Medziplanetárny lov pokladov

Vedci považujú získavanie vzoriek z Marsu za medziplanetárny lov pokladov. Podľa Slovníka slovenského jazyka pod slovom poklad treba chápať predmety z drahého kovu a z drahých kameňov, drahocenné predmety, klenoty.

Niektoré významné inštitúcie, štáty či šťastní jedinci sa môžu pýšiť kameňom z Mesiaca. Relatívne neveľký počet mesačných vzoriek z nich robí taký drahocenný predmet, takže niet divu, že sa na čiernom trhu predáva za milióny dolárov. Za ešte cennejší zberateľský poklad sa považujú horniny z Marsu. Tých niekoľko, ktoré sú k dispozícii, sa na Zem dostali vesmírnou poštou. Ani červená planéta totiž nebola (a nie je) uchránená pred dopadom meteoritov, po ktorom vystrelí väčšie množstvo prachu a kamenia do atmosféry. Niektoré z nich dosiahli únikovú rýchlosť z Marsu, pričom niekoľko kúskov dopadlo aj na Zem. Najznámejší z nich je ALH 84001 nájdený v roku 1984 v Antarktíde. V americkom Národnom úrade pre letectvo a vesmír (NASA) a v Európskej vesmírnej agentúre (ESA) sa rozhodli, že nebudú čakať na prirodzenú, ale predsa len veľmi, veľmi sporadickú vesmírnu poštu z Marsu, ale že marťanské vzorky dopravia na Zem vlastnou poštou.

Robotická misia

Keďže vybaviť rôzne sondy smerujúce na Mars prístrojmi tých najlepších pozemských laboratórií, ktoré by zabezpečili kompletnú analýzu vzoriek priamo na mieste, nie je v súčasnosti možné, v americkej NASA sa rozhodli najskôr v roku 2026 odštartovať misiu Mars Sample Return (MSR; doprava vzorky z Marsu). Cieľom misie je, ako už jej názov napovedá, fyzicky priniesť z Marsu prvé vzorky. Ide o skutočne ambiciózny plán, pretože doteraz ani jedna kozmická sonda nedoniesla vzorky z inej planéty. Komplexná robotická misia bude vyžadovať viac čiastkových misií, ktoré budú náročnejšie a pokročilejšie ako akékoľvek robotické misie predtým. Na pristátie, nájdenie vzoriek, ich zozbieranie, uskladnenie a dodanie na Zem budú potrebné tri štarty. V rámci misie NASA Mars 2020 sa bude skúmať povrch Marsu a dôsledne dokumentovať a ukladať súbor vzoriek do puzdier, ktoré sa dopravia na Zem. Misia sa bude skladať zo stacionárnej pristávacej plošiny, robota na dopravu vzoriek a z rakety s puzdrom so vzorkami, ktorá opustí obežnú dráhu Marsu a pristane na Zemi.

Inteligentný vytrvalec

Misiou Mars 2020 sa vlastne nepriamo začala aj misia MSR. V rámci Mars 2020 sa 30. júla 2020 o 11:50 h svetového času vydalo na svoju cestu k Marsu robotické vozidlo Perseverance (Vytrvalosť), ktoré by malo 18. februára 2021 pristáť na červenej planéte v kráteri Jezero. Cieľom Perseverance bude pomocou sústavy Sample Caching System, ktorá je v prednej časti rovera, zozbierať vzorky a uložiť ich do 43 puzdier upevnených na bruchu vozidla. Puzdra sú zbavené akýchkoľvek zo Zeme pochádzajúcich organických látok, aby sa nemohli narušiť budúce analýzy. Sample Caching System má za úlohu autonómne vŕtať do kameňov na Marse, vyňať nedotknuté jadrá vrtov a uložiť ich do hypersterilných puzdier, hermeticky ich uzavrieť a potom ich uložiť, uviedol hlavný inžinier rovera Perseverance Adam Steltzner z kalifornskej spoločnosti Jet Propulsion Laboratory (JPL), ktorá sa zaoberá vývojom pohonných jednotiek pre sondy a lietadlá NASA.

Sample Caching System sa skladá z troch robotických mechanizmov. Prvým je dvojmetrová robotická ruka. Jej prednú časť tvorí pohyblivá hlavica, ktorá má okrem vedeckých prístrojov aj príklepovú vŕtačku na vŕtanie marťanských kameňov. Druhým robotom je zariadenie, ktoré vyzerá ako malý lietajúci tanier – bit carousel. Ide o akýsi otočný držiak nástavcov a funguje ako centrálny bod všetkých presunov vzoriek. Postará sa o presun puzdier (v tvare trubíc) naplnených vzorkami do útrob vozidla, kde na ne bude čakať ďalšie spracovanie. Zachytenie puzdier, ktoré pošle karusel, a ich presun medzi skladiskom a dokumentačným oddelením, bude mať na starosti tretie robotické zariadenie – pol metra dlhá ruka. Všetky tri roboty musia fungovať úplne presne, dokonca lepšie ako švajčiarske hodinky, a to doslova. Typický strojček švajčiarskych hodiniek totiž tvorí takmer 400 častí, ale počet všetkých súčiastok Sample Caching System prevyšuje číslo 3 000. Je to najkomplikovanejší a najsofistikovanejší mechanizmus, aký sme kedy postavili, otestovali a pripravili na kozmický let, dodal A. Steltzner.

