ExoMars apre gli occhi per la prima volta

Prosegue senza particolari difficoltà la crociera interplanetaria delle due sonde euro-russe Trace Gas Orbiter e Schiaparelli alla volta di Marte. Gli ingegneri sono a buon punto nella verifica e nell'attivazione dei vari sistemi di volo a bordo dei due veicoli, decollati esattamente un mese fa.

Nelle scorse settimane, i sistemi di navigazione, controllo dell'assetto e comunicazione di TGO sono entrati in funzione a pieno regime. L'antenna ad alto guadagno sta operando come previsto, fornendo una velocità di trasmissione di 2 Mbit/s. Di recente, è iniziata anche la verifica dei vari strumenti scientifici a bordo delle due sonde, per assicurarsi del loro stato di salute.

Ogni stella risulta leggermente spostata rispetto alla sua versione negativa a causa della rotazione della sonda. Copyright ESA/Roscosmos/CaSSIS

"Tutti i sistemi principali sono stati attivati e verificati, comprese le comunicazioni, la navigazione, l'energia, gli inseguitori stellari e Schiaparelli, mentre i controllori di volo hanno iniziato ad abituarsi a operare questa nuova e sofisticata sonda," spiega Peter Schmitz, a capo delle operazioni.

Il 7 Aprile, la fotocamera ad alta risoluzione CaSSIS a bordo di TGO ha aperto il suo occhio robotico per la prima volta. L'immagine consiste in realtà di due diversi scatti ripresi in rapida successione. Tuttavia, a causa della rotazione della sonda, le stelle appaiono doppie, ovvero appaiono tutte leggermente spostate della stessa distanza. Per poter essere sovrapposte l'una sopra l'altra, le due immagini sono state sottratte. Ciò che vediamo è quindi la differenza tra i due scatti: le stelle presenti nella prima foto appaiono biancastre, mentre quelle della seconda appaiono nere. L'immagine ritrae una porzione casuale della volta celeste, in prossimità del polo sud. Il campo visivo è largo all'incirca 0.2 gradi. La foto originale era ben più ampia, ma è stata tagliata per rendere le stelle più facili da individuare.

"L'attivazione iniziale è stata eseguita senza problemi," spiega Nicolas Thomas dell'Università di Berna, riferendosi a CaSSIS. "Anche se non è stata progettata per osservare le deboli stelle, queste prime immagini sono molto rassicuranti. Tutto sembra dirci che saremo in grado di ottenere dei buoni dati una volta in orbita attorno a Marte."

TGO si calerà nella sua orbita finale a Dicembre 2017, dopo una serie di complesse manovre propulsive e di aerofrenaggio. Una volta sistematasi nella sua orbita finale, la fotocamera CaSSIS sarà in grado di mappare la superficie del Pianeta Rosso a una risoluzione di 5 metri per pixel. Lo strumento potrà anche scattare fotografie stereoscopiche.

Tutti gli altri strumenti scientifici a bordo di TGO hanno iniziato a raccogliere dati preliminari la scorsa settimana. Adesso, l'attenzione degli ingegneri si sposterà ai sistemi di volo e agli strumenti di Schiaparelli.

"Gli strumenti di TGO stanno lavorando bene, e gli scienziati che li operano continueranno a calibrarli lungo la strada per Marte per assicurarsi che siano pronti all'emozionante missione che ci attende," spiega Hakan Svedhem dell'ESA.

Le verifiche ai sistemi di bordo delle due sonde dovrebbero terminare fra una decina di giorni, quando ExoMars entrerà ufficialmente in fase di trasferimento interplanetario. Ad oggi, le due sonde hanno completato circa 83 dei 500 milioni di chilometri del loro lungo viaggio.

Il prossimo appuntamento è per le 14:00 ora italiana del 28 Luglio, quando ExoMars accenderà il suo motore per mezz'ora, in quella che sarà di gran lunga la più importante manovra di correzione della traiettoria. L'accensione comporterà un cambiamento di velocità di 326 metri al secondo e permetterà alle due sonde di raggiungere Marte il 19 Ottobre.

