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pubblicato il 26 ottobre 2012 in spazio

La missione Curiosity e l’esplorazione di Marte

Curiosity e l’esplorazione di Marte
Ha un corpo dotato di braccia, gambe, mani, occhi e un cervello. In questo momento si sta muovendo sul Pianeta Rosso. Non è un marziano, lo sappiamo da tempo che non esistono, tantomeno si tratta di una strana forma di vita elementare. A dirla tutta, lui si occupa di scovare forme di vita elementari. Si tratta del Mars Science Laboratory, anche conosciuto come Curiosity. È un robottino, il termine tecnico è rover automatico, l’ultimo di una lunga serie di robot che sono stati inviati su Marte con il preciso compito di rispondere ad alcuni interrogativi, primo tra tutti:” Marte ospita o ha ospitato nel passato una qualche forma di vita?”.
Andiamo per gradi: conosciamo da vicino Curiosity.

Anatomia di un rover
Il Mars Science Laboratory è un rover dell’Agenzia spaziale americana (NASA). È stato lanciato da Cape Canaveral il 26 novembre 2011. Dopo un viaggio nello spazio durato oltre 8 mesi, il 6 agosto 2012 Curiosity si è tuffato nell’atmosfera di Marte e, con un’ articolata manovra degna dei migliori astronauti,  è atterrato con successo sul suolo del Cratere Gale, dove rimarrà in funzione per almeno un anno marziano (approssimativamente due anni terrestri). L’obiettivo della missione è di studiare se esistono condizioni favorevoli per la vita microbica e anche di scovare eventuali tracce di vita passata.
Curiosity è un vero gigante della sua categoria. Simile a un piccolo SUV, è lungo circa 3 metri con un peso di 900 kg (di cui 80 solo di strumentazione scientifica). È due volte più lungo e cinque volte più pesante dei due famosi rover gemelli, Spirit e Opportunity, della missione NASA Mars Exploration Rovers arrivati su Marte nel 2004.

Tre generazioni di rover marziani e i loro ingegneri. Curiosity  risulta il rover più grande fin ad ora costruito. Credit: NASA/JPL-Caltech

Tre generazioni di rover marziani e i loro ingegneri. Curiosity
risulta il rover più grande fin ad ora costruito. Credit: NASA/JPL-Caltech

Il corpo
Possiede, come se fosse un uomo, un corpo e degli speciali “organi”. Il corpo, chiamato Warm Electronics Box (WEB), è simile a un telaio molto resistente di un’automobile, in grado di proteggere i computer e tutto il sistema elettronico, l’equivalente del cervello e del cuore. Il corpo mantiene sotto controllo gli organi vitali e anche la temperatura “corporea”.

Il cervello
Per sopravvivere su Marte ci vuole cervello, e Curiosity – è il caso di dirlo – è super intelligente. A differenza degli uomini e degli animali, il suo cervello (un computer) si trova all’interno del “busto”, in un modulo chiamato Rover Compute Element (RCE). Il cervello/computer possiede una speciale memoria in grado di sopportare le radiazioni provenienti dallo spazio e di non cancellare i dati quando il rover viene spento di notte. Il sistema nervoso, che nel corpo umano gestisce l’elaborazione dei segnali bioelettrici, nel rover è rappresentato da un’interfaccia denominata BUS, che scambia dati con gli strumenti scientifici e i sensori e coordina le comunicazioni con la Terra. Il cervello registra inoltre lo stato di salute del rover, la temperatura e altri parametri vitali.

Le gambe
Curiosity possiede particolari gambe, rappresentate da 6 ruote ognuna con il proprio motore, che gli permettono di compiere movimenti precisi lungo i tre assi, grazie anche a un particolare sistema di equilibrio, rappresentato da un’unità di misurazione inerziale (IMU). Questa unità viene usata durante gli spostamenti per assicurarsi che le traversate avvengano in sicurezza e per stimare l’inclinazione del terreno. Il rover è capace inoltre di aggirare gli ostacoli autonomamente e di variare la propria velocità a seconda delle condizioni del terreno e della visibilità, muovendosi a una velocità che può raggiungere i 90 metri all’ora in navigazione automatica. Durante i due anni di missione, percorrerà circa 6 km.

