Radu Mihalcea – Dezvoltarea tehnicii merge înainte

În revista Mecanicii61 au fost publicate articole pe diferite teme…dar cele cu conținut tehnic au devenit din ce in ce mai rare! Asta este o consecință atât a încetării activității noastre profesionale cât și a lipsei de informații despre tehnică din presa cotidiană…atât cea românească cât și cea din străinătate. Indiferent de atitudinea presei, dezvoltarea tehnicii merge cu pași uriași înainte…și noi – toți foști ingineri – vrem să fim informați despre ce se întâmplă în lume!

De aceea vă ofer acum o scurtă prezentare a unui proiect de vârf derulat în prezent, care va dura vreo 11 ani și este o dovadă a îndrăznelii gândirii inginerești, pusă în slujba detectării unor urme de viață pe planeta Marte. Un proiect atât de complex poate face să ne tresalte inima de emoție și de bucurie…și asta este ce vreau să vă ofer.

Proiectul MARS 2020 al agenției americane NASA (National Aeronautic and Space Administration) și al ESA (European Space Agency) prevede mai întâi identificarea și pe urmă recoltarea de asemenea probe de sol de pe planeta Marte care ar putea conține fosile ale unei vieți apuse. Probele vor fi aduse pe Pământ, pentru a fi analizate amănunțit în laboratoare dotate special.

Concomitent se vor face și cercetări privind modul în care astronauții vor putea supraviețui pe Marte: se va încerca extragerea de oxigen (respirabil) din bioxidul de carbon existent în atmosfera planetei și se va analiza modul în care condițiile locale – praful de pe sol și din atmosferă, variațiile de temperatură, gravitația mult mai redusă decât pe Pământ, radiația solară, densitatea atmosferei (cca. 1/10 din densitatea atmosferei Pământene) – pot influența prezența astronauților care vor vizita planeta Marte. Un helicopter miniatură – denumit INGENUITY (ingeniozitate)  – va efectua primul zbor dirijat de oameni pe o altă planetă și va obține datele necesare pentru crearea unor aparate de zbor ce vor fi folosite în misiunile viitoare.

Proiectul a fost anunțat oficial în decembrie 2012. Lansarea vehiculului spațial a avut loc pe 30 iulie 2020, iar amartizarea a avut loc după cinci luni și jumătate – pe 18 februarie 2021 – timp în care vehiculul spațial a parcurs 471.000.000 Km. În figura 1 este arătată traiectoria urmată de la plecarea de pe Pământ și până la ajungerea pe o orbită în jurul planetei Marte. Pe parcurs au fost efectuate șase corecturi ale traiectoriei vehiculului, notate cu TCM1 – 6.

O parte din vehiculul spațial a rămas pe orbită în jurul planetei Marte, pentru a servi drept releu de legătură în transmiterea de ordine dinspre Pământ spre Rover – vehiculul automat care va efectua cercetările pe Marte, denumit Perseverance  – și de informații de la acesta către Pământ.

Amartizarea roverului  a necesitat multă ingeniozitate datorită greutății acestuia – 1025 Kg – a sensibilității la șocuri a aparatelor științifice și datorită preciziei cu care trebuia efectuată amartizarea: roverul trebuia să ajungă într-o zonă identificată drept estuarul unui fost fluviu marțian, unde șansa de a găsi microbi sau viruși fosilizați a fost considerată ca fiind maximă.

De la despărțirea de vehiculul spațial cu care modulul marțian a venit de pe Pământ și până la intrarea în atmosfera marțiană trec 10 minute (vezi a doua poziție din figura 2). Pătrunderea în atmosfera marțiană – pe o traiectorie prevăzută dinainte – duce la încălzirea ecranului de protecție până la 1200 grade Celsius, în timp de 80 de secunde. Fricțiunea cu aerul duce și la înfrânarea modulului marțian, decelerația maximă fiind atinsa după 90 de secunde (vezi poza 4).

După alte 150 de secunde viteza modulului marțiana fost redusă atât de mult că s-a putut deschide parașuta cu un diametru de 21 m. După alte 20 de secunde s-a putut renunța la ecranul de protecție termică (vezi poza 7). După alte 10 secunde radarul de navigație al modulului este pus în funcție pentru a determina poziția exactă a modulului marțian și a permite navigația de precizie spre locul de amartizare, timp de 40 de secunde. Determinarea poziției se face prin compararea imaginii oferite de radarul modulului cu hărți ale solului marțian, elaborate dinainte: este o metodă ultramodernă de navigație, folosită pentru prima oară în cadrul acestui proiect.

