Ao viajar para lugares distantes, um leva com cuidado. O que você carrega deve ser abrangente, mas não tanto que seja um fardo. E quando você chegar, você deve estar preparado para fazer algo extraordinário para fazer a longa jornada valer a pena.
O artigo anterior da Space Magazine “Como você pousa em um cometa?” descreveu a técnica de pouso de Philae no cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko. Mas o que o operador de aterrissagem fará quando chegar e se instalar em seu novo ambiente? Como Henry David Thoreau disse: "Não vale a pena ir ao redor do mundo contar os gatos em Zanzibar". O mesmo acontece com o Philae, da Rosetta. Com o cenário preparado - um local de pouso escolhido e a data de 11 de novembro, o Philae lander está equipado com um conjunto de instrumentos científicos cuidadosamente pensados. Abrangente e compacto, o Philae é como um canivete suíço de ferramentas para realizar o primeiro exame no local (no local) de um cometa.
Agora, considere os instrumentos científicos sobre Philae que foram selecionados cerca de 15 anos atrás. Assim como qualquer bom viajante, é preciso definir orçamentos que funcionem como restrições à seleção de instrumentos que podem ser embalados e transportados ao longo da jornada. Havia um peso máximo, volume máximo e potência. A massa final de Philae é de 100 kg (220 lbs). Seu volume é de 1 × 1 × 0,8 metros (3,3 × 3,3 × 2,6 pés) do tamanho de um forno de quatro queimadores. No entanto, o Philae deve funcionar com uma pequena quantidade de energia armazenada na chegada: 1000 Watt-Horas (equivalente a uma lâmpada de 100 watts funcionando por 10 horas). Uma vez que a energia é drenada, ela produzirá no máximo 8 watts de eletricidade dos painéis solares para serem armazenados em uma bateria de 130 Watt-hora.
Sem nenhuma garantia de que aterrissariam fortuitamente e produziriam mais energia, os projetistas do Philae forneceram uma bateria de alta capacidade que é carregada, apenas uma vez, pelas matrizes solares da espaçonave principal (64 metros quadrados) antes da descida ao cometa. Com uma sequência inicial de comandos científicos a bordo do Philae e a energia da bateria armazenada em Rosetta, o Philae não perderá tempo para iniciar a análise - não muito diferente de uma análise forense - para fazer uma "dissecação" de um cometa. Posteriormente, eles utilizam a bateria menor, que levará pelo menos 16 horas para recarregar, mas permitirá que a Philae estude 67P / Churyumov-Gerasimenko por meses potencialmente.
Existem 10 pacotes de instrumentos científicos no Philae lander. Os instrumentos usam luz absorvida, dispersa e emitida, condutividade elétrica, magnetismo, calor e até acústica para avaliar as propriedades do cometa. Essas propriedades incluem a estrutura da superfície (a morfologia e composição química do material da superfície), a estrutura interior do P67 e o campo magnético e plasmas (gases ionizados) acima da superfície. Além disso, o Philae possui um braço para um instrumento e o corpo principal do Philae pode ser girado 360 graus em torno do eixo Z. O post que suporta Philae e inclui um amortecedor de impacto.
CIVA e ROLIS sistemas de imagem. A CIVA representa três câmeras que compartilham algum hardware com o ROLIS. A CIVA-P (Panorâmica) é composta por sete câmeras idênticas, distribuídas pelo corpo do Philae, mas com duas funcionando em conjunto para imagens estéreo. Cada um possui um campo de visão de 60 graus e é usado como detector CCD de 1024 × 1024. Como a maioria das pessoas pode se lembrar, as câmeras digitais avançaram rapidamente nos últimos 15 anos. Os criadores de imagens da Philae foram projetados no final dos anos 90, perto do estado da arte, mas hoje são superados, pelo menos em número de pixels, pela maioria dos smartphones. No entanto, além do hardware, o processamento de imagens no software também avançou e as imagens podem ser aprimoradas para dobrar sua resolução.
O CIVA-P terá a tarefa imediata, como parte da sequência de comando autônoma inicial, de inspecionar todo o local de pouso. É fundamental para a implantação de outros instrumentos. Ele também utilizará a rotação do eixo Z do corpo Philae para levantamento. O CIVA-M / V é um gerador de imagens microscópico de 3 cores (resolução de 7 mícrons) e o CIVA-M / I é um espectrômetro de infravermelho próximo (faixa de comprimento de onda de 1 a 4 mícrons) que inspecionará cada uma das amostras entregues ao os fornos COSAC e PTOLEMY antes das amostras serem aquecidas.
