Marte: Il lander Insight in laboratorio
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Insight: aggiornamento esplorazione Marte.

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Prologo: volo verso Marte
Il lander Insight
Cronologia spedizioni su Marte

Volo verso Marte

Dall’articolo “Esplorazione di Luna e Marte” ad oggi c’è stata una sola spedizione verso Marte e precisamente si tratta del Lander Insight, lanciato il 5 maggio 2018 e felicemente atterrato su Marte il 26 novembre dello stesso anno.
Diciamo felicemente perché un atterraggio morbido non è affatto una cosa scontata, anche in considerazione del fatto che per poter atterrare su Marte bisogna prima arrivarci.
Allo stato attuale della nostra tecnologia il viaggio interstellare è ancora del tutto sepolto nella preistoria, mentre quello interplanetario lo si può considerare come ancora in una fase “pionieristica”.

Le nostre sonde sono lente e vengono lanciate utilizzando razzi vettori non riutilizzabili: per Insight la messa in orbita è avvenuta con l’ausilio dell’Atlas V.
Non siamo in grado di mandare sonde in qualsiasi momento, ma dobbiamo sfruttare delle “finestre temporali” ben precise. Fuori da queste Marte è troppo lontano e diventa irraggiungibile perché sarebbe necessario un eccessivo dispendio di energia e anche grosse difficoltà nelle correzioni eventuali di rotta.

Chiariamo meglio il concetto: per poter lanciare oggetti verso Marte dobbiamo sfruttare il periodo di opposizione, vale a dire quando la Terra si interpone tra il Sole e il Pianeta Rosso.
L’orbita di Marte, a differenza di quella della Terra, che è quasi circolare, è fortemente eccentrica e asimmetrica.
Mentre per la Terra afelio (massima distanza dal Sole) e perielio (minima distanza dal Sole) sono rispettivamente di 152 e 147 milioni di chilometri in media, per Marte i valori sono di 249,2 e 206,6 circa, con una differenza di oltre 40 milioni di chilometri.
Quindi l’opposizione più favorevole è quella al perielio, quando la distanza tra i due pianeti varia dai 55 ai 60 milioni di km.

Perché è necessario calcolare le “finestre” precedentemente nominate? Perché i periodi orbitali dei due pianeti sono differenti: quello della Terra dura 365,25 giorni e per Marte sono circa 687 giorni.
Questo significa che, partendo da un’opposizione perielica (che chiamiamo punto A), di cui prendiamo come riferimento le posizioni, avremo che quando la Terra avrà compiuto una rivoluzione completa  Marte invece avrà superato di poco la metà della sua e si troverà quasi in congiunzione, cioè con il Sole che si interpone tra i due pianeti.
Quando il nostro pianeta avrà fatto due giri e sarà ritornato al nostro punto di partenza, Marte avrà superato il suo riferimento di 365.25×2-687 = 43 giorni.
La Terra continuerà ad “inseguire” Marte, ma anch’esso cammina nello spazio e mentre la Terra arriverà al punto in cui Marte era 43 giorni prima, il Pianeta Rosso si sarà spostato e così via. Sarà raggiunto 780 giorni dopo la partenza dal punto A.
Si definisce periodo sinodico il tempo che occorre perché due corpi ritornino in una opposizione simile a quella di partenza, simile ma non uguale perché avviene in un punto più avanzato rispetto al punto A.
Per tornare nella posizione A invece ci vogliono circa 15 anni.

Il periodo sinodico di Marte rispetto alla Terra è di circa 780 giorni in media. Ogni 780 giorni la Terra e Marte saranno in opposizione.
Quindi le partenze per Marte devono sfruttare un intervallo di tempo di due o tre mesi attorno a questa opposizione.
Ovviamente, anche se superfluo, chiariamo che non tutte le opposizioni sono favorevoli allo stesso modo, perché variano le distanze relative.
In un futuro purtroppo ancora lontano le astronavi saranno così veloci ed i sistemi di pilotaggio così avanzati che forse tutto questo non avrà più importanza.
Nuovi tipi di carburante, certamente naturali e non chimici (si parla di sperimentazione del motore ionico), permetteranno maggiore potenza e risparmio di energia.
Magari avremo anche una serie di satelliti in orbita solare, con o senza equipaggio, con la funzione di “fari spaziali”.

