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ExoMars 2016
Riepilogo

La prima missione del programma ExoMars è costituita da Trace Gas Orbiter più un modulo dimostrativo di ingresso, discesa e atterraggio, noto come Schiaparelli. Gli obiettivi principali di questa missione sono la ricerca di traccie di metano e altri gas atmosferici che potrebbero essere il segnale di processi biologici o geologici attivi e testare delle importanti tecnologie che rappresentano il contributo dell'ESA alle successive missioni su Marte.
L'Orbiter e Schiaparelli sono stati lanciati insieme il 14 marzo 2016 su un razzo Proton e sono volati su Marte in una configurazione composita. Approfittando del posizionamento di Terra e Marte, la fase di crociera è stata limitata a circa 7 mesi, con l'arrivo su Marte in ottobre.
Tre giorni prima di raggiungere l'atmosfera di Marte, il 16 ottobre, Schiaparelli è stato espulso dall'Orbiter verso il Pianeta Rosso. Schiaparelli si è diretto verso la sua destinazione, è entrato nell'atmosfera marziana a 21.000 km / h e ha decelerato usando l'aerobraking e il paracadute. Fu progettato per frenare con l'aiuto di un sistema di propulsione prima di atterrare sulla superficie del pianeta ma un'anomalia nel sistema di misurazione e navigazione ha fatto si che il paracadute e lo scudo termico siano stati prematuramente rilasciati, seguiti da una breve accensione dei propulsori di frenata e infine l'attivazione dei sistemi di terra come se Schiaparelli fosse già atterrato. In realtà, il veicolo era ancora ad un'altitudine di circa 3,7 km.
Schiaparelli ha comunque comunicato con il Trace Gas Orbiter e con il Mars Express sino a poco prima di toccare la superficie.
Il 19 ottobre il Trace Gas Orbiter è stato invece inserito in un'orbita ellittica attorno a Marte. Successivamente, a gennaio 2017, l'orbiter ha eseguito un numero di manovre per spostare il suo angolo rispetto all'equatore a quasi 74° rispetto ai 7° al suo arrivo in ottobre. Questa orbita a 74° fornirà una copertura ottimale della superficie per gli strumenti scientifici, offrendo comunque una buona visibilità per trasmettere i dati sia lander attuali che quelli futuri. A metà marzo 2017 è iniziata la fase di aerobraking che porterà l'orbiter in un'orbita circolare di circa 400 km di altezza, pronta a condurre la sua missione scientifica a partire da marzo 2018.

TRACE GAS ORBITER - ALLA RICERCA DI FIRME DI GAS NELL'ATMOSFERA MARZIANA

La navicella Trace Gas Orbiter (TGO) è progettata dall'ESA mentre Roscosmos fornirà il veicolo di lancio, un razzo Proton. Un carico utile scientifico con strumenti provenienti dalla Russia e dall'Europa è ospitato sul TGO per raggiungere i suoi obiettivi scientifici. La TGO eseguirà osservazioni dettagliate e remote dell'atmosfera marziana, alla ricerca di prove di gas di possibile importanza biologica, come il metano e i suoi prodotti di degradazione. Gli strumenti sull'orbiter eseguiranno una serie di misurazioni per indagare la posizione e la natura delle sorgenti che producono questi gas. La missione scientifica dovrebbe iniziare nel marzo 2018 e durerà per quasi due anni. Nel mese di novembre 2016 e marzo 2017, ci sono state 2 opportunità per eseguire alcune misurazioni scientifiche, principalmente allo scopo di calibrare gli strumenti scientifici. Trace Gas Orbiter verrà anche utilizzato per ritrasmettere i dati per la missione rover 2020 del programma ExoMars fino alla fine del 2022.