O ROLIS é uma câmera única, também com um detector CCD de 1024 × 1024, com o papel principal de pesquisar o local de pouso durante a fase de descida. A câmera é fixa e apontando para baixo com uma lente ajustável de foco de f / 5 (relação f) com um campo de visão de 57 graus. Durante a descida, é definido como infinito e captura imagens a cada 5 segundos. Seus componentes eletrônicos compactam os dados para minimizar o total de dados que devem ser armazenados e transmitidos à Rosetta. O foco será ajustado imediatamente antes do touchdown, mas a câmera funciona no modo macro para pesquisar espectroscopicamente o cometa imediatamente abaixo de Philae. A rotação do corpo de Philae criará um "círculo de trabalho" para o ROLIS.
O design multifuncional do ROLIS mostra claramente como cientistas e engenheiros trabalharam juntos para reduzir o peso, o volume e o consumo de energia, além de tornar possível o Philae e, junto com a Rosetta, se encaixar nos limites de carga útil do veículo de lançamento, nas limitações de energia da energia solar. pilhas e baterias, limitações do sistema de comando e dados e transmissores de rádio.
APXS. Isto é um Espectrômetro de raios X Alpha Proton. Este é um instrumento quase obrigatório do canivete suíço do cientista espacial. Os espectrômetros APXS se tornaram um elemento comum em todas as missões da Mars Rover e a Philae é uma versão atualizada da Mars Pathfinder. O legado do projeto APXS são os primeiros experimentos de Ernest Rutherford e outros que levaram à descoberta da estrutura do átomo e da natureza quântica da luz e da matéria.
Este instrumento possui uma pequena fonte de emissão de partículas Alpha (Curium 244) essencial para sua operação. Os princípios da dispersão de partículas alfa de Rutherford são usados para detectar a presença de elementos mais leves, como hidrogênio ou berílio (aqueles próximos a uma partícula alfa em massa, um núcleo de hélio). A massa dessas partículas elementares mais leves absorverá uma quantidade mensurável de energia da partícula Alpha durante uma colisão elástica; como acontece em Rutherford, espalhando de volta perto de 180 graus. No entanto, algumas partículas alfa são absorvidas ao invés de refletidas pelos núcleos do material. A absorção de uma partícula Alpha causa a emissão de um próton com uma energia cinética mensurável que também é exclusiva da partícula elementar de onde veio (no material cometário); isso é usado para detectar elementos mais pesados, como magnésio ou enxofre. Por fim, os elétrons da camada interna do material de interesse podem ser expelidos pelas partículas Alfa. Quando os elétrons das camadas externas substituem esses elétrons perdidos, eles emitem um raio-X de energia específica (quantum) que é única para a partícula elementar; assim, elementos mais pesados, como ferro ou níquel, são detectáveis. APXS é a personificação da física de partículas do início do século XX.
CONSERTO. Experiência de som do núcleo COmet por transmissão de ondas de rádio, como o nome sugere, transmitirá ondas de rádio para o núcleo do cometa. O orbitador Rosetta transmite ondas de rádio de 90 MHz e, simultaneamente, o Philae fica na superfície para receber com o cometa que reside entre eles. Consequentemente, o tempo de viagem através do cometa e a energia restante das ondas de rádio é uma assinatura do material através do qual ele se propagou. Muitas transmissões e recepções de rádio do CONSERT através de uma infinidade de ângulos serão necessárias para determinar a estrutura interior do cometa. É semelhante a como alguém pode sentir a forma de um objeto sombrio à sua frente, movimentando a cabeça esquerda e direita para observar como a silhueta muda; ao todo, seu cérebro percebe a forma do objeto. Com os dados do CONSERT, é necessário um processo complexo de desconvolução usando computadores. A precisão com a qual o interior do cometa é conhecido melhora com mais medições.
MUPUS. Sensor multiuso para ciência de superfície e subsuperfície é um conjunto de detectores para medir o balanço energético, propriedades térmicas e mecânicas da superfície do cometa e subsuperfície até uma profundidade de 30 cm (1 pé). Existem três partes principais para o MUPUS. Existe a CANETA que é o tubo penetrador. O PEN é acoplado a um braço martelado que se estende até 1,2 metros do corpo. Ele é implantado com força descendente suficiente para penetrar e enterrar a PEN abaixo da superfície; são possíveis vários golpes de martelo. Na ponta ou âncora do PEN (o tubo penetrador) encontra-se um acelerômetro e o PT100 (termômetro de resistência de platina) padrão. Juntos, os sensores de ancoragemdeterminar o perfil de dureza no local de pouso e a difusividade térmica na profundidade final [ref]. À medida que penetra nas superfícies, mais ou menos a desaceleração indica material mais duro ou mais macio. A PEN inclui uma série de 16 detectores térmicos ao longo de seu comprimento para medir temperaturas abaixo da superfície e condutividade térmica. A PEN também possui uma fonte de calor para transmitir calor ao material cometário e medir sua dinâmica térmica. Com a fonte de calor desligada, os detectores no PEN monitoram o balanço de temperatura e energia do cometa quando ele se aproxima do Sol e aquece. A segunda parte é o MUPUS TM, um radiômetro no topo da PEN que mede a dinâmica térmica da superfície. O TM consiste em quatro sensores de termopilha com filtros ópticos para cobrir uma faixa de comprimento de onda de 6-25 µm.