20 de secunde mai târziu parașuta este detașată și modulul marțian continuă coborârea și poziționarea cu ajutorul motoarelor rachetă proprii (poza 8). Modulul se oprește la 20m de solul marțian și atunci este pusă în funcție “macaraua celestă” care coboară lin roverul Perseverence pe sol, vezi figura 3.

Modulul marțian – acum gol, lipsit de o încărcătură utilă – zboară mai departe și amartizează la distanță de rover.

Deja acest ciclu de operații reprezintă o performanță tehnică extraordinară, mai ales dacă se ține seama de faptul că totul a fost preprogramat și o intervenție de pe Pământ nu este posibilă: distanța este atât de mare încât un ordin transmis electronic cu viteza luminii are nevoie de 20 de minute pentru a ajunge la rover…O intervenție de urgență…este imposibilă!

Scheletul roverului (vezi figura 4) a fost preluat de la misiunea marțiană precedentă (Curiosity) și îmbunătățită, pentru a face față solicitărilor mai mari ale proiectului Mars 2020. Roverul nu folosește panouri solare pentru alimentarea cu energie deoarece pe acestea se poate depune praful existent in atmosfera marțiană, ceea ce le-ar reduce masiv performanța. Roverul este dotat cu un generator atomic de energie care folosește 4.8 Kg de plutoniu 238 pentru producerea a cca. 110w energie electrică. Două baterii lithium-ion asigură permanența energiei necesare funcționării roverului dar acestea trebuiesc încărcate din timp in timp prin conectarea la generator. “Creierul” roverului este asigurat de un computer cu 128 megabytes DRAM care folosește un procesor tip Power PC 750. Comunicarea cu Pământul – prin stația rămasă în orbită marțiană – se realizează cu ajutorul unei antene UHF (frecvență ultra înaltă) care transmite cu o rată (foarte mare) de 2 Mbyte/sec. Alte două antene care funcționează în banda X asigură redundanța sistemului de comunicație. Este prevăzut ca roverul să lucreze timp de un an marțian, ceea ce înseamnă cca. 687 de zile pe Pământ.

Aparatele științifice notate în figura 4 au următoarele funcțiuni:

– MASTCAM este un sistem fotografic stereoscopic, capabil să zoom-eze.

– MEDA este un set de senzori care măsoară temperatura, umiditatea, radiația, viteza și direcția vântului,  și analizează mărimea grăunțelor de praf din atmosfera marțiană.

– MOXIE este un aparat experimental pentru producerea de oxigen din CO2 existent în atmosfera marțiană. Productivitatea lui a fost de 5.4 gr. de oxigen într-o oră de funcționare. Această tehnologie urmează să fie scalată la dimensiunea necesară pentru alimentarea cu oxigen atât a cosmonauților cât și pentru a fi folosit drept combustibil al rachetelor care vor decola de pe Marte.

– PIXL este un spectrometru de fluorescență care va determina compoziția rocilor marțiene după ce acestea vor fi iradiate cu un laser.

– RIMFAX este un radar care poate penetra solul marțian și oferă informații despre densitatea diferitelor straturi și despre rocile aflate in subsol. Poate determina prezența apei în subteran până la o adâncime de 10m.

– SHERLOC are două componente:

– un laser in ultraviolet, care ajută la determinarea mineralogiei rocilor analizate și care poate contribui la detectarea componenților organici.

– un spectrometru care – și el – lucrează în ultraviolet și determină efectiv componentele solului.

– SUPERCAM este un aparat complex care fotografiază, face analiza chimice ale solului și analize mineralogice ale pietrelor masive, toate de la distanță. Este prevăzut cu două lasere – care produc volatilizarea solului sau a rocilor – și cu patru spectrometre care vor permite determinarea de la distanță a semnăturii biologice și apreciază abilitatea din trecut a locului analizat.

În afară de acestea, mai există două camere de luat vederi – în total sunt 21 de aparate de luat vederi montate pe rover – și două microfoane care vor înregistra zgomotele existente pe Martie.

La capătul brațului de 2.1 m lungime – în dreapta fotografiei – este montat un aparat care va efectua forarea în solul marțian, va produce un corp cilindric de rocă și-l va depozita in tuburi sterile de metal. Acestea vor fi transferate unui alt braț, aflat sub rover, care va asigura plasarea tuburilor într-un container cu ajutorul căruia probele de sol marțian vor fi transportate pe Pământ. Containerul va fi închis ermetic.

