهای علمی است. این ابزارها اما کاملا با ابزارهای علمی کنجکاوی متفاوت هستند چون این دو مریخ نورد تا حد زیادی اهداف متفاوتی هم دارند. وظیفه اصلی کنجکاوی ارزیابی سکونت پذیری مریخ باستان است، در حالی که استقامت در پی شواهدی از موجودات مریخی باستانی است.

ابزارهای علمی

پشتکار هم برای کاوش در سیاره سرخ، مجموعه ای از ابزارهای علمی پیشرفته را به همراه دارد، از جمله بعضی از مهم ترین آن ها عبارتند از:

• مست کم-زد (Mastcam-Z): یک سیستم دوربین پیشرفته با قابلیت زوم برای ثبت تصاویر و ویدیوهای با وضوح بالا.
• سوپر کم (SuperCam): در حقیقت تکامل یافته ابزار ChemCam کنجکاوی است و سنگ های مورد نظر را با لیزر هدف قرار می دهد تا ترکیب شیمیایی بخار حاصل را معین کند. این روش طیف سنجی شکست ناشی از لیزر (LIBS) نام دارد که برای تجزیه وتحلیل ترکیب سنگ های مریخی به کار می رود.
• پیکسل (PIXL) یا ابزار سیاره ای برای لیتوشیمی پرتو ایکس: به طور کلی عناصر شیمیایی را در مقیاس دقیق تشخیص می دهد. این ابزار با استفاده از یک دوربین با وضوح بالا و طیف سنجی فلورسانس، ترکیب مواد مریخی را با مقیاس بسیار خوب معین می نماید.
• شرلوک (SHERLOC) یا اسکن محیط های قابل سکونت با رامان و لومینسانس برای مواد آلی و شیمیایی: به جست وجوی ترکیبات آلی می پردازد.
• ریمفکس (RIMFAX) یا تصویرساز راداری برای آزمایش زیرسطحی مریخ: کاوشگری برای آنالیز لایه های زیرین سطح مریخ با یاری رادار است. در حقیقت نخستین ابزار یک مریخ نورد است که به زیر سطح مریخ نگاه می نماید و لایه هایی از سنگ، آب و یخ را تا عمق 10 متری نقشه برداری می نماید.
• ماکسی (MOXIE) یا آزمایش استفاده از منابع اکسیژن درجای مریخ: یک نمایش فناوری محسوب می گردد که توانایی فراوری اکسیژن از جو مریخ را نشان می دهد. این ابزار برای فراوری اکسیژن از جو سیاره سرخ که 95 درصد حجم آن را کربن دی اکسید تشکیل می دهد، طراحی شده است. به گفته ناسا با افزایش چنین تجهیزاتی، می توان به بشریت یاری کرد تا در آینده جای پایی در سیاره سرخ پیدا کند.
• مدا (MEDA) یا تحلیل گر دینامیک محیطی مریخ: شرایط آب وهوایی مریخ را زیر نظر دارد.

مته سنگی شرلوک و پیکسل در انتهای بازوی رباتیک 2.1 متری مریخ نورد استقامت قرار دارند که می تواند با پنج درجه آزادی حرکت کند. مدا، ماکسی و ریمفکس روی بدنه استقامت و مست کم-زد و سوپرکم هم روی دکل سر مانند مریخ نورد جای گرفته اند.

شرلوک

ابزار شرلوک که نام آن مخفف Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals به معنی اسکن محیط های قابل سکونت با رامان و لومینسانس برای مواد آلی و شیمیایی است، نخستین ابزاری است که در مریخ از طیف سنجی های رامن و فلورسانس استفاده می نماید. تکنیک هایی که برای کارشناسان پزشکی قانونی آشناست.

هنگامی که نور فرابنفش روی بعضی از مواد شیمیایی مبتنی بر کربن می تابد، بسیار شبیه به مواد زیر نور سیاه می درخشند و این درخشش می تواند به دانشمندان یاری کند تا مواد شیمیایی را که در حضور حیات تشکیل می شوند، شناسایی نمایند. شرلوک بعلاوه از سنگ هایی که مطالعه می نماید عکس می گیرد و سپس نقشه مواد شیمیایی را که در تصاویر شناسایی نموده است، طراحی می نماید. این کار به بافت و مواد شیمیایی آلی احتیاج دارد که استفاده از یک شهاب سنگ مریخی برای کالیبراسیون شرلوک آن را ممکن نموده است.