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Il programma euro-russo ExoMars si articola in due missioni da due componenti ciascuna. La prima fase ha come protagonisti la sonda Trace Gas Orbiter, o TGO, e il modulo sperimentale d’atterraggio Schiaparelli. Le due sonde, decollate alle 10:31:42 ora italiana del 14 Marzo, resteranno l’una attaccata all’altra per tutta la durata della crociera interplanetaria. Tre giorni prima di giungere a destinazione, alle 16:42 del 16 Ottobre 2016, le due sonde si separeranno. Il giorno seguente, TGO accenderà il suo propulsore principale per fare in modo di passare a una distanza di sicurezza di centinaia di chilometri da Marte.

Schiaparelli farà il suo ingresso nell’atmosfera marziana alle 16:42 del 19 Ottobre, entrando a 21 mila chilometri orari e 122.5 chilometri di quota e rallentando la propria discesa mediante aerofrenaggio. Poi, a 11 chilometri di altitudine e 1650 chilometri orari di velocità, Schiaparelli rallenterà ulteriormente la propria caduta con un paracadute. Infine, dopo la separazione dello scudo termico e del paracadute, il modulo sperimentale verrà gentilmente appoggiato sul suolo di Meridiani Planum da un sistema di 9 propulsori a idrazina che si attiveranno a 1300 metri di quota e si spegneranno a due metri dal suolo. I propulsori rallenteranno la discesa del modulo da 270 a 7 chilometri orari, permettendo a Schiaparelli di adagiarsi sul suolo a 11 km/h. In totale, la discesa durerà cinque minuti e 53 secondi circa.

Schiaparelli si limiterà a verificare il funzionamento di una serie di tecnologie di discesa ed atterraggio – materiali in grado di resistere fino a 1500 gradi centigradi, il sistema di paracadute, il sistema di altimetria radar e il sistema di propulsione a propellente liquido. Trattandosi “solamente” di una dimostrazione tecnologica, Schiaparelli non è dotato né di pannelli solari né di generatori termoelettrici a radioisotopi. Le sue batterie non gli consentiranno di superare i 2-8 giorni marziani di vita, una volta atterrato. Nonostante ciò, Schiaparelli ha comunque a disposizione una serie di strumenti scientifici. Il pacchetto DREAMS consiste in una serie di sensori in grado di misurare la velocità e la direzione del vento (MetWind), l’umidità (DREAMS-H), la pressione (DREAMS-P), la temperatura atmosferica in prossimità della superficie (MarsTem), l’opacità dell’atmosfera (SIS) e l’elettrificazione atmosferica (MicroARES). Il programma AMELIA analizzerà invece i dati raccolti dai sensori diagnostici per ricostruire la traiettoria della sonda e determinare le condizioni atmosferiche in quota. Lo strumento COMARS+, invece, monitorerà il flusso di calore durante la discesa di Schiaparelli. Infine, la fotocamera DECA documenterà la discesa con una serie di fotografie. Il modulo è dotato anche di un sistema retroriflettore che permetterà alle sonde in orbita di localizzarlo usando i laser.