SCHIAPARELLI: UN MODULO DIMOSTRATIVO PER TESTARE LE TECNOLOGIE DELLE FUTURE MISSIONI

Schiaparelli è il modulo dimostrativo di discesa e atterraggio (EDM) ed è stato progettato per fornire all'Europa la tecnologia di l'atterraggio sulla superficie di Marte con il controllo di orientamento e velocità. Il design di Schiaparelli ha massimizzato l'uso delle tecnologie già in fase di sviluppo all'interno del programma ExoMars. Queste tecnologie includevano: materiale speciale per la protezione termica, un sistema di paracadute, un sistema di altimetro radar e un sistema di frenatura finale controllato con propulsione liquida.
Ci si aspettava che Schiaparelli sopravvivesse sulla superficie di Marte per un breve periodo utilizzando la capacità di energia in eccesso delle sue batterie. Le possibilità scientifiche di Schiaparelli erano note per essere limitate dall'assenza di alimentazione a lungo termine e dalla quantità fissa di spazio e risorse che potevano essere ospitate all'interno del modulo; tuttavia, una serie di sensori scientifici sono stati inclusi per eseguire analisi di superficie limitate, ma utili.

RESTARE IN CONTATTO LONTANO DA CASA

Dopo il lancio e durante tutta la fase di crociera, l'unità spaziale costituita dal Trace Gas Orbiter e da Schiaparelli è stata gestita dall'ESA attraverso la rete di comunicazioni spaziali dell'ESOC (European Space Operations Centre) dell'ESA.Dopo la separazione l'orbiter ha monitorato la trasmissione UHF da Schiaparelli fino a poco prima che raggiungesse la superficie. Inoltre, gli array di comunicazione terrestri hanno anche monitorato il segnale UHF durante le fasi di ingresso, discesa e atterraggio. L'ESA avrà il pieno controllo dell'orbiter durante tutte le fasi della sua missione, incluso l'inserimento nell'orbita di Marte, il controllo dell'orbita, l'aerobraking, le operazioni scientifiche e le operazioni di comunicazione su Marte.

Specifiche Tecniche
STRUMENTAZIONE TRACE GAS ORBITER

Il Trace Gas Orbiter trasporta strumenti scientifici per il rilevamento di gas in traccia con una precisione aumentata (di 1000 migliore) rispetto alle precedenti misurazioni dall'orbita e dalle misurazioni a terra. Fornirà inoltre nuovi dati per lo studio dell'evoluzione temporale e spaziale delle traccie di gas nell'atmosfera marziana e per l'ubicazione delle loro regioni di origine.
Trace Gas Orbiter, prodotto in Europa, trasporterà un carico di dati scientifici di quattro strumenti:  

Nadir and Occultation for MArs Discovery (NOMAD)

NOMAD combina tre spettrometri, due infrarossi e un ultravioletto, per eseguire un'identificazione orbitale ad alta sensibilità di componenti atmosferici, tra cui il metano e molti altri gas, tramite l'osservazione solare occulta e le osservazioni dirette a luce riflessa del nadir.

Atmospheric Chemistry Suite (ACS)

Questa suite di tre strumenti a infrarossi aiuterà gli scienziati a studiare la chimica e la struttura dell'atmosfera di Marte. ACS integrerà il NOMAD estendendo la copertura a lunghezze d'onda infrarosse e prendendo immagini del Sole per analizzare meglio i dati di occultazione solare.

Colour and Stereo Surface Imaging System (CaSSIS)

Una fotocamera ad alta risoluzione (5 metri per pixel) in grado di ottenere immagini a colori e stereo su un'ampia fascia. CaSSIS fornirà il contesto geologico e dinamico per sorgenti o pozzi di gas rilevati da NOMAD e ACS.

Fine Resolution Epithermal Neutron Detector (FREND)

Questo rivelatore di neutroni mapperà l'idrogeno sulla superficie fino a un metro di profondità, rivelando depositi di ghiaccio d'acqua vicino alla superficie. La mappatura di FREND del ghiaccio d'acqua superficiale sarà fino a 10 volte migliore rispetto alle misurazioni esistenti.

