Editysaskel: Insight-luotain laskeutui Marsiin

NASAn uusin Mars-luotain Insight on laskeutunut onnistuneesti Marsin Elysium tasangolle, lähelle Marsin ekvaattoria planeetan länsiosassa. Avaruusmatka oli kestänyt noin puoli vuotta, sillä matkaan luotain laukaistiin toukokuun 5. päivänä Ilmavoimien Vanderbergin laukaisukeskuksesta Kaliforniasta.

Insight-luotain Marsin pinnalla. Havainnekuva NASA.

Laskeutuminen oli koko lennon vaikein vaihe, sillä se on monivaiheinen ja kaikkien laitteiden täytyy suoriutua tehtävästään täydellisesti. Luotain saapui Marsin ilmakehään hyvin suurella nopeudella (5,5 km/s). Vaikka Marsin ilmakehä on tiheydeltään vain 1 % maapallon ilmakehästä, se vastustaa samalla tavalla avaruudesta putoavien kappaleiden liikettä. Ilman kompressoituu ja kuumentaa laskeutuvan luotaimen ympärillä olevia kaasuja useiden tuhansien asteiden lämpötilaan ja tältä kuumuudelta tutkimuslaitteisto oli suojattu lämpökilvillä.

Lämpökilven etureuna kohtaa suurimman kuumuuden, jolloin se kuumenee korkeaan lämpötilaan. Lämpökilpi on kuitenkin ablatiivinen eli se haihtuu ja kuten tunnettua, haihtuminen sitoo lämpöä. Näin tässäkin tapauksessa, lämpökilven haihtuminen ja kuluminen mahdollisti hyötykuorman säilyvän toimintakuntoisena ja lämpötilaltaan normaalina.

Lämpökilvin suojattuna luotain laskeutui Marsin ilmakehässä yliääninopeudella, kunnes vauhti oli alentunut riittävästi, jotta laskuvarjo voitiin avata. Tämä tapahtui noin 11 km korkeudessa, jolloin laskeutumisnopeus oli noin 385 m/s. Heti laskuvarjon avauduttua, nyt tässä vaiheessa ylimääräisenä painolastiksi muuttunut lämpösuoja poistettiin noin 10 km korkeudella ja laskutelineinä toimivat luotaimen kolme jalkaa vapautettiin. Laskeutumistutka käynnistyi noin 6 km korkeudella.

Laskeutumisen viimeinen vaihe käynnistyi siinä vaiheessa, kun laskeutuminen oli edennyt noin 1 km korkeuteen. Laskeutumisvauhti oli pudonnut tässä vaiheessa noin 60 m/s. Silloin laskuvarjo ja siihen vaijerilla kiinnitettynä ollut yläpuolinen lämpösuoja irtosivat. Välittömästi tämän jälkeen luotaimen kaksitoista jarrurakettia käynnistyi. Jarruraketteja pystyttiin säätämään lennon edistyessä ja itse luotainta käännettiin niin, että aurinkopaneelit tulivat mahdollisimman edulliseen asentoon (itä-länsisuuntaan) sähköenergian turvaamiseksi. Oikea asento varmisti, että luotaimen työkalut kuten käsivarsi ei varjosta paneeleita.

Laskeutumisvauhti oli 7,7 m/s noin 50 metrin korkeudella ja lähestyminen tapahtui vakionopeudella. Kosketus Marsin pintaan tapahtui vielä hitaammalla vauhdilla noin 15 sekuntia myöhemmin. Kohtaamisnopeus oli noin 2,24 m/s ja se otettiin vastaan laskutelineiden iskunvaimennuksen avulla.

Kaikki edellä kerrotut toimenpiteet olivat ohjelmoitu luotaimen päätietokoneeseen, sillä yhteys Maahan pitkän viiveen vuoksi ei ollut mahdollinen. Lisäksi tulipallona ilmakehään syöksyvä luotain ei olisi edes saanut syntymään minkäänlaista radioyhteyttä, sillä hehkuva ja sähköäjohtava plasma toimii erittäin tehokkaana radioyhteyksien estäjänä.

