Podróżując do dalekich krajów, pakuje się ostrożnie. To, co nosisz, musi być kompleksowe, ale nie na tyle, żeby było ciężarem. A kiedy przyjedziesz, musisz być przygotowany na zrobienie czegoś niezwykłego, aby ta długa podróż była opłacalna.
Poprzedni artykuł Space Magazine „Jak wylądować na komecie?” opisał technikę lądowania Philae na komecie 67P / Churyumov-Gerasimenko. Ale co zrobi lądownik, gdy dotrze i osiedli się w nowym otoczeniu? Jak powiedział Henry David Thoreau: „Nie warto jeździć po całym świecie, licząc koty na Zanzibarze”. Tak samo jest z lądownikiem Rosetta Philae. Zestaw scen - wybrane miejsce lądowania i data lądowania 11 listopada - lądownik Philae jest wyposażony w starannie przemyślany zestaw instrumentów naukowych. Wszechstronny i zwarty Philae jest jak szwajcarski scyzoryk narzędziowy do pierwszego badania komety na miejscu (in situ).
Teraz rozważmy instrumenty naukowe na Philae, które zostały wybrane około 15 lat temu. Tak jak każdy dobry podróżnik, musiały zostać ustawione budżety, które działały jako ograniczenia wyboru instrumentów, które można było spakować i zabrać ze sobą w podróż. Była maksymalna waga, maksymalna objętość i moc. Końcowa masa Philae wynosi 100 kg (220 funtów). Jego objętość wynosi 1 × 1 × 0,8 metra (3,3 × 3,3 × 2,6 stopy) o wielkości czteropalnikowego piekarnika. Jednak po przylocie Philae musi działać na małej ilości zmagazynowanej energii: 1000 Watt-Hours (odpowiednik 100-watowej żarówki działającej przez 10 godzin). Gdy ta energia zostanie wyczerpana, wytworzy ona maksymalnie 8 watów energii elektrycznej z paneli słonecznych, które będą przechowywane w akumulatorze o mocy 130 W.
Bez żadnej pewności, że wylądują przypadkowo i wytworzą więcej energii, projektanci Philae dostarczyli akumulator o dużej pojemności, który jest ładowany tylko raz przez podstawowe układy słoneczne statku kosmicznego (64 m2) przed zejściem do komety. Dzięki początkowej sekwencji dowodzenia naukowego na pokładzie Philae i energii akumulatorów zgromadzonej w Rosetty, Philae nie będzie tracić czasu na rozpoczęcie analizy - podobnie jak analiza kryminalistyczna - w celu „rozbioru” komety. Następnie wykorzystują mniejszą baterię, której ładowanie zajmie co najmniej 16 godzin, ale pozwoli Philae studiować 67P / Churyumov-Gerasimenko przez potencjalnie miesiące.
Na lądowniku Philae znajduje się 10 pakietów instrumentów naukowych. Instrumenty używają pochłoniętego, rozproszonego i emitowanego światła, przewodnictwa elektrycznego, magnetyzmu, ciepła, a nawet akustyki, aby zbadać właściwości komety. Do tych właściwości należą struktura powierzchni (morfologia i skład chemiczny materiału powierzchni), struktura wewnętrzna P67 oraz pole magnetyczne i plazmy (gazy zjonizowane) nad powierzchnią. Dodatkowo Philae ma ramię na jeden instrument, a główny korpus Philae można obracać o 360 stopni wokół jego osi Z. Słupek, który podtrzymuje Philae i zawiera tłumik uderzeń.
CIVA i ROLIS systemy obrazowania. CIVA reprezentuje trzy kamery, które współużytkują sprzęt z ROLIS. CIVA-P (panoramiczny) to siedem identycznych kamer rozmieszczonych wokół korpusu Philae, ale z dwoma działającymi w tandemie do obrazowania stereo. Każdy z nich ma pole widzenia 60 stopni i wykorzystuje jako detektor CCD 1024 × 1024. Jak większość ludzi pamięta, aparaty cyfrowe szybko się rozwinęły w ciągu ostatnich 15 lat. Urządzenia do filmowania Philae zostały zaprojektowane pod koniec lat 90. XX wieku, w pobliżu najnowocześniejszych technologii, ale dziś są one przewyższone, przynajmniej liczbą pikseli, przez większość smartfonów. Jednak oprócz sprzętu nastąpił również postęp w przetwarzaniu obrazu w oprogramowaniu, a obrazy można ulepszyć w celu podwojenia ich rozdzielczości.