STRUMENTAZIONE SCHIAPPARELLI

Uno dei principali obiettivi scientifici di qualsiasi missione su Marte è la ricerca di prove di vita. L'approccio migliore è quello di investigare la superficie in cui possono trovarsi le prove.
L'elemento chiave per accedere alla superficie di Marte e una delle maggiori sfide nell'esplorazione dello spazio è l'esecuzione riuscita della sequenza di ingresso, discesa e atterraggio.
Questo è uno dei motivi per cui dalla fine degli anni '60 ci sono state così tante missioni che tentavano di atterrare sulla superficie di Marte, alcune che hanno avuto successo, molte altre sfortunate.
Le indagini selezionate consistono in un carico utile superficiale, chiamato DREAMS, che opererà sulla superficie di Marte per 2-8 sol, e un'indagine conosciuta come AMELIA, per le indagini scientifiche di ingresso e discesa che utilizzano i sensori di ingegneria del veicolo spaziale.
Un pacchetto di strumentazione separato, COMARS +, monitorerà la pressione, la temperatura superficiale e il flusso di calore sul retro di Schiaparelli durante il passaggio nell'atmosfera.
Inoltre, la fotocamera di discesa (DECA) di Schiaparelli fotograferà il sito di atterraggio non appena si avvicinerà alla superficie oltre a fornire una misura della trasparenza dell'atmosfera.
Una serie compatta di retroriflettori laser, nota come INRRI, sarà rivolta verso lo zenit di Schiaparelli e potrà essere usata come bersaglio per i futuri orbiteri di Marte per localizzare il modulo tramite il laser.

DREAMS (Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface)

Il carico scienfitifco di Schiaparelli, il pacchetto DREAMS (Caratterizzazione della polvere, Valutazione del rischio e Analisi dell'ambiente sulla superficie marziana), consiste in una serie di sensori per misurare la velocità e la direzione del vento (MetWind), l'umidità (DREAMS-H), la pressione ( DREAMS-P), temperatura atmosferica vicina alla superficie (MarsTem), trasparenza dell'atmosfera (Solar Irradiance Sensor, SIS) e l'elettrificazione atmosferica (sensore di radiazioni atmosferiche ed elettricità, MicroARES).
DREAMS fornirà le prime misurazioni dei campi elettrici sulla superficie di Marte (con MicroARES). Combinato con le misurazioni (dalla SIS) della concentrazione di polveri atmosferiche, DREAMS fornirà nuove intuizioni sul ruolo delle forze elettriche nel sollevamento della polvere, il meccanismo che avvia le tempeste di sabbia.
Inoltre, il sensore DREAMS-H integrerà le misurazioni MicroARES con i dati critici relativi all'umidità; ciò consentirà agli scienziati di comprendere meglio il processo di elettrificazione della polvere.

AMELIA (Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis)

Il team di Schiaparelli eseguirà un programma, noto come AMELIA (Analisi e Investigazione dell'atmosfera di Marte durante l'ingresso e all'atterraggio), studiando i dati ingegneristici di Schiaparelli per ricostruire la sua traiettoria e determinare le condizioni atmosferiche, come la densità e il vento, dall'alta quota sino alla superficie. Queste misurazioni sono fondamentali per migliorare i modelli scientifici dell'atmosfera di Marte.

COMARS (COMbined AReothermal Sensor)

Determinare cosa succede alla superficie esterna di Schiaparelli mentre penetra nell'atmosfera marziana e scende in superficie è essenziale per capire l'ingegneria e la fisica necessarie per fare in modo che l'entrata, la discesa e l'atterraggio su Marte abbiano successo. Il pacchetto di strumenti combinati per sensori aerotermici e radiometrici, COMARS +, che è installato sul retro di Schiaparelli raccoglierà i dati per studiarlo.
COMARS + è costituito da tre piccoli sensori (22 mm di diametro) combinati (COMAR) distanziati equamente tra la copertura posteriore di Schiaparelli, un radiometro a banda larga e una scatola elettronica. L'intero pacchetto pesa 1,73 kg e disegna 4,5 W di potenza.
La pressione sul coperchio posteriore del modulo Schiaparelli, la sua temperatura superficiale, la velocità con cui l'energia termica viene trasferita alla superficie (velocità totale del flusso di calore) e la quantità di calore irradiato dal gas caldo al coperchio posteriore (flusso di calore radiativo) verranno misurati con questi sensori, che contengono anche due radiometri a banda stretta denominati ICOTOM. I dati in volo non solo consentiranno una migliore comprensione delle prestazioni del modulo, ma consentiranno anche il monitoraggio dello stato della sonda durante il volo. Le misure inizieranno al di fuori dell'atmosfera e verranno eseguite fino a quando il coperchio posteriore si separerà dall'imbarcazione ad un'altitudine di circa 1200 metri.