Sofistikovaná procedúra

Ako bude v skutočnosti prebiehať odber vzoriek približuje hlavný tvorca rovera Perseverance: Po tom čo príklepová vŕtačka odoberie vzorku – jadro vrtu, hlavice na ramene sa otočia a spoja sa s jedným zo štyroch dokovacích kužeľov na karuseli. Ten sa otočí a vrták s puzdrom naplneným vzorkami sa dostanú do útrob rovera, kde sa ich môže ujať rameno na manipuláciu so vzorkami. Rameno vyjme naplnené puzdro so vzorkou z vrtáka pripojeného ku karuselu a premiestni ho na snímkovacie stanovište. Tam dôjde k nasnímaniu kamerou umiestnenou v útrobách Sample Caching System. Po nasnímaní puzdra so vzorkou ju malé rameno premiestni na miesto, kde sa určí jej objem. Následne na vzorku zatlačí piest, ktorý tak určí, koľko materiálu sa v nej nachádza. V ďalšom kroku systém uloží puzdro do utesňovacej stanice, kde sa príslušný mechanizmus postará o hermetické utesnenie pomocou špeciálnej zátky. Záverečná fáza spočíva v uskladnení puzdra so vzorkou. S novou vzorkou sa celý proces opakuje. Celkovo sa ráta s viac než tridsiatimi vzorkami hornín, ktoré Perseverance pozbiera, uzavrie ich do hermeticky tesných puzdier a získané informácie odloží na strategické miesta do vyrovnávacej pamäte. Dostať puzdra so vzorkami na Zem bude už náplňou misie MSR.

Marťanský špeditér

Podľa plánov by mala NASA v júli 2026 v rámci misie MSR zabezpečiť štart pristávacieho modulu Sample Retrieval Lander, ktorý ponesie aj návratový modul Mars Ascent Vehicle (MAV). Lander by mal pristáť blízko miesta, kde Perseverance zanechá vzorky. Po pristátí vyjde z landera rover, ktorý bude spoločným dielom ESA a kanadských inžinierov. ESA vybrala na tento krok na dlhej ceste marťanskej vzorky na Zem vozidlo firmy Airbus. Tá má okrem toho za úlohu koordinovať súčinnosť európsko-kanadského vývoja. Vozidlo označované ako Sample Fetch Rover sa bude musieť pohybovať autonómne a tiež musí zvládnuť detegovať puzdrá so vzorkami, ktoré predtým odoberie a uloží Perseverance. No jeho jedinou úlohou, ako to naznačuje už názov vozidla (fetch sa dá preložiť ako doniesť), je zhromaždiť puzdrá so vzorkami a dopraviť ich naspäť na pristávaciu platformu. Tam ho bude čakať návratový MAV, ktorý bude schopný dosiahnuť marťanskú orbitu. V MAV už bude pripravený kontajner veľkosti basketbalovej lopty a doň Sample Fetch Rover uloží puzdrá so vzorkami. Európsko-kanadský rover prejde 15 až 20 km, denne asi 200 metrov, pričom bude autonómne vyhľadávať a zbierať až 36 odložených puzdier s pripravenými vzorkami. V simulovanom prostredí Marsu sa už testovali pokročilé algoritmy využívajúce údaje z kamier na vozidle. Tieto algoritmy majú rozoznať puzdro a určiť jeho presnú pozíciu, dokonca aj keď bude pokryté prachom Marsu. Inžinieri ESA navrhujú robotickú ruku a úchopový mechanizmus, ktorý sa postará o zachytenie puzdier. Návrh rovera nie je definitívny a ešte bude prechádzať mnohými úpravami.

Stačí malá raketka

Keď rover uloží puzdrá so vzorkami do špecializovaného manipulačného zariadenia návratového modulu MAV, ten sa vydá na cestu – na obežnú dráhu Marsu. Keďže gravitácia Marsu predstavuje len 38 % tej pozemskej, rakety opúšťajúce červenú planétu môžu byť oveľa menšie. Preto dvojstupňová raketa MAV nie je vyššia ako 2,8 metra a má priemer do 57 cm. Jej celková hmotnosť pri štarte nepresiahne 400 kg, pričom do toho patrí aj 14 až 16 kg nákladu vzoriek. Odborníci z Marshallovho strediska v Huntsville v Alabame sa rozhodli, že pre MAV je tou najlepšou voľbou dvojstupňový nosič na tuhé pohonné látky. Predtým NASA zvažovala použitie jednostupňového hybridného pohonného systému, ktorý by využíval tuhé palivo na báze vosku v kombinácii s kvapalným okysličovadlom. Napokon sa však konštruktéri rozhodli pre dvojstupňovú raketu na tuhé pohonné látky, pretože kvapalné by sa kvôli krátkemu času skladovateľnosti museli vyrobiť krátko pred štartom, čiže priamo na Marse, čo by bolo priveľmi komplikované a náročné. No ani použitie tuhého paliva nebude také jednoduché, pretože súčasné tuhé raketové palivá zle znášajú nízke teploty, ktorým by boli na Marse vystavené. Hneď ako sa dokončia povrchové činnosti, teda uloženie puzdier, dôjde k zážihu motorov MAV, uviedol vedúci inžinier misie Mars Sample Return v JPL Austin Nicholas. Na štart rakety so vzorkami sa bude prizerať zberné vozidlo Sample Fetch Rover, ktoré zostane na povrchu Marsu. Ďalší divák by mohol byť aj rover Perseverance, ak v tom čase bude ešte funkčný.