Roverul este dotat și cu un…helicopter miniatură care are ca scop să determine dacă…este posibilă funcționarea unui aparat de zbor în atmosfera marțiană, de 10 ori mai puțin densă decât atmosfera de pe pământ…Și aceasta este o premieră tehnică extraordinară fiindcă deschide drumul folosirii unor asemenea aparate de zburat și pe alte planete, cu altă compoziție și alte proprietăți fizice ale atmosferei.

Helicopterul este alimentat cu energie solară,  captată cu ajutorul unui panou montat în capul axului elicelor. El este dotat cu două elice coaxiale care se învârt în contrasens pentru a împiedica rotirea helicopterului în timpul zborului, în sens opus mișcării elicei. Toată construcția – inclusiv aparatura electronică pentru coordonarea zborului – cântărește numai 2 Kg!

Costurile proiectului pentru o perioadă de 11 ani sunt estimate la 2.75 miliarde de dolari pentru o perioadă de 11 ani. Din aceștia 2.2 miliarde dolari sunt prevăzuți pentru proiectarea și construirea tuturor mecanismelor descrise, 243 milioane de dolari pentru lansarea în spațiu și 292 milioane de dolari pentru 2.5 ani de operații pe planeta Martie.

Întregul proiect a fost realizat în cadrul Jet Propulsory Laboratory din Passadena, care aparține de NASA. Unele aparate de cercetări științifice au fost realizate de Norwegian Defense Research Establishment, de French Space Agency, de University of Valladolid din Spania, de Universitatea din Hawaii și de Los Alamos National Laboratory din USA.

Dar cu toate aceste cheltuieli, scopul proiectului – de a aduce probe de sol marțian pe Pământ – încă nu a fost atins: la sfârșitul misiunii probele se vor afla într-un container pe planeta Marte! Pentru a aduce containerul pe Pământ, va fi trimis pe planeta Marte un alt obiect cosmic, deosebit de complex, care va avea șase părți operative:

– o stațiune orbitală care va rămâne pe o orbită în jurul planetei Marte și va permite comunicarea dintre

postul de control de pe Pământ și celelalte module care vor ajunge pe planeta Marte. Stațiunea va cuprinde și modulul de întoarcere spre Pământ.

– un modul de navigație care va permite amartizarea unui rover și a modulului de plecare de pe planeta Marte

– un vehicul (rover) – proiectat de ESA – care, o dată aterizat pe planeta Marte, va căuta containerul și îl va aduce la

– modulul de plecare de pe planeta Marte. Modulul va consta dintr-o rachetă cu combustibil solid, care va propulsa containerul până la  stațiunea orbitală în jurul planetei Marte. Containerul va fi încărcat în această stațiune și va fi decontaminat, pentru a evita ca microbi sau viruși – eventual prezenți pe planeta Marte – să ajungă pe Pământ.

– modulul care va asigura transportul containerului până la o orbită în jurul Pământului

– modulul care va asigura aterizarea containerului pe Pământ.

Toate aceste părți operative au fost gândite în prealabil și au fost determinați parametrii principali pe care trebuie să-i realizeze. Încă nu a fost nici unul construit, fiindcă până la lansarea lor de pe Pământ vor mai trece cel puțin 2 ani. Considerând zborul dus și întors spre Marte precum și perioada de lucru pe planetă, se prevede ca probele de sol să ajungă pe Pământ în anul 2031, la 11 ani de la lansarea primului modul!

Costurile acestei părți a proiectului nu au fost încă estimate dar este probabil că nu vor fi mai mici de costurile primei părți, adică de 2.75 miliarde de dolari. Pentru costuri totale de 5.5 miliarde de dolari oamenii de știință vor dispune de câteva kilograme de sol marțian, care – la prețul de cca. 1 miliard de dolari pe Kg! – vor constitui cel mai scump mineral aflat pe Pământ!

Deja complexitatea acestui proiect depășește tot ce și-a putut imagina omenirea în domeniul tehnic…Nici în cărțile științifico-fantastice ale copilăriei și tinereții noastre, nu a fost imaginat un proiect atât de îndrăzneț, atât de original, atât de plin de aspecte niciodată cercetate sau rezolvate anterior!!

Noi, ca ingineri, putem să fim mândri de ceea ce colegii noștri au de gând să înfăptuiască! Să le urăm succes și să așteptăm realizarea acestui proiect nemaipomenit!

Radu Mihalcea