دوربین ها

استقامت تقریبا پنج برابر بیشتر از نخستین مریخ نورد دوربین دارد. سوجورنر (Sojourner) که در سال 1997 روی مریخ فرود آمد، تنها پنج دوربین داشت و مریخ نوردهای دوقلوی روح و فرصت هم که در سال 2004 به خاک سرخ رسیدند، هر کدام 10 دوربین را شامل می شدند. کنجکاوی هم 17 دوربین دارد اما پشتکار دارای 23 دوربین است که چند تای آن ها از ورود مریخ نورد فیلم گرفتند و روند فرود را با جزئیات تاریخی و بی سابقه ثبت کردند.

با داشتن این ویدیو، به گفته یکی از مقامات ناسا، حالا برای کسانی که می خواهند بدانند فرود روی مریخ چگونه است، یا چرا این فرآیند تا این مقدار سخت است، دیگر احتیاجی به جست وجو نیست.

بعضی از دوربین های استقامت بیش از آنچه کنجکاوی می تواند جمع آوری کند، رنگ و تصویر سه بعدی و تصاویر باکیفیت ارائه می دهند. برای نمونه روح، فرصت و کنجکاوی همگی با دوربین های مهندسی خود، تصاویر 1 مگاپیکسلی سیاه و سفید گرفته اند که به برنامه ریزی برای رانندگی در مریخ و جلوگیری از خطرات یاری می نماید. اما دوربین های مهندسی پشتکار تصاویر رنگی با وضوح بالا و 20 مگاپیکسلی ثبت می نمایند.

بعلاوه Z در دوربین مست کم-زد مخفف Zoom است، که یکی از پیشرفت ها در این دوربین کیفیت بالا در مقایسه با کنجکاوی محسوب می گردد. میدان دید وسیع تر دوربین های استقامت به این معناست که دوربین های نو به جای صرف زمان برای گرفتن چندین عکس و اتصال آن ها به یکدیگر، همان منظره را در یک عکس ثبت می نمایند. دوربین ها بعلاوه از تاری ناشی از حرکت می کاهند، بنابراین می توانند هنگام حرکت مریخ نورد عکس بگیرند.

با این حال کیفیت بیشتر تصاویر، چالش هایی هم به همراه دارد. تصاویر دقیق تر به معنای ارسال داده های بیشتر در فضاست. عامل محدودنماینده در بیشتر سیستم های تصویربرداری، ارتباط مخابراتی است. دوربین ها می توانند داده های بسیار بیشتری نسبت به آنچه که به زمین ارسال می گردد، ثبت نمایند. بر این اساس، دوربین های مریخ نورد هوشمند به کاهش حجم داده ها یاری می نمایند. در روح و فرصت، فشرده سازی عکس با استفاده از رایانه داخلی انجام شد. در پشتکار هم مانند کنجکاوی، فشرده سازی به وسیله وسایل الکترونیکی تعبیه شده در خود دوربین صورت می گیرد.

داده های مریخ نورد استقامت به وسیله چندین فضاپیما که به دور مریخ می چرخند، به زمین می رسد. این مدارگردها شامل ادیسه مریخ ناسا، مدارگرد شناسایی مریخ (MRO) و ماون (MAVEN) برای آنالیز اتمسفر مریخ و تکامل فرار گازها و مدارگرد ردیابی گاز آژانس فضایی اروپا می شوند.

بالگرد نبوغ

بر خلاف کنجکاوی، کاوشگر استقامت در سفر به سیاره سرخ تنها نبود و یک میهمان کوچک هم آن را همراهی می کرد. بالگرد کوچک نبوغ (Ingenuity) که برای آزمایش پرواز کنترل شده روی مریخ طراحی شده است. پروازهای نبوغ امکان استفاده از جو برای کاوش های هوایی در مأموریت های آینده را نشان می دهد.

بالگرد نبوغ 1.8 کیلوگرم وزن دارد و به صورت اتوماتیک عمل می نماید. بعلاوه از انرژی خورشیدی برای شارژ باتری ها استفاده و با گرم کن های داخلی، دمای خود را در شب های سرد مریخ حفظ می نماید. نخستین پرواز پیروزیت آمیز نبوغ در 19 آوریل 2021 انجام شد که طی آن این هواگرد کوچک تا 3 متر اوج گرفت و 39 ثانیه در هوا معلق ماند. در حالی که در ابتدا، برای پنج پرواز آزمایشی برنامه ریزی شده بود.