Smer Zem

MAV si na obežnej dráhe Marsu prevezme sonda ESA Earth Return Orbiter (ERO). Sonda ERO má po prílete k Marsu použiť svoje iónové motory, aby klesla na nižšiu obežnú dráhu. Hneď ako sa tam dostane, mala by zabezpečiť podporu komunikácie so Sample Retrieval Lander. Sonda ERO bude vybavená americkým systémom na zachytenie a uloženie vzoriek z Marsu. Na jeho obežnej dráhe prevezme od MAV schránku so vzorkami a uloží ju do návratovej schránky, ktorá má zabrániť kontaminácii. Vedci pracujú nielen na tom, aby vzorky dobre ochránili pred kontamináciou pozemskými mikróbmi, ale aj na tom, aby ochránili našu planétu pred prípadnou kontamináciou mikróbmi z Marsu. Takto chránené puzdrá v útrobách ERO opustia obežnú dráhu Marsu. ERO bude veľká kozmická loď s hmotnosťou asi šesť ton a s rozpätím krídel solárnych panelov viac ako 35 metrov. Veľké solárne panely sú potrebné pre pohonný systém kozmickej lode, ktorý jej umožní opustiť orbitu Marsu a zamieriť späť na Zem. Najdôležitejšou úlohou ERO bude dopraviť vzácny kontajner na Zem. Orbiter v atmosfére Zeme zabrzdí a bez padákov by mal najskôr v roku 2031 pristáť na púšti v americkom Utahu.

Pristátie bez padákov

Inžinieri pre túto fázu nepočítajú s použitím padákov, namiesto toho sa použije zosilnené návratové puzdro, ktoré veľkou rýchlosťou dopadne na povrch. Hoci to znie paradoxne, toto riešenie sa zvolilo z dôvodu vyššej bezpečnosti. Vzorky z Marsu totiž prináležia do najvyššej triedy planetárnej ochrany, a tak sa za nijakých okolností nesmú dostať neriadene do kontaktu s pozemským prostredím. Využitie padákov na návratovom kontajneri by aj pri zdvojenom či akokoľvek násobne zabezpečenom riešení neviedlo k 100 % istote ich správnej funkcie. Pri ich zlyhaní by tak mohlo dôjsť k poškodeniu pristávacieho kontajnera a k odhaleniu vzoriek. V takom prípade hrozí veľké riziko obojstrannej kontaminácie – mikroorganizmami zo Zeme pre vzorky a mikroorganizmami z Marsu pre Zem. Ochranný návratový kontajner by teda mal byť zostrojený tak, že sa využijú deformovateľné konštrukčné prvky, ktoré zaistia prežitie nákladu pri pristátí nepodporovanom padákovým systémom. Keď sa použije takáto zosilnená konštrukcia, potom podľa odborníkov už nijaký padákový systém nie je potrebný a navyše sa ušetrí na hmotnosti. Rovnako tak sa nepoužijú žiadne pristávacie motory, a to tiež z dôvodu istej miery nespoľahlivosti.

Ambiciózny projekt

Celý projekt sa skladá z niekoľkých misií a je naozaj ambiciózny, ale podľa predstaviteľov NASA je uskutočniteľný, aj keď jeho cena sa odhaduje na 7 miliárd amerických dolárov. Aktívne pracujeme na prvej obojsmernej ceste k inej planéte. Keď sa pozriete na základné prvky tohto projektu, tak všetky sú z veľkej časti veľmi podobné projektom, ktoré sme už robili, prípadne ide o ich rozšírenie. Úplne nová oblasť je len ochrana vzoriek a ich utesnenie, uviedol riaditeľ programu prieskumu Marsu v NASA Jim Watzin. Základom úspechu je, aby sa takáto práca od začiatku do konca vykonala v rámci spolupráce viacerých inžinierskych tímov. Preto je potrebná intenzívna spolupráca medzi ESA, Laboratóriom prúdového pohonu NASA, ktoré navrhuje pristávací modul, a priemyselným konzorciom, ktoré vedie Airbus, uviedol systémový a technologický inžinier ESA Ludovic Duvet, ktorý je zároveň vedúcim programu Sample Fetch Rover. Program dovezenia vzoriek z Marsu na Zem predstavuje zásadnú medzinárodnú spoluprácu na dosiahnutie skutočného svetového prvenstva v kozmickom prieskume, dopĺňa L. Duveta projektový manažér Sample Fetch Rover v Airbuse Ben Boyes.

BP, R, foto NASA, ESA