Lekkie detektory używane do badania ekstremalnych warunków na Marsie i odporne na nie
Mars, ze swoimi zapylonymi przestrzeniami i cienką atmosferą, od dawna intryguje naukowców. Jego klimat jest kształtowany przez burze pyłowe, przejściowe chmury i zjawiska takie jak wiry pyłowe(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które zawierają istotne wskazówki dotyczące ewolucji planety. Jednak badanie tych cech atmosfery okazało się wyzwaniem. Narzędzia używane przez naukowców na Ziemi, w tym systemy LiDAR(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które analizują aerozole i chmury, są zbyt nieporęczne i energochłonne dla misji marsjańskich. Do tej pory tylko jeden system LiDAR dotarł na powierzchnię Marsa — na pokładzie misji Phoenix NASA w 2008 roku. Chociaż dostarczał cennych danych, jego wydajność była ograniczona w niektórych aspektach, takich jak zasięg (maksymalna obserwowalna wysokość około 10 km) i ograniczona funkcjonalność podczas operacji w świetle dziennym.
Wyzwania na drodze na Marsa
Finansowany ze środków UE projekt MiLi(odnośnik otworzy się w nowym oknie) miał na celu stworzenie kompaktowego systemu LiDAR o niskiej mocy, zdolnego do szczegółowych obserwacji, zaprojektowanego specjalnie na potrzeby misji marsjańskich. „Problem z tradycyjnymi systemami LiDAR polega na tym, że wymagają one precyzyjnej kontroli termicznej, aby ich komponenty były skalibrowane i działały. Na Marsie, gdzie temperatury gwałtownie się zmieniają, byłoby to prawie niemożliwe bez całkowitego przeprojektowania” — zauważa koordynator projektu Isaias Carrasco-Blazquez. Aby temu zaradzić, zespół projektowy ponownie przeanalizował technologię od podstaw, koncentrując się na ulepszeniach, które sprawiłyby, że system byłby mniejszy, lżejszy i bardziej energooszczędny. Kluczowym przełomem było zastąpienie tradycyjnych źródeł światła stosami diod laserowych, które zużywają mniej energii i wytwarzają mniej ciepła. Opracowano specjalistyczne układy optyczne zdolne do precyzyjnej kolimacji wiązki, aby zapewnić prawidłowe skupienie wiązek laserowych. Kolejną innowacją było wprowadzenie krzemowych fotopowielaczy jako detektorów. Chociaż czujniki te generują nieco wyższy poziom szumów niż tradycyjne detektory, wymagają znacznie mniej energii i oferują szerszy zakres wykrywania. Ostatecznie zespół opracował materiały ceramiczne, które dzięki kontrolowanemu współczynnikowi rozszerzalności cieplnej pomagają utrzymać kalibrację systemu nawet przy wahaniach temperatury.
Mały system o wielkim potencjale
Jak wyjaśnia Carrasco-Blazquez: „Prototyp MiLi, ważący zaledwie 6 kg i zużywający 15 W, zademonstrował swoje możliwości w testach terenowych, osiągając zasięg ponad 25 km. Prototyp i technologie wspomagające osiągnęły poziom gotowości technologicznej (TRL) 4, a przewidywane są dalsze postępy”. To, co wyróżnia MiLi, to konfiguracja LiDAR '2β + 1δ', która pozwala na gromadzenie bardziej szczegółowych danych niż kiedykolwiek wcześniej. Ten zestaw może mierzyć ilość światła rozproszonego przez cząsteczki, a także depolaryzację i stosunek barw. Pomiary te dostarczają krytycznych informacji na temat wielkości, kształtu i rodzaju cząstek w atmosferze. „Kompaktowa konstrukcja systemu otwiera nowe możliwości, takie jak badanie wirów pyłowych z niespotykaną dotąd szczegółowością. Po raz pierwszy naukowcy mogli przeanalizować prędkość, nieprzezroczystość i rozkład wielkości cząstek w tych wirach” — dodaje Carrasco-Blazquez.
Budowanie przyszłości badań marsjańskich
Chociaż projekt MiLi osiągnął znaczące postępy, wciąż jest miejsce na ulepszenia przed osiągnięciem TRL 6, poziomu wymaganego do misji kosmicznej. Kluczowe obszary obejmują postępy w produkcji ceramiki w celu wytworzenia lżejszych, bardziej złożonych komponentów; przeprowadzenie dodatkowych testów środowiskowych na komercyjnych komponentach; poprawę przenikalności promieniowania krzemowych detektorów fotopowielacza; oraz przeprowadzenie testów próżni termicznej na całym systemie LiDAR w celu zapewnienia kalibracji instrumentu w ekstremalnych zakresach temperatur Marsa. Wpływ projektu MiLi wykracza poza jego bezpośrednie osiągnięcia. Partner projektu uczestniczy obecnie w inicjatywie sponsorowanej przez Europejską Agencję Kosmiczną, której celem jest rozmieszczenie systemu LiDAR na pokładzie statku kosmicznego w celu zbadania atmosfery Marsa z orbity. Chociaż misja ta jest wciąż na wczesnym etapie, podkreśla ona szersze znaczenie innowacji osiągniętych w projekcie MiLi.