I viaggi saranno regolari e continui indipendentemente dalle rispettive posizioni nello spazio, ma per il momento siamo legati alle già citate “finestre” per il minimo dispendio energetico.
Quando si pensa al lancio di un razzo si immagina che venga usata la traiettoria che sia la più diretta possibile: se i veicoli avessero un’altissima velocità magari sarebbe fattibile, ma con la velocità degli attuali mezzi di trasporto interplanetario invece non lo si può fare.
Mentre una navicella viaggia verso Marte il pianeta si sposta: il lungo tempo di percorrenza deve tenere conto di un grande spostamento e quindi la capsula deve percorrere un ramo di ellisse ed andare non dove Marte è quando essa parte, ma dove sarà quando la stessa potrà raggiungerlo. Per farlo deve effettuare un viaggio non più di 60 milioni di chilometri, ma di almeno 150 milioni di chilometri circa (o di 500 milioni, dipende dalle posizioni). 

Una volta in orbita attorno al pianeta, bisogna calcolare con estrema precisione l’angolo di impatto con l’atmosfera.
Se esso è troppo acuto, ci sarebbero degli effetti di rimbalzo e l’oggetto sarebbe catapultato nello spazio. Nell’articolo sulle parallasse (“Metodo della Parallasse – Mappe Stellari – Parsec””) abbiamo citato la sonda Juno che volutamente sfruttò questa possibilità (col Sole) per acquistare velocità nel suo viaggio verso Giove.
Se invece l’angolo è maggiore di quello opportuno, si otterrebbero effetti devastanti che dipendono dall’ampiezza dell’angolo e vanno dall’incendio distruttivo con fusione dei metalli fino alla totale disintegrazione del veicolo.
La discesa su Marte degli oggetti che attualmente riusciamo a spedire dura circa 6 minuti.

Un segnale radio in partenza da Marte ha un tempo di percorrenza che varia in base alla sua distanza dalla Terra. Considerando i lanci attuali possiamo valutare questo intervallo intorno ai 12 minuti in media. Quindi la risposta alla sonda, anche se immediata, arriverebbe non prima di 24 minuti. Considerando i 6 minuti occorrenti per la discesa, risulta subito evidente che in questa fase la Terra non può essere di nessun aiuto ed il computer di bordo deve cavarsela da solo, attivando tutti gli accorgimenti di discesa: accensione retrorazzi, apertura paracadute principale (e ausiliario se necessario), eventuali correzioni e tutto quello che serve per frenare e non schiantarsi al suolo.

Dal momento in cui una navicella entra nell’atmosfera marziana e fino a quando si posa al suolo passano, come detto, 6 minuti. Se l’atterraggio è stato morbido o meno magari si riesce a saperlo, ma solo quando il lander manda i segnali di avvenuto atterraggio senza conseguenze negative sul veicolo e in particolare sugli strumenti, si può decretare in modo assoluto la perfetta riuscita. Poiché i segnali impiegano circa 12 minuti, al centro di controllo hanno a disposizione più di un quarto d’ora (6 circa+12 circa= 18 minuti circa) durante i quali sfogliare la margherita sperando di finire col petalo buono.
M’ama, non m’ama? Facciamo scongiuri e vediamo se chiama!

Marte Insight campo di margheriteInsight a Marte:
Insight a Marte: daisies in the NASA’s meadows. US government property.

Fonte foto:
https://it.freepik.com/foto-premium/campo-di-margherite_2078371.htm

PS: La foto sopra è chiaramente uno scherzo. Ma certo nessuno ci ha creduto

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Il lander Insight.

Insight dal vocabolario viene tradotto come “intuizione”, “penetrazione”, come può essere facile intuire derivando dall’unione di “in” e “sight”.
Il nome però è un acronimo ed è stato abilmente ricavato da INterior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport, che significa “Investigazione interna usando indagini sismiche, geodetiche e trasporti di calore.
Questa frase illustra il compito che la sonda dovrà svolgere.
Il lander Insight è atterrato nella zona denominata Elysium Planitia.

Inizio resoconto N.A.S.A.
“La zona di atterraggio è una pianura liscia e piatta appena a nord dell’equatore, ed è stata scelta perché ritenuta il luogo ideale per studiare il profondo interno marziano.
La missione cerca le impronte digitali dei processi che hanno formato i pianeti rocciosi del sistema solare.
Il sito di atterraggio Elysium Planitia è stato scelto tra 22 candidati, ed è centrato a circa 4,5 gradi di latitudine nord e 135,9 gradi di longitudine est; circa 373 miglia (600 chilometri) dal sito di atterraggio di Curiosity, Gale Crater.
Le posizioni di altri lander e rover su Marte sono etichettate nella foto sottostante.