DECA (DEscent CAmera)

DECA è il backup della telecamera di controllo visivo che della missione Herschel. Questa fotocamera (massa di 0,6 kg e dimensioni di circa 9 cm × 9 cm × 9 cm) verrà utilizzata per fotografare l'immagine della superficie marziana mentre si avvicina al sito di atterraggio, sia per determinare la trasparenza dell'atmosfera marziana sia per supportare la generazione di un modello di topografia 3D della superficie della regione di atterraggio.
DECA inizierà a scattare immagini poco dopo che lo scudo frontale di Schiaparelli verrà sganciato durante l'attraversamento dell'atmosfera marziana verso la superficie del pianeta. Saranno necessarie 15 immagini a intervalli di 1,5s e queste immagini verranno archiviate nella memoria locale. Per evitare che scariche elettrostatiche colpiscano lo strumento ci sarà un ritardo di diversi minuti dopo che Schiaparelli sarà atterrato sulla superficie di Marte prima che i dati vengano letti dal computer di Schiaparelli e successivamente trasferiti sulla Terra.

INRRI (INstrument Roving Retroflector Investigator)

INRRI è un retroriflettore laser Cube Corner (CCR) che si trova sulla superficie rivolta verso lo zenith di Schiaparelli, ciò consentirà alla sonda di essere localizzata dagli orbiter di Marte mediante tracciamento laser, sia durante la vita della missione di Schiaparelli che, in seguito, passivamente e senza manutenzione. INRRI agirà come un punto fisso sulla superficie marziana che può essere disponibile a lungo termine per il rilevamento ottico di esperimenti futuri, ad esempio nei campi della geodesia marziana o della relatività generale. I retroriflettori posizionati sulla Luna dagli astronauti dell'Apollo e dai razzi Lunokhod per scopi simili sono ancora in uso e questa sarà la prima volta che un retroriflettore viene posizionato su Marte. INRRI può anche essere utile per supportare il test e la diagnostica delle comunicazioni laser tra l'orbita di Marte e la superficie. Il monitoraggio delle variazioni della riflettività di INRRI può anche fornire informazioni sull'accumulo e sulla rimozione della polvere. INRRI è molto compatto e leggero e ha la forma di una cupola con un diametro di circa 54 mm e una massa totale di 25g. Ha un corpo in alluminio con otto CCR Suprasil1 (silice fusa) montati al suo interno utilizzando gomma siliconica.

Discesa e Atterraggio

Quando Schiaparelli entrerà nell'atmosfera ad un'altezza di circa 120 km sopra la superficie del pianeta, viaggerà ad una velocità di 5,83 km / sa 21000 km / h. La resistenza atmosferica rallenterà drasticamente la velocità di discesa e quando raggiungerà circa il doppio della velocità del suono, la sonda aprirà il paracadute di 12 m di diametro.
Il paracadute viene stoccato in una sacca posta in una "malta pirotecnica". Una carica esplosiva espelle il sacco del paracadute a velocità supersonica evitando il pericolo di intralcio.
Il design a banda discale del baldacchino, che si basa sul patrimonio della sonda Huygens dell'ESA, consente al gas atmosferico di fuoriuscire attraverso una spaziatura circolare , riducendo l'eccesso di trazione iniziale e preservando la stabilità durante il suo dispiegamento. Il paracadute viene dispiegato 27 metri sopra la navicella per ridurre al minimo gli effetti di scia.
Non appena il modulo viene stabilizzato sotto il paracadute, si disinnesta lo schermo anteriore per mezzo di dispositivi elettro-esplosivi, una procedura controllata da un timer di bordo. Ciò consente al radar installato sotto la piattaforma di superficie di iniziare a inviare i dati sull'altitudine del velivolo, così come la sua velocità verticale e orizzontale.
Queste misurazioni vengono unite a quelle ottenute con l'unità di misurazione inerziale e elaborate dal computer di bordo per determinare quando deve iniziare la fase di discesa motorizzata.
A un'altitudine di circa 1000m, a una velocità di circa 70 m/s (252 km/h), la piattaforma di superficie si separerà dallo scudo termico backshell e dal paracadute. Nove propulsori a idrazina CHT-400 (ovvero ciascuno produce 400 newton di spinta) si attiveranno regolando la durata dell'accensione di ciascuno dei nove propulsori per rallentare ulteriormente il motore e smorzarne il movimento orizzontale e verticale.
Ragglinti gli 1,5 m sopra la superficie verranno arrestati, consentendo all'articolato di appoggiarsi a terra. Questo approccio garantisce che i pennacchi dei propulsori non disturbino il terreno ed evitino la possibilità di un atterraggio instabile su una superficie rocciosa con i propulsori ancora funzionanti.
La velocità di impatto può essere di circa 4 m/s (14 km/h), ma l'atterraggio è ammortizzato da una struttura a nido d'ape friabile sulla base della piattaforma di superficie. Lo strato di assorbimento degli urti è stato selezionato per la sua piccola massa e volume, con un basso costo.
Schiaparelli trasporta diversi sensori ingegneristici per monitorare le prestazioni del veicolo spaziale durante l'intera sequenza di ingresso, discesa e atterraggio. Altri sensori misurano le temperature, i flussi di calore e le pressioni sugli schermi anteriori e posteriori, l'orientamento e la decelerazione durante il volo e la decelerazione del touchdown.
Tutti questi dati, memorizzati a bordo e successivamente trasmessi sulla Terra tramite il TGO e il Mars Express della NASA in orbita attorno a Marte, consentiranno agli ingegneri di ricostruire il volo: un processo chiave per ottimizzare la tecnologia e le procedure da utilizzare in futuro nelle missioni su Marte.