Nel frattempo, lo stesso giorno dell’atterraggio di Schiaparelli, il Trace Gas Orbiter accenderà il suo motore principale a bipropellente da 424 N di spinta per inserirsi in un’orbita preliminare di 430 per 96 mila chilometri attorno a Marte. La manovra inizierà alle 15:09 ora italiana e si concluderà dopo 134 minuti, risultando in un cambiamento di velocità pari a 1550 metri al secondo. Poi, a Dicembre 2016, TGO modificherà la propria inclinazione orbitale a 74 gradi. Subito dopo, mediante ulteriori manovre a propulsione attiva, TGO abbasserà il suo apocentro, riducendo il periodo orbitale da 4 a 1 giorno marziano. Poi, nell’arco di tutto il 2017, la sonda effettuerà una serie di manovre di aerofrenaggio per calarsi a 400 chilometri di quota. A Dicembre 2017, la sonda potrà finalmente avviare la sua campagna scientifica. La sonda si concentrerà principalmente sullo studio dei gas in traccia, ovvero i gas che costituiscono meno dell’un percento dell’atmosfera marziana. Le misurazioni sulle concentrazioni di questi gas saranno fino a tre magnitudini più precise di quelli oggi a disposizione degli scienziati. TGO vanta quattro diversi strumenti o apparati scientifici: NOMAD userà tre spettrometri – due nell’infrarosso e uno nell’ultravioletto – per determinare la composizione atmosferica e mappare in particolare il metano e molte altre specie; ACS impiegherà tre strumenti nell’infrarosso per far luce sui processi chimici e sulla struttura dell’atmosfera marziana, lavorando a stretto contatto con NOMAD; CaSSIS produrrà fotografie stereoscopiche a colori con una risoluzione di 5 metri per pixel; FREND userà un rilevatore di neutroni per mappare le concentrazioni di idrogeno fino a un metro di profondità, rivelando eventuali depositi sotterranei di ghiaccio. La sonda ha una vita operativa che si estende fino alla fine del 2022.

Nel 2018 sarà il turno di un’altra coppia di sonde, stavolta entrambe dirette verso la superficie marziana. Le due sonde atterreranno assieme, usando un sistema di paracadute e propulsori perlopiù russo. Dopo essersi adagiate sul suolo marziano, le due sonde inizieranno le loro missioni separate: il rover scenderà dalla piattaforma russa e inaugurerà la sua esplorazione del Pianeta rosso, alla ricerca di materiali organici risalenti a miliardi di anni fa.

Il rover, ancora senza un nome ufficiale, sarà munito di una fotocamera panoramica (PanCam) per mappare i suoi dintorni, uno spettrometro infrarosso (ISEM) per determinare la composizione mineralogica delle rocce, una fotocamera (CLUPI) per fotografare ad alta risoluzione e a colori le rocce e gli affioramenti rocciosi da vicino, un radar (WISDOM) per ricostruire la stratigrafia al di sotto del rover, uno strumento (Adron) per cercare tracce di acqua e minerali idrati nel sottosuolo, un rilevatore di biomarcatori (MOMA), uno spettrometro (MicrOmega) per studiare i campioni raccolti e un sensore (RLS) per identificare pigmenti organici al loro interno. La punta di diamante del rover sarà però il trapano, che sarà in grado di penetrare nel suolo marziano e raccogliere campioni fino a due metri di profondità. La trivella è dotata di uno spettrometro infrarosso italiano (Ma-Miss) per caratterizzare i siti da cui prelevare i campioni. La missione prevede la raccolta di almeno 17 campioni.

La piattaforma scientifica russa sarà invece dotata di 13 strumenti: LaRa, che rivelerà i dettagli della struttura interna di Marte e misurerà variazioni nella rotazione, nell’inclinazione e nel momento angolare del pianeta in seguito a ridistribuzioni di massa (ad esempio la sublimazione delle calotte polari); HABIT, che studierà la quantità di vapore acqueo (ed eventuali variazioni) nell’atmosfera; METEO, un pacchetto meteorologico che include sensori di pressione, umidità, polveri, radiazioni e campi magnetici; MAIGRET, un magnetometro; TSPP, un sistema di fotocamere; BIP, che studierà le condizioni marziane; FAST, uno spettrometro infrarosso per studiare l’atmosfera, ADRON-EM, uno spettrometro a neutroni; M-DLS, uno spettrometro laser per studiare l’atmosfera; PAT-M, un termometro per misurare la temperatura del suolo fino a un metro di profondità; Dust Suit, che analizzerà le dimensioni e gli impatti delle polveri atmosferiche; SEM, un sismometro; MGAP, che eseguirà cromatografia liquida-spettrometria di massa.

A Ottobre, gli scienziati europei e russi hanno raccomandato Oxia Planum come sito primario di atterraggio per la missione del 2018, con Aram Dorsum e Mawrth Vallis come siti di riserva.