Gli occhi
Come faranno gli scienziati sulla Terra a studiare il suolo di Marte? Semplice, gli occhi di Curiosity saranno i loro occhi. E nel caso di Curiosity avranno addirittura a disposizione 17 occhi rappresentati da telecamere, ognuna con specifici compiti: alcune vengono usate per la navigazione, altre per le indagini scientifiche.
Le Hazcam sono 4 paia di telecamere installate sulle parti anteriore e posteriore del rover che utilizzano luce visibile per catturare immagini tridimensionali del terreno fino a 3 metri di distanza. Esse permettono al rover di non perdersi o di non sbattere inavvertitamente contro ostacoli imprevisti. Due paia di occhi Navcam sono installate sul montante (il “collo e la testa” del rover). La telecamera di navigazione è rappresentata da una coppia di telecamere che garantiscono una visione stereoscopica, ognuna con 45 gradi di campo visivo. Esse permettono agli scienziati e agli ingegneri sulla Terra di seguire e pianificare la navigazione. Lavorano in collaborazione con le telecamere Hazcam per evitare i pericoli, fornendo una visione complementare del terreno.

La mano
Curiosity non si limita però solo a osservare. Come un vero scienziato preleva campioni del suolo e conduce analisi chimico-fisiche del terreno. Ha, infatti, anche una mano, chiamata torretta, posta alla fine del suo braccio, che trasporta un trapano, un pennello, che serve per rimuovere la polvere di roccia prodotta da un potente laser in grado di polverizzare la roccia fino a 7 metri di distanza, e una macchina fotografica per immagini ravvicinate.

Immagine della prima estensione del braccio robotico di Curiosity. L'immagine è il risultato di un mosaico di immagini ad alta risoluzione prese dalla telecamera Navcam. Il braccio è lungo 2 metri e include un torretta, una paletta per raccogliere polvere e uno spettrometro per analizzare la composizione chimiche delle rocce e del suolo marziano. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Immagine della prima estensione del braccio robotico di Curiosity. L’immagine è il risultato di un mosaico di immagini ad alta risoluzione prese dalla telecamera Navcam. Il braccio è lungo 2 metri e include un torretta, una paletta per raccogliere polvere e uno spettrometro per analizzare la composizione chimiche delle rocce e del suolo marziano. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Il rover possiede inoltre uno spettrometro in grado di analizzare la composizione chimica delle rocce e i minerali alterati dall’acqua e di rilevare composti basati sul carbonio, le sostanze organiche che rappresentano i mattoni della vita.

Un rover nucleare
Per compiere tutti i suoi esperimenti e muoversi sul solo marziano ci vuole un grande apporto di energia. Di cosa si alimenta Curiosity? Tutta l’energia necessaria a soddisfare due anni di attività sul Pianeta Rosso è fornita da un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG), come quelli impiegati dai lontani predecessori Viking 1 e Viking 2 nel 1976. Non cercate quindi pannelli solari sul suo corpo, perché Curiosity proprio non ha bisogno dell’energia del Sole, è un rover a energia nucleare. In sostanza l’RTG trasforma in energia elettrica il calore (energia termica) liberato dal decadimento radioattivo del plutonio-238. Il calore in eccesso viene inoltre impiegato per mantenere i sistemi e l’elettronica a temperature ottimali.
Una piccola curiosità: Curiosity porta con sé un pezzo d’Italia, infatti, al suo interno c’è un piccolo chip che contiene l’autoritratto di Leonardo Da Vinci e il Codice del Volo, un omaggio al grande scienziato che per primo ha studiato e descritto il volo degli uccelli.