CIVA-P będzie miał natychmiastowe zadanie, w ramach początkowej autonomicznej sekwencji dowodzenia, zbadania kompletnego miejsca lądowania. Ma to kluczowe znaczenie dla wdrażania innych instrumentów. Będzie również wykorzystywał obrót ciała Philae w osi Z do badania. CIVA-M / V jest mikroskopijnym trójkolorowym urządzeniem do obrazowania (rozdzielczość 7 mikronów), a CIVA-M / I to spektrometr bliskiej podczerwieni (zakres długości fal od 1 do 4 mikronów), który sprawdzi każdą próbkę dostarczoną do piece COSAC i PTOLEMY przed podgrzaniem próbek.
ROLIS to pojedyncza kamera, również z detektorem CCD 1024 × 1024, z podstawową rolą badania miejsca lądowania podczas fazy zniżania. Aparat jest nieruchomy i skierowany w dół za pomocą obiektywu z regulacją ostrości f / 5 (współczynnik f) o polu widzenia 57 stopni. Podczas opadania jest ustawiony na nieskończoność i będzie robił zdjęcia co 5 sekund. Jego elektronika skompresuje dane, aby zminimalizować całkowitą ilość danych, które muszą być przechowywane i przesyłane do Rosetty. Ostrość dostosuje się tuż przed przyziemieniem, ale potem kamera działa w trybie makro, aby spektroskopowo badać kometę bezpośrednio pod Philae. Rotacja ciała Philae stworzy „koło robocze” dla ROLIS.
Wielozadaniowy projekt ROLIS wyraźnie pokazuje, w jaki sposób naukowcy i inżynierowie współpracowali, aby ogólnie zmniejszyć masę, objętość i zużycie energii, a także umożliwić Philae i wraz z Rosettą zmieścić się w granicach ładowności pojazdu startowego, ograniczeniach mocy Słońca ogniwa i baterie, ograniczenia systemu dowodzenia i danych oraz nadajniki radiowe.
APXS. To jest Spektrometr rentgenowski Alpha Proton. Jest to niemal niezbędny instrument szwajcarskiego scyzoryka kosmonauty. Spektrometry APXS stały się powszechnym wyposażeniem wszystkich misji Mars Rovera, a Philae to ulepszona wersja Mars Pathfindera. Dziedzictwem projektu APXS są wczesne eksperymenty Ernesta Rutherforda i innych, które doprowadziły do odkrycia struktury atomu i kwantowej natury światła i materii.
Ten instrument ma małe źródło emisji cząstek alfa (Curium 244) niezbędne do jego działania. Zasady Rutherforda Rozpraszanie wsteczne cząstek alfa służy do wykrywania obecności lżejszych pierwiastków, takich jak wodór lub beryl (te zbliżone masowo do cząstki alfa, jądro helu). Masa takich lżejszych cząstek elementarnych pochłonie mierzalną ilość energii z cząstki alfa podczas zderzenia sprężystego; jak to ma miejsce w Rutherford, rozpraszanie wsteczne blisko 180 stopni. Jednak niektóre cząstki alfa są raczej absorbowane niż odbijane przez jądra materiału. Absorpcja cząstki alfa powoduje emisję protonu o mierzalnej energii kinetycznej, która jest również unikalna dla cząstki elementarnej, z której pochodzi (w materiale kometarnym); służy to do wykrywania cięższych pierwiastków, takich jak magnez lub siarka. Wreszcie, elektrony wewnętrznej powłoki w materiale będącym przedmiotem zainteresowania mogą zostać wydalone przez cząstki alfa. Kiedy elektrony z zewnętrznych powłok zastępują utracone elektrony, emitują promieniowanie rentgenowskie o energii właściwej (kwantowej), która jest unikalna dla tej cząstki elementarnej; w ten sposób wykrywalne są cięższe pierwiastki, takie jak żelazo lub nikiel. APXS jest ucieleśnieniem fizyki cząstek elementarnych z początku XX wieku.