نبوغ در طول تقریبا 3 سال فعالیت، بیش از 72 پرواز انجام داد. علاوه بر این با کاوشگر استقامت همکاری کرد تا عوارض سطحی مریخ را شناسایی و نقاط مطلوب برای کاوش را تعیین کند. پایان در 18 ژانویه 2024 و ضمن هفتاد و دومین پرواز خود، نبوغ دچار خطای ناوبری شد و در محدوده ای بدون ویژگی های تعیین فرود سختی داشت که باعث آسیب به تیغه های روتور و پایان مأموریت عملیاتی آن شد. با وجود از دست رفتن امکان پرواز، نبوغ همچنان داده های مربوط به شرایط جوی و سیستم های پروازی را به مریخ نورد ارسال و اطلاعات ارزشمندی برای مأموریت های آینده هوایی در مریخ فراهم می نماید.

سفر به مریخ

مریخ نورد استقامت 30 جولای 2020 (9 مرداد 1399) در ساعت 7:50 منطقه زمانی شرقی (16:20 به وقت ایران) از پایگاه فضایی کیپ کاناورال با موشک اطلس 5 متعلق به ULA راهی فضا شد. در طول این مدت با چالش های متفاوتی روبه رو بود، از جمله کمی پس از پرتاب برای ساعتی در حالت خواب نهاده شد اما در نهایت پس از 7 ماه به مقصد رسید.

پشتکار برای فرود از چندین فناوری فرود استفاده می کرد که در کنجکاوی وجود نداشت. برای نمونه فناوری فرود نوی به نام ناوبری بر اساس عوارض سطحی در آن به کار رفته است. هنگامی که مریخ نورد وارد آسمان مریخ شد، یک کامپیوتر به مقایسه منظره زیر فضاپیما با نقشه های سطحی از پیش بارگذاری شده پرداخت تا کاوشگر بتواند اصلاحاتی را در مسیر انجام دهد و خود را به محل فرود ایمن راهنمایی کند.

دیگر ویژگی تازه آن از اطلاعات مکان و سرعت برای معین زمان باز کردن چتر فراصوت استفاده می کرد و مح ده فرود را به بیش از نصف باریک کرد. به گفته مقامات JPL ناوبری نسبت به زمین به کاوشگر امکان می دهد به مکان هایی برود که برای کنجکاوی بسیار خطرناک بودند و فناوری معین زمان باز کردن چت هم باعث می گردد مریخ نورد به منطقه ها هدف برای مطالعه علمی نزدیک تر گردد؛ به مقدار ای که احتمالا یک سال حرکت مریخ نورد می توانست انجام دهد.

استقامت اما از همان استراتژی ورود، تقرب و فرود (EDL) استفاده کرد که کنجکاوی کمتر از یک دهه پیش انجام داده بود. هر دو مریخ نورد با سرعت بسیار زیاد وارد جو مریخ شدند و پس از اینکه اصطکاک سرعت آن ها را به مقدار کافی کاهش داد، یک چتر فراصوت به کاهش بیش تر سرعت آن یاری کرد و در نهایت به وسیله یک جرثقیل آسمانی با استفاده از موتورهای موشکی، به آرامی به خاک قرمز مریخ رسید.

مجموعه این نوع روند فرود، 7 دقیقه وحشت نام گرفته است. کل فرآیند فرود به صورت زنده به وسیله کانال یوتیوب ناسا پخش شد و مریخ نورد هم بعدا توانست فیلمی با کیفیت بالا از آخرین لحظات فرود خود ارسال کند. پایان، پشتکار در 18 فوریه 2021 (1 اسفند 1399) ساعت 15:55 منطقه زمانی شرقی (00:25 بامداد به وقت تهران) با پیروزیت روی سطح نشست.

اکتشافات و دستاوردهای کلیدی

از زمان فرود، استقامت سهم قابل توجهی در پیش برد دید بشر نسبت به مریخ داشته است. از جمله مهم ترین کشف های این مریخ نورد باید به موارد زیر اشاره نمود.

