Aspettando Curiosity: uno sguardo agli strumenti di bordo – Parte 1

Tra pochi giorni ci sarà l’evento dell’anno, aspettato con trepidazione da molti appassionati di esplorazione spaziale: l’arrivo su Marte del Mars Science Laboratory, ribattezzato più amichevolmente “Curiosity”.

Nell’attesa dei famosi “7 minuti di terrore” , mi sono fatto un riassuntino sull’ingente carico scientifico di strumenti di questo rover.
Anche in caso di fallimento (scongiuri) ci ritroveremo quasi tutti questi sofisticati strumenti sulle sonde a venire.

 

FOTOCAMERE

MASTCAM

Le 2 “Mast Camera” o “Mastcam” di Mars Science Laboratory riprenderanno il terreno marziano con scatti a colori, ad alta e bassa risoluzione, e video (10 fps) ad alta definizione. Sono dotate di filtri monocromatici multipli intercambiabili (con un meccanismo a rotazione), adatti ad analizzare l’assorbimento della luce nelle diverse porzioni dello spettro elettromagnetico, nonché di una memoria abbastanza capiente da immagazzinare migliaia di immagini.

MAHLI

MAHLI (acronimo di MARS HAND LENS IMAGER) è un microscopio che fornirà agli scienziati una vista ingrandita di minerali, conformazione e strutture delle rocce marziane, e dello strato superficiale di polvere e detriti rocciosi. L’autofocus, di circa 4 centimetri di larghezza (1,5 pollici), consentirà alla fotocamera integrata di scattare immagini a colori di particolari fino a 12,5 micrometri, cioé più piccoli del diametro di un capello umano.

MAHLI é equipaggiata con una fonte di luce bianca, simile a quella di una torcia elettrica, e con una fonte di luce ultravioletta, simile a quelle delle lampade abbronzanti, per consentire la ripresa delle immagini sia di giorno che di notte. In particolare, la luce ultravioletta sarà utilizzata per indurre fluorescenza che permetterà di rilevare carbonato ed evaporiti, entrambi i quali confermerebbero il ruolo determinante dell’acqua nel plasmare il paesaggio su Marte. Obiettivo principale di MAHLI sarà quello di aiutare il team scientifico a comprendere la storia geologica del sito di atterraggio di MSL su Marte, e sarà fondamentale per selezionare i campioni da impiegare in ulteriori indagini.

MARDI

MARDI è una speciale fotocamera, puntata verso il basso, che sarà attivata durante le fasi finali della discesa di Curiosity verso il pianeta rosso. Il suo compito è stabilire la posizione di detriti, massi e altre caratteristiche del terreno, e questi dati saranno di vitale importanza per la pianificazione del percorso di esplorazione dopo che il Mars Science Laboratory sarà atterrato. MARDI entrerà in azione non appena verrà espulso lo scudo termico.

SPETTROMETRI

APXS

L’Alpha Particle X-Ray Spectrometer misurerà l’abbondanza degli elementi chimici nelle rocce e nei terreni. Finanziato dall’Agenzia Spaziale Canadese, APXS sarà messo a contatto con campioni di roccia e di terreno marziani, che verranno esposti a un flusso di particelle alfa e raggi X ottenuti dal decadimento del Curio contenuto nel cuore di questo strumento.

I raggi X sono un tipo di radiazione elettromagnetica, come la luce e microonde. Le particelle alfa sono nuclei di elio, composte da 2 protoni e 2 neutroni. Quando i raggi X e particelle alfa interagiscono con gli atomi del materiale di superficie, spingono gli elettroni fuori dalle loro orbite, producendo un rilascio di energia sotto forma di emissione di raggi X che possono essere misurati con rivelatori. Le energie di questi raggi X consentiranno agli scienziati l’identificazione degli elementi costituenti le rocce.

La “testa” del sensore APXS conterrà un rivelatore altamente sensibile di raggi X. Quanto più lo strumento sarà tenuto in posizione sulla superficie di un campione di roccia o di terreno, tanto più chiaramente si potranno determinare gli elementi chimici che costituiscono il campione stesso. La scansione “completa”, che rivelerà tutti i componenti dei campioni, richiederà due o tre ore, ma APXS  può effettuare anche un’esame “rapido”, della durata di una decina di minuti, tramite il quale sarà possibile rilevare i costituenti principali.

L’ APXS è progettato per lavorare in concerto con gli altri sul braccio robotico e nel corpo del Mars Science Laboratory, tra i quali anche lo strumento Chemin e il Dust Removal Tool (pennello/spazzola).

Analizzando la composizione elementare delle rocce e dei terreni, gli scienziati cercheranno di capire come le roccie si sono formate e se sono state ulteriormente modificate da vento, acqua o ghiaccio.

Le versioni precedenti dello strumento APXS, imbarcate sui Mars Exploration Rovers (Spirit e Opportunity) hanno già fornito le prove che l’acqua ha svolto un ruolo importante nel passato geologico di Marte. Due precedenti missioni su Marte montavano a bordo le versioni precedenti di Alpha Particle X-Ray Spectrometer. Il primo è stato l’ Alpha Proton X-Ray Spectrometer , lanciato per la missione Mars Pathfinder nel 1996; il secondo é stato APXS , a bordo di entrambi i Mars Exploration Rovers che sono arrivati sul pianeta rosso nel mese di gennaio 2004.