Marte: Insight e le altre sonde
Marte: Insight e le altre sonde

Fonte foto:

https://www.nasa.gov/image-feature/jpl/pia22232/insight-s-landing-site-elysium-planitia

Il successo scientifico di InSight e l’atterraggio sicuro dipendono dalla discesa in un’area relativamente piatta, con un’altezza mediamente bassa in modo da avere sufficiente atmosfera sopra il sito.
Inoltre si è posato in un’area in cui le rocce sono poche. Elysium Planitia ha la giusta superficie per gli strumenti per poter sondare l’interno profondo e la sua vicinanza all’equatore assicura che il lander a energia solare sia esposto a molta luce solare.
JPL, una divisione di Caltech a Pasadena, in California, gestisce il progetto InSight per la Direzione della missione scientifica della NASA, a Washington. Lockheed Martin Space, a Denver, ha costruito la navicella spaziale. InSight fa parte del Discovery Program della NASA, gestito dal Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, in Alabama.”
Fine resoconto N.A.S.A.

Marte: Il lander Insight in laboratorio

Marte: Il lander Insight in laboratorio

Fonte foto:
https://www.nasa.gov/jpl/pia19813/nasas-insight-lander-in-spacecrafts-back-shell

InSight è sceso su Marte protetto da uno scudo termico anteriore con il compito di assorbire il calore generato dall’attrito (siamo oltre il migliaio di gradi centigradi) e di proteggere il veicolo e i suoi strumenti dall’energia cinetica che si scarica per effetto della frenata.
Il lander aveva dei retrorazzi incorporati e quindi è atterrato autonomamente sul suolo marziano.
La missione della sonda è biennale, ma potrebbe continuare a funzionare anche dopo il periodo previsto.
La prima buona notizia sul funzionamento degli strumenti arriva dai due pannelli solari che si sono aperti regolarmente ed hanno iniziato a funzionare caricando le batterie.

Per ammissione degli stessi addetti al controllo i pannelli riescono a produrre più energia di quanto non sia previsto consumarne, e questa è una buona garanzia di efficiente funzionamento.
Lo scopo principale della missione, quello ufficialmente dichiarato, è lo studio della composizione interna di Marte per arrivare ad una teoria che spieghi la formazione dei pianeti del sistema solare.
Naturalmente esistono già delle teorie al riguardo, però nessuna di esse è in grado di spiegare in modo esaustivo l’argomento.
I suoi strumenti principali sono quindi quelli dedicati a questo studio e cioè il sismometro SEIS e la sonda HP.

SEIS: La denominazione è un acronimo e deriva dalle iniziali di “Seismic Experiment for Interior Structure”. E’ destinato quindi agli esperimenti per l’apprendimento della struttura interna. Praticamente è provvisto di sensori che saranno capaci di rilevare vibrazioni da 0,1 a 50 Hz e quindi registrerà terremoti, impatti di meteoriti, frane e perfino tempeste di sabbia.
Registrerà anche le piccole deformazioni di marea indotte dal satellite Phobos. I sensori sono saldamente ancorati all’interno di una sfera di titanio e sono frutto di una collaborazione tra N.A.S.A. e molti istituti europei di Francia, Inghilterra, Svizzera e Germania.
Essi sono meno sofisticati degli analoghi strumenti terrestri, ma validissimi per Marte e saranno fonte di utilissime notizie da elaborare.
Naturalmente è diverso il materiale con cui sono fatti perché hanno dovuto affrontare un viaggio interplanetario e poi perché saranno soggetti alle escursioni termiche marziane, molto più ampie di quelle terrestri, sia tra giorno e notte, sia tra le diverse stagioni.
Lo strumento è stato dato “in garanzia” per un intero anno marziano, pari a 668,5 sol o giorni marziani che dir si voglia, equivalenti a circa 687 giorni terrestri. Passato questo periodo dovrebbe smettere di funzionare, ma se riesce a sopravvivere più a lungo bontà sua. Non sarebbe la prima volta che strumenti inviati nello spazio funzionino oltre la stima dei costruttori. E’ chiaro che le stime di durata si fanno più ristrette per avere la garanzia del perfetto funzionamento durante il periodo previsto per le rilevazioni programmate.
Il sismometro è stato posato dal lander a mezzo di un braccio meccanico e poi coperto da una cupola protettiva.