• شناسایی فعالیت های آب باستانی: شواهد نشان می دهد که دهانه جزرو، زمانی میزبان یک سامانه دریاچه و رودخانه بوده است.
  • مولکول های آلی در سنگ ها: شرلوک مولکول های مبتنی بر کربن را شناسایی نموده است که به برترین سکونت پذیری مریخ در گذشته اشاره دارد.
• مطالعات جوی: ماکسی با پیروزیت، از کربن دی اکسید، اکسیژن فراوری کرد که یک گام مهم برای مأموریت های سرنشین دار آینده است.
• جمع آوری پیروز نمونه: مریخ نورد استقامت نمونه های هسته سنگی متعددی را جمع آوری نموده است که برای بازگشت به زمین در دهه 2030 برنامه ریزی شده است.

شاید بتوان هیجان انگیزترین یافته را مربوط به تاریخچه پهنه آبی دانست که زمانی شاید حدود 3.5 میلیارد سال پیش، دهانه جزرو را پر نموده بود و اکنون مدت هاست که خشک شده است. هرچند وجود چنین دریاچه ای با یاری تصاویر مداری هم که چند سال پیش به دست آمده بود، شناسایی شده است اما پشتکار اکنون می تواند جزئیات قابل توجهی را به تاریخچه این دهانه بیفزاید.

بعلاوه در کف دهانه، مریخ نورد سنگ های آذرین را کشف نموده است که به وسیله بلوری شدن ماگما تشکیل می شوند. این یافته نشان می دهد که دهانه جزرو، پیش از پر شدن با آب، زمانی با یک دریاچه گدازه پر شده است. مدتی بعد اما آب به درون دهانه جاری شده است و دریاچه ای کم عمق را بالای صخره های آذرین شکل داده و لجن زارهای نمکی را ایجاد نموده که احتمالا زیستگاه خوبی برای هر نوعی از حیات احتمالی مریخی بوده است.

سپس سال ها بعد دریاچه عمیق تر شده است و در این زمینه شواهدی از رودخانه ای با جریان آهسته پیدا شده است که تقریبا به همان شیوه رودخانه های زمینی، به جلو و عقب می پیچد. پایان، یک دوره طغیان هم در تاریخچه رودخانه وجود داشته که صخره های بسیار بزرگ را به داخل دهانه حمل نموده است.

همه این ها از این جهت اهمیت دارد که داستانی از یک مریخ بسیار متفاوت با امروز را روایت می نماید. زمانی که میلیاردها سال پیش، سنگ هایی که استقامت می کاود، ایجاد شدند، مریخ با آتشفشان ها، دریاچه ها و رودخانه ها محیطی پویا بود و منطقه ها قابل سکونت داشت. اما امروز به محیطی سرد، خشک و ساکت تبدیل شده است. بازگرداندن نمونه ها از مریخ شاید برترین راه برای درک این باشد که این تغییرات بزرگ چگونه در مریخ روی داده است.

منظره آینده مریخ نورد استقامت

استقامت همچنان به کاوش دهانه جزرو ادامه می دهد، ساختارهای سنگی تازه تری را آنالیز می نماید و برای مأموریت بازگردانی نمونه از مریخ (MSR) آماده می گردد. ناسا و آژانس فضایی اروپا قرار است در یک مأموریت بعدی برای بازیابی و بازگرداندن این نمونه ها و در نهایت تجزیه وتحلیل دقیق آن ها با یکدیگر همکاری می نمایند.

جمع بندی

مریخ نورد استقامت تا کنون داده های علمی بی نظیری ارائه داده است و با وجود اینکه در بازه تمدید شده مأموریت نهاده شده است، همچنان با قدرت به حرکت و کاوش در سیاره سرخ مشغول است. این کاوشگر را با فناوری های نوآورانه و اهداف علمی بلندپروازانه باید یک گام بزرگ رو به جلو در اکتشافات مریخ دانست. یافته های این کاوشگر درک ما را از تاریخ مریخ شکل می دهند و راه را برای کاوش های انسانی در آینده هموار می نمایند.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از مریخ نورد استقامت (پشتکار) و بالگرد نبوغ

Credit: NASA/JPL-Caltech

منابع: NASA, Space, Royal Museum Greenwich, Robots Guide