SD2 O dispositivo de broca e distribuição de amostras penetrará na superfície e subsuperfície a uma profundidade de 20 cm. Cada amostra recuperada terá alguns milímetros cúbicos de volume e será distribuída em 26 fornos montados em um carrossel. Os fornos aquecem a amostra que cria um gás que é entregue aos cromatógrafos e espectrômetros de massa que são COSAC e PTOLEMY. Observações e análises dos dados APXS e ROLIS serão usadas para determinar os locais de amostragem, todos os quais estarão em um "círculo de trabalho" a partir da rotação do corpo do Philae em torno de seu eixo Z.
COSAC Amostragem e composição de cometas experimentar. O primeiro cromatógrafo a gás (GC) que eu vi estava em um laboratório da faculdade e estava sendo usado pelo gerente do laboratório para testes forenses no departamento de polícia local. A intenção de Philae é nada menos do que realizar testes forenses em um cometa a centenas de milhões de quilômetros da Terra. Philae é efetivamente o espião de Sherlock Holmes e Sherlock é todos os pesquisadores de volta à Terra. O cromatógrafo a gás COSAC inclui um espectrômetro de massa e mede as quantidades de elementos e moléculas, particularmente moléculas orgânicas complexas, que compõem o material do cometa. Enquanto o primeiro laboratório que vi foi mais próximo do tamanho de Philae, os dois em Philae são do tamanho de caixas de sapatos.
PTOLOMEU. Um analisador de gases evoluídos [ref], um tipo diferente de cromatógrafo a gás. O objetivo do Ptolomeu é medir as quantidades de isótopos específicos para derivar as razões isotópicas, por exemplo, 2 partes de isótopo C12 a uma parte C13. Por definição, os isótopos de um elemento têm o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons em seus núcleos. Um exemplo são os 3 isótopos de carbono, C12, C13 e C14; os números são o número de nêutrons. Alguns isótopos são estáveis, enquanto outros podem ser instáveis - radioativos e decaem para formas estáveis do mesmo elemento ou para outros elementos. O que interessa aos pesquisadores de Ptolomeu é a proporção de isótopos estáveis (naturais e não aqueles afetados ou resultantes de decaimento radioativo) para os elementos H, C, N, O e S, mas particularmente carbono. As proporções serão indicadores reveladores de onde e como os cometas são criados. Até agora, as medições espectroscópicas de cometas para determinar proporções isotópicas foram distantes e a precisão foi inadequada para tirar conclusões firmes sobre a origem dos cometas e como os cometas estão ligados à criação de planetas e à evolução da nebulosa solar, a berço do nosso sistema planetário em torno do Sol, nossa estrela. Um analisador de gás evoluído aquece uma amostra (~ 1000 C) para transformar os materiais em um estado gasoso, que um espectrômetro pode medir com muita precisão as quantidades. Um instrumento semelhante, o TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer), foi um instrumento no lander da Mars Phoenix.
SÉSAMO Experimento de sonda elétrica de superfície e monitoramento acústicoEste instrumento envolve três detectores exclusivos. O primeiro é o SESAME / CASSE, o detector acústico. Cada pé de aterrissagem do Philae possui emissores e receptores acústicos. Cada uma das pernas se revezam na transmissão de ondas acústicas (faixa de 100 Hertz a KiloHertz) no cometa que os sensores das outras pernas medirão. Como essa onda é atenuada, enfraquecida e transformada, pelo material cometário pelo qual passa, pode ser usada juntamente com outras propriedades cometárias obtidas com os instrumentos Philae, para determinar variações diárias e sazonais na estrutura do cometa a uma profundidade de cerca de 2 metros. Além disso, no modo passivo (escuta), o CASSE monitorará as ondas sonoras de rangidos, gemidos dentro do cometa causados potencialmente por tensões provocadas pelo aquecimento solar e pela ventilação de gases.
Em seguida, é o detector SESAME / PP - a sonda de permissividade. Permissividade é a medida da resistência que um material possui aos campos elétricos. O SESAME / PP entregará um campo elétrico oscilante (onda senoidal) no cometa. Os pés de Philae transportam os receptores - eletrodos e geradores de seno CA para emitir o campo elétrico. A resistência do material do cometa a cerca de 2 metros de profundidade é assim medida, fornecendo outra propriedade essencial do cometa - a permissividade.