KONSERT COmet Nucleus Sounding Experiment - transmisja fal radiowych, jak sama nazwa wskazuje, będzie transmitować fale radiowe do jądra komety. Orbiter Rosetta transmituje fale radiowe 90 MHz i jednocześnie Philae stoi na powierzchni, aby odbierać kometę znajdującą się między nimi. W konsekwencji czas podróży przez kometę i pozostała energia fal radiowych jest znakiem materiału, przez który się propagowała. Wiele transmisji radiowych i przyjęć CONSERT pod wieloma kątami będzie wymaganych do określenia wewnętrznej struktury komety. Jest podobny do tego, jak można wyczuć kształt cienistego obiektu stojącego przed tobą, przesuwając głowę w lewo i prawo, aby obserwować, jak zmienia się sylwetka; w sumie twój mózg postrzega kształt obiektu. W przypadku danych CONSERT konieczny jest złożony proces dekonwolucji z wykorzystaniem komputerów. Precyzja, z jaką znane jest wnętrze komety, zwiększa się wraz z większą liczbą pomiarów.
MUPUS. Czujnik wielofunkcyjny do nauki o powierzchniach i powierzchniach to zestaw detektorów do pomiaru bilansu energetycznego, właściwości termicznych i mechanicznych powierzchni i podpowierzchni komety na głębokości 30 cm (1 stopę). MUPUS składa się z trzech głównych części. Istnieje PEN, który jest rurką penetrującą. PEN jest przymocowany do ramienia udarowego, które rozciąga się do 1,2 metra od ciała. Rozciąga się z wystarczającą siłą skierowaną w dół, aby przebić i zakopać PEN pod powierzchnią; możliwe są wielokrotne uderzenia młotka. Na końcu lub na kotwicy PEN (rurka penetratora) znajduje się akcelerometr i standardowy PT100 (termometr platynowy). Razem czujniki kotwicy będąokreślić profil twardości w miejscu lądowania i dyfuzyjność termiczną na głębokości końcowej [ref]. Gdy wnika w powierzchnie, mniej lub bardziej spowolnienie wskazuje na twardszy lub bardziej miękki materiał. PEN zawiera szereg 16 detektorów termicznych na całej długości do pomiaru temperatur pod powierzchnią i przewodności cieplnej. PEN posiada również źródło ciepła, które przenosi ciepło do materiału kometarnego i mierzy jego dynamikę cieplną. Przy wyłączonym źródle ciepła detektory w PEN będą monitorować temperaturę i bilans energetyczny komety, gdy zbliża się ona do Słońca i nagrzewa się. Druga część to MUPUS TM, radiometr na szczycie PEN, który mierzy dynamikę cieplną powierzchni. TM składa się z czterech czujników stosu termicznego z filtrami optycznymi do pokrycia zakresu długości fali od 6-25 µm.
SD2 Próbne urządzenie do wiercenia i dystrybucji wniknie w powierzchnię i pod powierzchnię na głębokość 20 cm. Każda pobrana próbka będzie miała kilka milimetrów sześciennych objętości i zostanie rozprowadzona do 26 pieców zamontowanych na karuzeli. Piece ogrzewają próbkę, która wytwarza gaz, który jest dostarczany do chromatografów gazowych i spektrometrów masowych COSAC i PTOLEMY. Obserwacje i analiza danych APXS i ROLIS zostaną wykorzystane do określenia lokalizacji próbkowania, z których wszystkie będą znajdować się w „okręgu roboczym” od obrotu ciała Philae wokół jego osi Z.
COSAC Pobieranie próbek i ich skład eksperyment. Pierwszy chromatograf gazowy (GC), który widziałem, był w laboratorium studenckim i był używany przez kierownika laboratorium do testów kryminalistycznych wspierających lokalny komisariat policji. Intencją Philae jest przeprowadzenie testów kryminalistycznych na komecie oddalonej o sto milionów mil od Ziemi. Philae jest faktycznie szkłem szpiegowskim Sherlocka Holmesa, a Sherlock to wszyscy badacze z powrotem na Ziemi. Chromatograf gazowy COSAC zawiera spektrometr masowy i mierzy ilości pierwiastków i cząsteczek, szczególnie złożonych cząsteczek organicznych, z których składa się materiał kometowy. Podczas gdy pierwsze laboratorium GC, które widziałem, było bliżej wielkości Philae, dwa GC w Philae są mniej więcej wielkości pudełek po butach.