Laskeutumista seurattiin kahdella pienoisatelliitilla (CubeSat) MarCO-A ja MarCo-B, jotka vietiin avaruuteen samalla kantoraketilla kuin Insight-luotainkin. Pienoissatelliitit ovat 10 cm sivunmittaisia kuutioita ja tarvitsemansa sähköenergia ne saavat avattavista aurinkopaneeleista. Niiden erikoisuus on tietoliikenteeseen käytetty antennijärjestelmä, joka on muodoltaan taso. Antennin rakenteen ansiosta radiolähetys on hyvin suunnattua, joten pienoissatelliitti ei tarvitse massiivista ja suhteellisen tehotonta lautasantennia tietoliikenteeseensä.

X-bandin tasoantenni ei ole ainoa antenni, vaan laitteessa on myös avattava UHF-antenni, jonka avulla satelliitti seurasi Insight-luotaimen laskeutumista. UHF-laitteisto pystyi vain ottamaan vastaan saapuvan signaalin mutta X-bandin laitteistossa ovat molemmat: lähetin ja vastaanotin.

Molemmissa pienoissatelliiteissa on myös kamerat, jonka laajakulmankameran kuvakentän laajuus on 139 astetta ja kapeakenttäisen kameran kuvakenttä on 6,8 astetta laaja. Kamerat on suunnattu UHF-antennin suuntaan eli kohti Marsia laskeutumisosan laskeutumisen aikaan. Kameroista MarCo-A:n kapeakenttäinen kamera todettiin toimimattomaksi heti laukaisun jälkeen, joten tältä osin matkassa oli hieman huonoa tuuria. Kaikkien kameroiden kuvan koko on vaatimattoman tuntuisesti 752 × 460 pikseliä.

Pienoissatelliitit siis mahtuvat kämmenelle, mutta niissä on paljon laitteita jo mainittujen kameroiden ja antenni-radiolaitteiden lisäksi. Satelliitin varusteisiin kuuluu suunnistamisessa käytettävä tähti-jäljitin, aurinkotunnistin, gyroskooppi ja reaktiopyörät, joiden avulla säädetään satelliitin suuntausta ja asentoa. Satelliitin propulsiojärjestelmä toimii paineistetulla kaasulla (R236FA, 

hexafluropropaania), joka on sitä samaa ainetta, jota käytetään kylmälaitteissa tai tietokonekeskusten sammutinlaitteissa. Suuttimia yhdessä satelliitissa on kahdeksan kappaletta. Satelliittien laitteiden kuntoa, lämpötilaa ja toimintaa valvottiin koko lennon ajan Maasta Marsiin. Lämpötilan säätöön satelliiteissa on lämmittimiä, useita lämpömittareita, lämpösuojia herkille laitteille ja jäähdyttimet liian lämmön poistamiseen.

Kaiken kaikkiaan pienoissatelliitit ovat täydellisiä tutkimusluotaimia, jotka oli suunniteltu lähinnä tarkkailemaan Marsin laskeutunutta Insight-luotainta laskeutumisaikana. Vaikeus siinä oli oikea ajoitus, satelliittien piti suorittaa Marsin ohilento sekunnilleen oikeassa aikataulussa, jotta niistä olisi saatu suurin mahdollinen hyöty tutkijoiden ja insinöörien käyttöön. Huomatkaa kuitenkin, että Insight-luotaimen laskeutuminen tai toiminta ei ollut mitenkään riippuvaista pienoissatelliittien toiminnasta tai olemassa olosta.

Insight-luotaimen tutkimuslaitteisto on hyvin monipuolinen. Erityisen ilahduttavaa on, että laitteistoon on saatu mahdutettua seisminen tutkimuslaitteisto, jolla voidaan jäljittää Marsissa tapahtuvia seismisiä ilmiöitä (järistyksiä) ja määrittää havaittujen järistysaaltojen suunta ja taajuus hyvin laaja-alaisesti. Seisminen laitteisto on koottu erilliseen yksikköön, joka asetetaan Matsin kamaralle työkalukäsivarren avulla.

Seisminen tutkimuslaitteisto on nostettu käsivarren avulla laskeutuneen luotaimen viereen ja lämpötilaa mittaava laitteisto on kaivautunut marsperään. Kuva NASA.

Seisminen tutkimuslaitteisto ei ole pelkästään monipuolinen seismometri, vaan se myös voi tärisyttää Marsin kamaraa. Kamaran rakenne ja liike tietysti havainnoidaan ja siitä tutkijat voivat päätellä hyvin monia asioita marsperän rakenteesta, tiheydestä ja koostumuksesta.