O terceiro detector é chamado SESAME / DIM. Este é o contador de poeira do cometa. Havia várias referências usadas para compilar essas descrições de instrumentos. Para este instrumento, existe, como eu chamaria, uma bela descrição que simplesmente citarei aqui com referência. “O cubo DIM Impact Monitor (DIM) na parte superior da varanda da Lander é um sensor de poeira com três sensores piezoelétricos ortogonais ativos (50 × 16) mm. A partir da medição do pico de tensão transiente e da duração do meio contato, podem ser calculadas as velocidades e raios das partículas de poeira impactantes. Partículas com raios de cerca de 0,5 µm a 3 mm e velocidades de 0,025 a 0,25 m / s podem ser medidas. Se o ruído de fundo for muito alto ou a taxa e / ou as amplitudes do sinal de rajada forem muito altas, o sistema alterna automaticamente para o chamado modo Contínuo Médio; ou seja, apenas o sinal médio será obtido, fornecendo uma medida do fluxo de poeira. ” [ref]
ROMAP Magnetômetro e plasma Rosetta Lander O detector também inclui um terceiro detector, um sensor de pressão. Várias naves espaciais voaram por cometas e um campo magnético intrínseco, um criado pelo núcleo do cometa (o corpo principal) nunca foi detectado. Se existir um campo magnético intrínseco, é provável que seja muito fraco e seria necessário um pouso na superfície. Encontrar um deles seria extraordinário e viraria teorias sobre cometas em suas cabeças. Baixo e eis que o Philae possui um magnetômetro fluxgate.
O campo magnético (B) da Terra ao nosso redor é medido nos 10s de milhares de nano-Teslas (unidade SI, bilionésimo de um Tesla). Além do campo da Terra, os planetas, asteróides e cometas estão imersos no campo magnético do Sol, que, perto da Terra, é medido em dígitos únicos, de 5 a 10 nano-Tesla. O detector de Philae tem um alcance de +/- 2000 nanoTesla; uma faixa just in case, mas prontamente oferecida por fluxgates. Tem uma sensibilidade de 1/100 da nanoTesla. Então, ESA e Rosetta vieram preparadas. O magnetômetro pode detectar um campo muito pequeno, se estiver lá. Agora vamos considerar o detector de plasma.
Grande parte da dinâmica do Universo envolve a interação de gases ionizados por plasma (geralmente faltando um ou mais elétrons, portando uma carga elétrica positiva) com os campos magnéticos. Os cometas também envolvem essas interações e o Philae carrega um detector de plasma para medir a energia, a densidade e a direção dos elétrons e dos íons carregados positivamente. Os cometas ativos estão liberando essencialmente um gás neutro no espaço, além de pequenas partículas sólidas (poeira). A radiação ultravioleta do Sol ioniza parcialmente o gás cometário da cauda do cometa, ou seja, cria um plasma. A alguma distância do núcleo do cometa, dependendo de quão quente e denso esse plasma seja, há um impasse entre o campo magnético do Sol e o plasma da cauda. O campo B do Sol está em volta da cauda do cometa, como um lençol branco pendurado sobre um truque ou tratamento de Halloween, mas sem buracos nos olhos.
Portanto, na superfície de P67, o detector ROMAP / SPM da Philae, os analisadores eletrostáticos e um sensor Faraday Cup medem elétrons e íons livres no espaço não tão vazio. Um plasma "frio" envolve o cometa; O SPM detectará energia cinética de íons na faixa de 40 a 8000 elétron-volts (eV) e elétrons de 0,35 eV a 4200 eV. Por último, mas não menos importante, o ROMAP inclui um sensor de pressão que pode medir pressão muito baixa - um milionésimo ou um bilionésimo ou menos que a pressão do ar que desfrutamos na Terra. É utilizado um medidor de vácuo Penning que ioniza o gás neutro principalmente próximo à superfície e mede a corrente gerada.
A Philae levará 10 conjuntos de instrumentos para a superfície de 67P / Churyumov-Gerasimenko, mas no total os dez representam 15 tipos diferentes de detectores. Alguns são interdependentes, ou seja, para obter determinadas propriedades, é necessário vários conjuntos de dados. A aterragem de Philae na superfície do cometa fornecerá os meios para medir muitas propriedades de um cometa pela primeira vez e outras com uma precisão significativamente maior. Ao todo, os cientistas chegarão mais perto de entender as origens dos cometas e sua contribuição para a evolução do Sistema Solar.