PTOLEMIA. Analizator ewolucji gazu [ref], inny typ chromatografu gazowego. Celem Ptolemeusza jest pomiar ilości określonych izotopów w celu uzyskania stosunków izotopowych, na przykład 2 części izotopu C12 na jedną część C13. Z definicji izotopy pierwiastków mają taką samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów w swoich jądrach. Jednym z przykładów są 3 izotopy węgla, C12, C13 i C14; liczby są liczbą neutronów. Niektóre izotopy są stabilne, podczas gdy inne mogą być niestabilne - radioaktywne i rozpadają się na stabilne formy tego samego pierwiastka lub na inne pierwiastki. Interesujący dla badaczy Ptolemeusza jest stosunek stabilnych izotopów (naturalnych, a nie tych, które ulegają rozpadowi radioaktywnemu lub które z nich wynikają) dla pierwiastków H, C, N, O i S, ale szczególnie Węgla. Wskaźniki będą charakterystycznymi wskaźnikami tego, gdzie i jak powstają komety. Do tej pory pomiary spektroskopowe komet w celu wyznaczenia stosunków izotopowych odbywały się z dużej odległości, a dokładność była niewystarczająca do wyciągania jednoznacznych wniosków na temat pochodzenia komet i tego, w jaki sposób komety są powiązane z tworzeniem planet i ewolucją Mgławicy Słonecznej, miejsce narodzin naszego układu planetarnego otaczającego Słońce, naszą gwiazdę. Wyewoluowany analizator gazu podgrzewa próbkę (~ 1000 ° C) w celu przekształcenia materiałów w stan gazowy, który spektrometr może bardzo dokładnie mierzyć wielkości. Podobny instrument, TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer), był instrumentem na lądowniku Mars Phoenix.
SEZAM Eksperymentalne sondowanie elektryczne powierzchni i monitorowanie akustyczneTen instrument obejmuje trzy unikalne detektory. Pierwszy to SESAME / CASSE, wykrywacz akustyczny. Każda stopa lądowania Philae ma emitery akustyczne i odbiorniki. Każda z nóg będzie na zmianę transmitowała fale akustyczne (100 Hz do zakresu KiloHertz) do komety, którą mierzą czujniki innych nóg. Jak fala ta jest tłumiona, to znaczy osłabiana i przekształcana przez materiał kometowy, przez który przechodzi, może być używana wraz z innymi właściwościami komet uzyskanymi z instrumentów Philae, w celu określenia dziennych i sezonowych zmian w strukturze komety na głębokość około 2 metrów. Ponadto, w trybie pasywnym (słuchanie), CASSE będzie monitorować fale dźwiękowe ze skrzypnięć, jęków wewnątrz komety, które mogą być potencjalnie spowodowane przez naprężenia wywołane ogrzewaniem słonecznym i gazami wentylacyjnymi.
Dalej jest detektor SESAME / PP - sonda przenikalności. Przenikalność jest miarą oporności materiału na pola elektryczne. SESAME / PP dostarczy oscylujące (sinusoidalne) pole elektryczne do komety. Stopy Philae niosą odbiorniki - elektrody i generatory sinusoidalne prądu przemiennego do emitowania pola elektrycznego. W ten sposób mierzy się opór materiału kometowego do głębokości około 2 metrów, zapewniając kolejną istotną właściwość komety - przenikalność.