Sonda HP3: Anche in questo caso la sigla deriva dal nome, che è Heat Flow and Physical Properties Package.
Compito di questo elemento è lo studio del sottosuolo marziano, la misurazione del calore alle varie profondità. Inoltre si cerca di individuare eventuali tracce di vita passata.
Il dodici febbraio 2019, a circa un metro di distanza dal sismografo, è stato posato HP3 e poi anch’esso ricoperto da una cupola.
Hp3 contiene una sonda perforante, che avrà il compito di scavare fino a 5 metri sotto la superficie marziana.
La penetrazione prevede discese di 50 cm seguite poi da una sosta per raffreddare lo strumento e per permettergli di inviare i dati.
Purtroppo, dopo aver scavato per i primi 30 centimetri circa, la trivella sembra aver incontrato uno strato di roccia o ghiaia ed il 5 marzo la perforazione è stata sospesa.
Questa sosta “tecnica” è dettata dalla necessità di studiare con molta attenzione le informazioni per cercare il modo di scavalcare l’ostacolo.
Al momento non si hanno notizie circa la ripresa del lavoro.
La fortuna o la sfortuna hanno sempre il loro peso anche quando la tecnologia è la più avanzata.
Certo, un disguido del genere potrebbe rendere vano lo sforzo di anni di studio e di ricerche.
Speriamo che l’operazione di perforazione possa riprendere al più presto. Intanto si può lavorare sui dati che ci sono e, tramite questi, stimare quelli che avrebbero dovuto esserci. Non è la stessa cosa, ma è pur sempre qualcosa.

Oltre ai due principali, la cui attivazione ha, tra l’altro, richiesto tempo per il posizionamento, la taratura ed altre operazioni necessarie a farli lavorare in sicurezza, a bordo del lander ve ne sono altri che hanno potuto iniziare a lavorare non appena le batterie lo hanno consentito.
R.I.S.E., Rotation and Interior Structure Experiment, ha il compito di ricevere dalla Terra e rimandare un segnale in banda X.
Tramite questo segnale sarà possibile tracciare la posizione del lander al fine di valutare l’oscillazione del Polo Nord marziano mentre il pianeta ruota attorno al Sole.
Si potrà studiare il comportamento dell’asse del pianeta e valutare la composizione del suo nucleo, stabilire la quantità di ferro presente, valutare se è liquido o meno e stimare la presenza di altri metalli oltre al ferro.
A.P.S.S., Auxiliary Playload Sensor Subsystem, un sensore di carico destinato a studiare il campo magnetico, la pressione e la temperatura.
Con tutti questi strumenti Insight fa a Marte un vero e proprio check up, come si può facilmente intuire.
Parlavamo prima di fortuna e sfortuna: uno dei sensori di questo strumento ha catturato, senza che fosse stato previsto, il rumore del vento marziano e un altro sensore ne ha misurato la velocità.
Su questo argomento la N.A.S.A. il 7 dicembre 2018 ha tenuto un’apposita conferenza stampa.
Ultima nota: la missione Insight ha subito un ritardo di due anni per problemi tecnici che non potevano essere superati in breve tempo. Ha perso così la “finestra” di lancio di minima energia del 2016 ed il tutto è stato posticipato alla “finestra” del 2018.
Per la cronaca, la prossima “finestra” favorevole ci sarà da luglio a settembre 2020.

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Cronologia delle spedizioni su Marte

Alcune precisazioni preliminari:
Termini usati per identificare i velivoli:
Flyby: modulo destinato a passare nei pressi di Marte, fare rilevazioni e poi lasciare il pianeta senza entrare in orbita o atterrare.
Orbiter: capsula destinata a rimanere in orbita attorno a Marte
Lander: veicolo senza ruote destinato ad atterrare. A bordo ci sono strumenti ed eventualmente un rover.
Rover: veicolo dotato di ruote in grado di compiere escursioni sulla superficie di Marte.
Fonti:
La fonte principale delle notizie riportate nelle finestre è la NASA (National Aeronautics and Space Administration), nonché l’ESA (European Space Agency) e l’ESI (Ente Spaziale Italiano) per i lanci della UE.
Note:
Indubbiamente Marte si sta riempiendo di frammenti delle sonde cadute e di resti di lander e rover regolarmente atterrati e che hanno compiuto la loro missione.
Poi ci sono quelli ancora attivi.
Certamente quando saremo in grado di farlo questi residui saranno raccolti e magari posti in un museo a raccontare la storia delle esplorazioni interplanetarie.
Precisazione:
L’anno 2018 ha visto un solo lancio, quello della Insight, illustrato nei paragrafi precedenti, e quindi non figura nella cronologia.
Per memoria:
Dal 1991 cessa di esistere l’U.R.S.S. (Unione Repubbliche Socialiste Sovietiche) e nasce la C.S.I. (Comunità degli Stati Indipendenti).
Le sigle sono quelle usate nella lingua italiana. 

Cronologia spedizioni: click su anno per notizie

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