Toinen ja aikaisemmin Marssiin lähettämätön tutkimuslaitteisto on marsperän lämpöjakaumasta tehtävät mittaukset. Mittauslaitteiston ydin on itsekaivautuva mittauselin, joka pyrkii mittaamaan marsperän lämpöjakauman kerroksittain. Mittaus ulotetaan jopa 5 metrin syvyyteen mutta onnistuakseen sen on kaivauduttava kuitenkin vähintään 3 metrin syvyyteen.

Laitteistoon kuuluu myös lämmitin, jonka avulla tutkijat pyrkivät selvittämään marsperän lämmönjohtavuuden. Eri syvyyksistä suoritettu lämpötilamittaukset yhdessä lämmönjohtavuuden kanssa paljastavat lämpövuon suuruuden, joka virtaa kohti Marsin pintaa. Tästä puolestaan on mahdollista selvittää Marsin ytimen lämpötila ja mahdollisesti se, mikä on lämmön lähde ja sitä tietä myös Marsin sisäinen rakenne.

Kolmas lennon päätavoitteista on selvittää Marsin pyörimistä. Sen testaamiseen ei kuitenkaan tarvita erillistä laitteistoa, sillä tarvittavat tiedot saadaan koottua luotaimen ja Maan välisen radioliikenteen avulla. Marsin pyörimisakselin vähäiset muutokset näkyvät vastaanotetun signaalin taajuuden hyvin vähäisenä muutoksena. Mars prekessoi samalla tavalla kuin Maa, vaikkakin yhteen kierrokseen kuluu noin 165 000 vuotta (Maan noin 26 000 vuotta). Prekessiotutkimuksen avulla voidaan määrittää Marsin rautasydämen koko ja muita sen ominaisuuksia.

Marsin pyörimisen tarkkailuun sisältyy myös alle vuodenmittaisen nutaation havaitseminen. Nutaattio on hyvin vähäistä ja vaikea havaita. Maapallon pyörimisakselin suunta vaihtelee noin 10 metrin halkaisijaltaan olevalla alueella vuoden aikana. Marsin nutaatio on luultavasti huomattavasti vähäisempää, koska Marsin ytimen uskotaan olevan huomattavasti jähmeämpää kuin maapallon sulassa tilassa oleva ulkoydin. Aikaisempien radiotutkimusten mukaan Marsilla on erittäin tiheä ydin ja sen ulkopuolella voi olla jonkin verran sulaa. Kuinka iso kiinteä ja sula ytimet ovat, toivottavasti selviää tämän liikkumattoman luotaimen avulla.¨

Tutkijat odottavat mielenkiinnolla selvittävänsä muistuttaako Marsin rakenne enemmän Maata vai Kuuta. Kuva NASA.

Tavanomaisempia tutkimuslaitteita edustaa laitteisto, joka tekee mittauksia magneettikentästä, tuulen nopeudesta, lämpötilasta ja ilmakehän paineesta. Marsin pinnalla ei ole aikaisemmin tehty mittauksia magneettikentästä, sillä ne on aina tehty kiertoradalta.

Luotaimen ympäristöä valokuvataan kameroilla mutta mittauksia tehdään myös radiometrillä (säteilymittaus). Kamerat tuottavat kuvia, joiden avulla tutkijat pystyvät seuraamaan Marsin vuodenaikojen vaihtelun aiheuttamia muutoksia luotaimen ympäristössä.

Tulevaisuutta ajatellen Insight-luotaimeen on kiinnitetty vain 5 cm halkaisijaltaan oleva kupu, jossa on kahdeksan laserheijastinta. Heijastimet ovat rakenteeltaan sellaisia, että siihen osunut valo heijastuu tulevan valon suuntaan. Näin avaruudesta laitteeseen kohdistuneen lasersäteen avulla voidaan määrittää laitteiston tarkka sijainti. Myös muut tutkimukset ovat mahdollisia. Vastaavanlaisia heijastimia vietiin Kuuhun Apollo-ohjelman aikana ja niiden avulla on onnistuttu selvittämään mm. se, että Kuu etääntyy Maasta noin 3,82 cm vuodessa.