Ricerca sul campo
Torniamo all’obiettivo della missione: cercare tracce presenti o passate di vita sul suolo di Marte.
Quando le sonde Viking nel 1976 inviarono le prime immagini del suolo marziano, si apprese che sfortunatamente Marte non ospitava una società avanzata in grado di costruire canali artificiali per raccogliere l’acqua o coltivare.
Nelle prime immagini Marte, infatti, mostrava un paesaggio desertico molto simile alla tundra terrestre. Perché allora da quel lontano 1976 si sono succedute decine di altre missioni? Perché Marte è così importante?
Marte è l’unico pianeta le cui condizioni ambientali non si discostano molto da quelle terrestri. Osservando le immagini prese dalle sonde in orbita intorno a Marte, si scopre che i poli contengono tracce di acqua ghiacciata e il suolo è ovunque solcato da canali.

Immagine ad alta risoluzione ripresa dalla sonda Mar Global Surveyor.  Si distinguono chiaramente i canali compatibili con la presenza in passato di acqua in superficie. Crediti: NASA

Immagine ad alta risoluzione ripresa dalla sonda Mar Global Surveyor. Si distinguono chiaramente i canali compatibili con la presenza in passato di acqua in superficie. Crediti: NASA

In passato quindi dovevano esserci sorgenti di acqua, il luogo più probabile dove ricercare forme di vita semplice. Il compito di Curiosity è analizzare proprio la composizione del suolo di Marte, in particolare verificando la presenza o meno di carbonio, l’elemento chiave della materia organica.
Proprio questo motivo il sito dell’atterraggio è stato selezionato molto attentamente. Curiosity, infatti, è atterrato vicino ai piedi di una montagna all’interno del cratere Gale. Gli strati di questa montagna contengono sostanze minerali che si formano in presenza di acqua ed è quindi possibile che conservino sostanze organiche. La parte del fondo del cratere dove Curiosity è atterrato è un conoide alluvionale, un accumulo di sedimenti a forma di ventaglio generati tipicamente da un corso d’acqua allo sbocco di una vallata.

Immagine del sito di atterraggio del rover della NASA Curiosity.  Il rover si trova all'interno del cratere Gale in uno zona ricca di sedimenti alluvionali. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Immagine del sito di atterraggio del rover della NASA Curiosity. Il rover si trova all’interno del cratere Gale in uno zona ricca di sedimenti alluvionali. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Fin dalle prime osservazioni Curiosity ha raccolto buoni risultati. Infatti, la prima roccia analizzata, chiamata Jake Matijevic, ha una forma e una composizione particolare, diverse da quelle studiate dai rover Spirit e Opportunity.

Immagine della prima roccia studiata da Curiosity. La forma è piramidale e la composizione chimica  ricorda quelle delle rocce vulcaniche terrestri. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Immagine della prima roccia studiata da Curiosity. La forma è piramidale e la composizione chimica ricorda quelle delle rocce vulcaniche terrestri. Crediti: NASA/JPL-Caltech

La sua composizione chimica è simile a un tipo di pietra che sulla Terra si trova spesso in regioni vulcaniche. Ma è ancora presto per dire che il processo che ha portato alla sua formazione sia lo stesso che avviene sulla Terra. Se fosse però confermato, sarebbe una grande scoperta, perché sulla Terra queste rocce si formano a seguito della solidificazione di magma relativamente ricco di acque e sotto l’azione di una forte pressione. Insomma, Curiosity è ai suoi primi passi sul Pianeta Rosso è già fa parlare di sé. Non ci resta che avere pazienza e attendere nuovi risultati.

La cronaca di 7 minuti di terrore
Dopo 8 mesi e mezzo di viaggio nello spazio, protetto da una capsula, la più grande mai entrata nell’atmosfera di un pianeta, Curiosity ha affrontato la difficile fase dell’atterraggio. Sono bastati 420 secondi, sette minuti definiti di “terrore”, per rallentare da una velocità di ingresso in atmosfera di 21.000 chilometri orari fino a posarsi delicatamente nell’area del cratere di Gale, all’equatore marziano.

