Fremtiden for Mars-udforskning kan hvile på et svævefly

NASA/JPL-Caltech

I løbet af de sidste par årtier er Mars blevet den mest udforskede planet i solsystemet (efter Jorden). Det har været vært for snesevis af besøgende. Faktisk opererer otte missioner i øjeblikket på og omkring den røde planet. Den ældste af disse ankom i 2001 - Mars Odyssey orbiteren, som forventes at forblive operationel indtil 2025. Flere missioner er planlagt, da NASA og måske andre rumbureauer arbejder hen imod målet om at returnere Mars-prøver til Jorden og i sidste ende sende mennesker.

Begge disse mål vil kræve meget mere detaljerede kort over jorden. Rovers giver denne form for detaljer, men kan kun rejse et par meter om dagen. NASAs Opportunity-rover rejste imponerende 45 kilometer (28 miles) under sin mission, men det tog næsten 15 år at gøre det.

Så planetariske videnskabsmænd leder efter måder at udforske planetens overflade hurtigere. En idé er at sende et fly ind i Mars atmosfære med en motor, der er i stand til at holde det oppe. En sådan mission kunne dække store afstande, men ville være dyr og koste op mod $350 millioner.

En billigere tilgang er at piggyback på en større mission. Så en anden idé er, at en Mars-rover bærer en quadcopter, der kan overvåge det omkringliggende område. Men sådanne flyvninger vil være korte og af begrænset rækkevidde.

Det, der er brug for, er et køretøj, der er lille nok til at tage med på en anden mission og alligevel i stand til at tilbagelægge store afstande.

I dag siger Adrien Bouskela, Aman Chandra og kolleger ved University of Arizona, at de har udtænkt netop sådan en mission. Deres idé er at sende et udrevet svævefly ind i Mars-atmosfæren og holde det oppe ved at bruge termiske opstrømninger - stigende søjler af varm luft - for at opnå højde. Svæveflyet vil være oppusteligt og i stand til at pakke ind i et volumen, der er lille nok til at blive transporteret som en sekundær nyttelast på en større mission til Mars.

Først lidt baggrund. Det rumfartøj, der i øjeblikket kredser om Mars, er i stand til at optage billeder med en opløsning på 30 centimeter pr. pixel. Planetforskere er gradvist ved at samle disse til et kort over Mars-overfladen i relativt høj opløsning.

Men de har brug for billeder i højere opløsning for at planlægge fremtidige lander-missioner. Indtil nu er de fleste rovere landet på forholdsvis flade sletter, hvor chancerne for at ramme en kampesten eller krater er små. Disse områder har en tendens til at være mindre interessante videnskabeligt. I stedet vil planetgeologer elske at besøge dale og højdedrag, der ser ud til at være formet af vand. Sikker landing på sådanne steder vil kræve billeder, der er i stand til at løse små sten og kratere, der kan beskadige fartøjet ved sammenstød.

Landers giver denne form for detaljer, idet de er i stand til at tage billeder med en opløsning på 1 centimeter pr. pixel over 100 meter-området omkring dem. Men de er ikke i stand til at rejse de store afstande, der er nødvendige for at nå områder af interesse. Det er derfor, forskerne har rettet deres opmærksomhed mod flyvende maskiner.

At flyve på Mars er en vanskelig forretning. Mens tyngdekraften er lav, omkring en tredjedel af Jordens, er atmosfæren kun en hundrededel så tæt. Det gør det svært at generere løft.

Så det nye svæveflys vinger skal være enorme i forhold til dens vægt. Svæveflyet vil bære et 5-megapixel kamera, et radiokommunikationssæt, en indbygget computer og et sæt solpaneler med batterier til at opbevare nok strøm i løbet af dagen til at holde det i live om natten. Bouskela og co beregner, at ud over de oppustelige vinger og ror vil svæveflyet veje 5 kilogram - omkring massen af ​​en kongeørn.

De fortsætter med at beregne, at for at holde denne masse oppe, skal vingerne have et spænd på næsten 6 meter (20 fod) og flyve med hastigheder på omkring 100 meter i sekundet. Til sammenligning kan kongeørne holde sig oppe på Jorden med et vingefang på 2 meter, mens de flyver med 15 meter i sekundet.