Trzeci detektor nazywa się SESAME / DIM. To jest licznik pyłu komety. Do opracowania tych opisów instrumentów użyto kilku odniesień. Dla tego instrumentu istnieje, jak to nazwałbym, piękny opis, który po prostu przytoczę tutaj w odniesieniu do. „Sześcian monitorujący wpływ pyłu (DIM) na szczycie balkonu Lander to czujnik pyłu z trzema aktywnymi czujnikami piezoelektrycznymi o wymiarach 50 × 16 mm. Na podstawie pomiaru przejściowego napięcia szczytowego i połowy czasu styku można obliczyć prędkości i promienie uderzających cząstek pyłu. Można zmierzyć cząstki o promieniu od około 0,5 µm do 3 mm i prędkościach od 0,025–0,25 m / s. Jeśli szum tła jest bardzo wysoki lub szybkość i / lub amplitudy sygnału impulsowego są zbyt wysokie, system automatycznie przełącza się na tak zwany tryb średniej ciągłej; tzn. uzyskany zostanie tylko średni sygnał, co da miarę strumienia pyłu. ” [ref]
ROMAP Magnetometr Landtta Rosetta i plazma detektor zawiera również trzeci detektor, czujnik ciśnienia. Kilka statków kosmicznych przeleciało przez komety i wewnętrzne pole magnetyczne, utworzone przez jądro komety (główne ciało), nigdy nie zostało wykryte. Jeśli istnieje wewnętrzne pole magnetyczne, jest ono prawdopodobnie bardzo słabe i konieczne byłoby lądowanie na powierzchni. Znalezienie jednego byłoby niezwykłe i obróciłoby teorie na temat komet na głowie. Niski i oto Philae ma magnetometr z fluxgate.
Otaczające nas pole magnetyczne (B) Ziemi jest mierzone w dziesiątkach tysięcy nano-Teslasu (jednostka SI, miliardowa część Tesli). Poza polem Ziemi planety, asteroidy i komety są zanurzone w polu magnetycznym Słońca, które w pobliżu Ziemi jest mierzone pojedynczymi cyframi, od 5 do 10 nano-Tesli. Detektor Philae ma zasięg +/- 2000 nanoTesli; Zasięg na wszelki wypadek, ale taki, który łatwo oferuje fluxgates. Ma czułość 1/100 nanoTesli. Tak więc ESA i Rosetta przyszły przygotowane. Magnetometr może wykryć bardzo małe pole, jeśli tam jest. Rozważmy teraz detektor plazmy.
Duża część dynamiki Wszechświata wiąże się z oddziaływaniem plazmy zjonizowanych gazów (na ogół brakuje jednego lub więcej elektronów, a zatem przenoszących dodatni ładunek elektryczny) z polami magnetycznymi. Komety obejmują również takie interakcje, a Philae przenosi detektor plazmowy do pomiaru energii, gęstości i kierunku elektronów oraz dodatnio naładowanych jonów. Aktywne komety uwalniają zasadniczo neutralny gaz w przestrzeń kosmiczną plus małe cząstki stałe (pyły). Promieniowanie ultrafioletowe Słońca częściowo jonizuje gaz kometonowy z ogona komety, czyli tworzy plazmę. W pewnej odległości od jądra komety, w zależności od tego, jak gorąca i gęsta jest ta plazma, między polem magnetycznym Słońca a plazmą ogona występuje dystans. Pole B Słońca układa się wokół ogona komety, niczym biała prześcieradło owinięte halloweenowym trikiem, ale bez dziur w oku.
Tak więc na powierzchni P67 detektor ROMAP / SPM Philae, analizatory elektrostatyczne i czujnik Faradaya Cup zmierzą wolne elektrony i jony w niezbyt pustej przestrzeni. „Zimna” plazma otacza kometę; SPM wykryje energię kinetyczną jonów w zakresie od 40 do 8000 elektronowoltów (eV) i elektronów od 0,35 eV do 4200 eV. Wreszcie, ROMAP zawiera czujnik ciśnienia, który może mierzyć bardzo niskie ciśnienie - milionowe lub miliardowe lub niższe niż ciśnienie powietrza, którym cieszymy się na Ziemi. Zastosowano miernik próżniowy Penning, który jonizuje głównie neutralny gaz w pobliżu powierzchni i mierzy wytwarzany prąd.
Philae przeniesie 10 zestawów instrumentów na powierzchnię 67P / Churyumov-Gerasimenko, ale łącznie dziesięć reprezentuje 15 różnych typów detektorów. Niektóre są współzależne, to znaczy, aby uzyskać określone właściwości, potrzeba wielu zestawów danych. Lądowanie Philae na powierzchni komety zapewni środki do pomiaru wielu właściwości komety po raz pierwszy i innych ze znacznie wyższą dokładnością. W sumie naukowcy przybliżą się do poznania początków komet i ich wkładu w ewolucję Układu Słonecznego.