Il Mars Science Laboratory, Curiosity è atterrato all'interno del cratere Gale. Il sito di atterraggio si trova  a circa 4.6 ° S e 137,4 ° E, molto vicino all'equatore del pianeta. Crediti: NASA / JPL-Caltech

Il Mars Science Laboratory, Curiosity è atterrato all’interno del cratere Gale. Il sito di atterraggio si trova a circa 4.6 ° S e 137,4 ° E, molto vicino all’equatore del pianeta. Crediti: NASA / JPL-Caltech

Sono stati 7 minuti di manovre azzardate e da brivido, in cui la sonda ha dovuto auto pilotarsi, dato che un segnale impiega circa 14 minuti per andare e tornare da Marte, distante 250 milioni di chilometri dalla Terra. A vegliare su di lui c’erano tre sonde in orbita intorno al pianeta, tra cui l’europea Mars Express, posizionate per riprendere i segnali della sonda in quei 7 minuti di solitudine.
Facciamo una rapida telecronaca dell’evento. La sonda inizia la sua discesa alla folle velocità di 21000 chilometri orari.

Sequenza della fase iniziale della discesa di Curiosity attraverso l'atmosfera marziana. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Sequenza della fase iniziale della discesa di Curiosity attraverso l’atmosfera marziana. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Curiosity si trova all’interno della sonda, protetto da un involucro detto aeroshell. L’attrito della sonda con l’atmosfera riduce la sua velocità. Lo scudo termico protegge la sonda da un’eventuale combustione. La velocità ora è di 2450 chilometri orari, equivalenti a Mach 2, cioè due volte la velocità del suono. Troppo veloce per atterrare. L’atmosfera marziana non è sufficiente a rallentare la caduta. Viene, quindi, aperto un paracadute in grado di resistere a velocità supersoniche. Pochi istanti e viene sganciata la parte inferiore della sonda e azionato un radar per misurare la quota in tempo reale.

Sequenza della fase di atterraggio seguendo la delicata procedura SkyCrane. Crediti: NASA/JPL-Caltech

Sequenza della fase di atterraggio seguendo la delicata procedura SkyCrane. Crediti: NASA/JPL-Caltech

A circa 10 chilometri dal suolo la parte superiore della sonda, ancorata al paracadute, si separa dal rover lasciandolo proseguire in caduta libera. Vengono azionati quattro coppie di propulsori, che producono circa 500 Newton di spinta a coppia.  Questo permette alla sonda anche di virare verso la zona di atterraggio. Grazie all’azione del paracadute, la sonda ora si trova ad una quota di 1,8 chilometri e viaggia a una velocità di 100 metri al secondo.
A questo punto avviene il distacco del rover dall’involucro del modulo di discesa. Rimane solo una piattaforma posizionata sopra il rover, che possiede 8 razzi in grado di frenare ulteriormente la discesa.
Curiosity si posiziona nella configurazione di atterraggio e, come avviene nel caso degli aerei, abbassa le ruote con cui toccherà il suolo. Si procede con l’atterraggio “morbido”, usando per la prima volta la tecnica della SkyCrane, una sorta di gru volante con tre briglie lunghe 7 metri, che srotolandosi, liberano il rover.
Qualche istante ci separa dell’atterraggio. Vengono staccati tutti i cavi attraverso cariche esplosive e il modulo di discesa attiva i razzi per spostarsi e schiantarsi in sicurezza lontano dal sito di atterraggio del rover. Ora Curiosity è finalmente sul suolo marziano. Che la missione abbia inizio!
Questa tecnica, che appare così complicata, è stata necessaria poiché l’atmosfera di Marte ha una densità tale da non permettere il solo utilizzo dei soli razzi per la decelerazione, poiché a tali velocità il volo diventerebbe instabile. Allo stesso tempo, l’atmosfera non è sufficientemente densa affinché si possano utilizzare con successo esclusivamente un paracadute e i sistemi di aerofrenaggio. Per finire, dato che Curiosity è molto più grande dei suoi predecessori, l’uso degli airbag non sarebbe stato sufficiente ad attutire la caduta e il risultato sarebbe stato uno schianto assicurato.

A cura di Simona Romaniello
Astrofisica e divulgatrice scientifica, per il Planetario di Torino si occupa di formazione e di sviluppo e allestimenti museali.

Con il patrocinio del Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca
 
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