Svæveflyet vil udsendes under hovedmissionens indtræden i Mars-atmosfæren og blive kastet fra hovednyttelasten i en højde af omkring 2 kilometer. En nitrogengenerator vil puste op og sætte svæveflyet under tryk på mindre end 10 sekunder, og dets vinger vil hærde i løbet af den næste time eller deromkring, efterhånden som de hærdes af Mars sollys.

Oppustelig teknologi som denne er allerede blevet testet på Mars. Både Mars Pathfinder-landeren og Mars MER-roverne var afhængige af airbags, der blev pustet op, da fartøjet dalede ned gennem atmosfæren og derefter afbødde deres sammenstød med jorden. De udvikles også til små satellitter som kommunikationsantenner, siger Bouskela og co.

En vigtig del af missionen vil være den autonome evne til at udnytte stigende strømme i Mars atmosfære. Sådanne systemer på Jorden har demonstreret evnen til at holde sig oppe i uger eller måneder.

Hvis Mars har en vindprofil som Jordens - det vil sige en lignende ændring i vindhastighed med højden - så burde en lignende tilgang også virke på den røde planet. Faktisk har holdet lavet numeriske simuleringer af denne slags flyvninger på Mars.

Resultaterne tyder på, at denne form for autonom svævning kunne holde svæveflyet oppe i lange perioder, forudsat at der er en tilstrækkelig stor ændring i vindhastigheden med højden. Mere arbejde vil være nødvendigt for at afgøre, om det faktisk er tilfældet på Mars hele året og på tværs af overfladen.

Ikke desto mindre kunne selv et par timers flyvning generere værdifulde data. Kameraet ombord ville have en jordopløsning på omkring 10 centimeter, og med en hastighed på 100 meter i sekundet kunne svæveflyet tilbagelægge mange hundrede kilometer. Svæveflyet ville sende billederne til en kredsende relæstation, såsom Mars Reconnaissance Orbiter, som derefter ville sende dem hjem.

En sådan mission kunne kaste lys over en række enestående Mars-mysterier. En af disse er de forvirrende linjer, der dannes på nogle skråninger fra Mars, når de varmes op, når sommeren kommer. Disse menes at være skabt af strømmen af ​​saltvand, men der er desperat brug for bedre observationer.

Svæveflyet kan også hjælpe med at finde potentielle landingssteder til fremtidige missioner. Mars-svæveflykonceptet, der foreslås her, giver en helt ny vej til at accelerere udforskningen af ​​Mars-overfladen til en brøkdel af prisen for tidligere Mars-flykoncepter, siger Bouskela og co.

En ting, holdet mangler, er en følelse af Hollywood. De mest succesfulde missioner er ofte dem, der producerer ikoniske billeder. Tænk på Neil Armstrong, der står ved et amerikansk flag på månens overflade, eller Elon Musks stjernemand, der kører en Tesla forbi planeten Jorden. Den slags billeder spiller en langt større rolle i den offentlige opfattelse af succes end noget dataplot.

Hvad dette svævefly har brug for, er et lille vidvinkelkamera på dets haleror eller vingespids, der sender billeder tilbage af selve køretøjet under flyvning. Pengeskuddet ville være svæveflyet, der svæver over Valles Marineris - Mars' Grand Canyon - med en Mars-sol placeret over en fremmed horisont og måske en lyseblå prik i nærheden. Faktisk har holdet skabt et billede som dette for at promovere sit køretøj!

Neil Armstrongs image kostede en betydelig del af den amerikanske økonomi. Så til en pris på kun $36 millioner - kyllingefoder til Mars-missionsplanlæggere - ville dette Mars-svævefly-billede virke ret god værdi for pengene. Og hvis Bouskela og co forventer, at den amerikanske offentlighed skal betale for denne mission, er det mindste, de kunne gøre, at sende et postkort hjem.

Ref: https://arxiv.org/abs/1902.02083 : Holdningskontrol af et oppusteligt svævefly til Mars-udforskning

skjule