CHEMCAM

CHEMCAM (Chemistry and Camera) è uno strumento scientifico composto da un laser, un telescopio ed un analizzatore di spettro in grado di studiare le rocce che si trovano ad altezze superiori a 9 metri,  fuori dalla portata degli altri strumenti di Curiosity.
CHEMCAM produrrà un raggio laser in grado di vaporizzare le rocce anche di 1mm di area e di analizzare la composizione chimica dei frammenti liberati sotto forma di plasma.
Da 7 metri di distanza, ChemCam sarà in grado di:

• identificare rapidamente il tipo di roccia (ad esempio, se è vulcanica o sedimentaria);
• determinare la composizione dei suoli e dei ciottoli;
• misurare l’abbondanza di tutti gli elementi chimici;
• riconoscere ghiaccio e minerali con molecole di acqua nelle loro strutture cristalline;
• misurare la profondità d’azione degli agenti atmosferici sulle rocce, e fornire l’assistenza visiva durante la perforazione delle stesse.

Il  CHEMCAM è montato sul “palo” principale del robot, e può essere inclinato o ruotato come necessario per ottenere una visione ottimale della roccia.

La luce generata dal plasma verrà raccolta dal telescopio e sarà trasmessa lungo un collegamento in fibra ottica fino all’interno del rover, dove sarà divisa nelle sue lunghezze d’onda costituenti e inviata a tre spettrografi che condurranno un’accurata analisi chimica.

 

CHEMIN

CHEMIN (Chemistry & Mineralogy) è un apparato delle dimensioni di un computer portatile dedicato all’individuazione e alla misura delle abbondanze dei minerali su Marte. Una ruota rotante al centro del corpo rettangolare dello strumento porterà roccia e campioni di suolo al suo interno, dove avverrà un’analisi chimica.
I minerali sono indicativi delle condizioni ambientali che esistevano quando le roccie si sono formate. Ad esempio, olivina e pirosseno, due minerali primari del basalto, si formano quando la lava si solidifica. La Jarosite, che si trova nelle rocce sedimentarie analizzate dal rover Opportunity della NASA su Marte, é un precipitato che si forma in presenza di acqua. CHEMIN saprà distinguere tra gesso, che contiene calcio, zolfo, e acqua, dall’anidrite che è un minerale di calcio e zolfo ma senza acqua nella sua struttura cristallina.

Per preparare i campioni di roccia per l’analisi, il rover perforerà le rocce e raccoglierà la polvere risultante, che verrà setacciata e consegnata a un porta-campioni.  CHEMIN colpirà le polveri raccolte con un fascio di raggi X sottile come un capello umano. Quando il fascio di raggi X interagirà con il campione, alcuni dei raggi X saranno assorbiti dagli atomi del campione, che “brilleranno” con una fluorescenza tipica delle loro caratteristiche fisiche.

Inoltre, tramite la tecnica della diffrazione di raggi X, alcuni raggi rimbalzeranno sulle strutture cristalline con un angolo distintivo della struttura cristallina stessa contenuta nel campione. Ad esempio, se il salgemma (comune sale da tavola, o NaCl), venisse stato collocato in CHEMIN, lo strumento produrrebbe un pattern di diffrazione che identifica univocamente tale molecola.

SAM

SAM (Sample Analisys at Mars) è un massiccio strumento scientifico che occupa metà del payload scientifico del rover. È composto da un gascromatografo, uno spettrometro di massa e uno spettrometro laser, tutti strumenti che si trovano abitualmente in un laboratorio di biologia e che infatti analizzeranno automaticamente i campioni di suolo marziano che il rover estrarrà dal terreno alla ricerca di elementi e molecole tipicamente associate alla presenza di organismi viventi (idealmente simili a quelli terrestri). SAM è in grado di “fiutare” infatti varie molecole dove sono presenti carbonio (ad es. il metano), idrogeno, ossigeno e azoto.

 

RIVELATORI DI RADIAZIONE

RAD

RAD (Radiation Assessment Detector), uno strumento che ha all’incirca le dimensioni di un tostapane, è un rivelatore di radiazioni che guarderà verso il cielo, costituito da rivelatori al silicio e di un cristallo di ioduro di cesio per misurare i raggi cosmici galattici e le particelle solari che passano attraverso l’atmosfera marziana.

RAD non si limiterà a raccogliere dati sulle radiazioni provenienti dallo spazio, ma anche la radiazione secondaria prodotta dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera marziana, con le rocce superficiali ed il terreno. In questo modo si potranno valutare i rischi connessi alla futura esplorazione o colonizzazione umana del pianeta, nonché la possibilità di uno sviluppo microbico locale.

Una pila di sottili rivelatori al silicio e un piccolo blocco di cesio ioduro permetteranno di misurare le particelle cariche ad alta energia provenienti attraverso l’atmosfera marziana. Le particelle che passeranno attraverso i rivelatori perdono energia producendo impulsi di elettroni o luce. Un processore di segnale analizzerà tali impulsi per identificare e misurare l’energia di ciascuna particella.

Oltre ai neutroni che identificano raggi gamma, protoni e particelle alfa (composte da 2 protoni e 2 neutroni, identici a nuclei di elio), RAD identificherà ioni pesanti fino al ferro nella tavola periodica. Il RAD sarà leggero e ad alta efficienza energetica in modo da utilizzare al minimo le risorse energetiche del rover.

DAN

DAN (Dynamic Albedo of Neutrons) è uno strumento in grado di rilevare l’abbondanza e la profondità nel terreno di composti contenenti H e OH (idrogeno e ossigeno-idrogeno), attraverso l’uso fasci di neutroni che vengono “sparati” nel sottosuolo marziano. Lo studio dei tempi di “ritorno” di tali fasci consentiranno di accertare quantitativamente e qualitativamente l’eventuale presenza di acqua e idrogeno.

Continua…

Image credits: NASA / JPL-Caltech / MSSS – Adattamento e revisione – Marco Zambianchi