Cronologia Missione
14-03-2016 ExoMars: lancio da Baikonur
19-10-2016 ExoMars: inserimento del TGO in orbita di Marte
19-10-2016 ExoMars: tentativo di atterraggio della sonda Schiapparelli
31-03-2018 ExoMars: inizio delle analisi scientifiche
31-03-2021 ExoMars: inizio operazione di relay per il rover di terra
Oggetti
  • Marte
    Pianeta

    Chiamato il Pianeta rosso a causa del suo colore caratteristico dovuto alle grandi quantità di ossido di ferro che lo ricoprono, Marte è il quarto pianeta del sistema solare in ordine di distanza dal Sole ed è l'ultimo dei pianeti di tipo terrestre.

Obiettivi

Il Trace Gas Orbiter sarà utilizzato per ricercare traccie di gas con i seguenti obiettivi scientifici:

Fornire una caratterizzazione dettagliata della composizione dell'atmosfera marziana.
Ciò include la mappatura della distribuzione dei gas, l'identificazione delle loro fonti e lo studio della variabilità geografica e temporale.
Il primo obiettivo scientifico sarà quello di rilevare un'ampia gamma di segnali di gas atmosferici e isotopologhi (molecole che hanno almeno un atomo con un numero diverso di neutroni rispetto alle molecole madre) così da stabilire la composizione atmosferica.
A seguito di un rilevamento positivo di elementi chiave, verrà effettuata la mappatura geografica (posizione e altitudine) e stagionale. Verranno inoltre eseguite le mappature del rapporto tra Deuterio e Idrogeno per fornire nuove informazioni sui serbatoi d'acqua e sulla fuga atmosferica.
Un terzo obiettivo è caratterizzare lo stato dell'atmosfera, in particolare le temperature, gli aerosol, il vapore acqueo e l'ozono. La tecnica di assimilazione dei dati adottata dal team scientifico consentirà loro di modellare la circolazione atmosferica. Ciò contribuirà a determinare se determinati gas emanano da aree specifiche su Marte e per fornire informazioni sulla natura della fonte di tali sorgenti di gas.

Immagine delle caratteristiche della superficie
Un altro obiettivo importante è quello di fotografare e caratterizzare la superficie marziana che può essere correlata alle fonti di gas. I dati dovrebbero fornire informazioni sul contesto geologico e dinamico (come il vulcanismo) per tutte le sorgenti rilevate.

Mappatura dell'idrogeno sotterraneo
L'obiettivo finale è quello di mappare l'idrogeno sotterraneo ad una profondità di un metro, con una risoluzione dieci volte migliore rispetto alle misurazioni precedenti.

Notizie

  • Pubblicati i risultati scientifici di ExoMars
    11 aprile 2019

    Tramite due articoli pubblicati su Nature sono stati riportati i primi risultati delle ricerche scientifiche svolte dalla sonda ExoMars sul pianeta rosso: la sonda non è riuscita a trovare il metano rilevato sia da un’altra sonda europea, cioè Mars Express, che da Curiosity della NASA, nel 2013.