Spazio e Scienze

ExoMars atterra su Marte, partito il conto alla rovescia

Oggi la missione ExoMars ci regalerà nuove emozioni: se tutto andrà per il meglio vivremo "sette minuti di terrore", che sembreranno non avere fine, fra l'ingresso del lander Schiaparelli nell'orbita marziana e il suo atterraggio sul suolo di Marte. Dopo la separazione del lander dalla sonda Trace Gas Orbiter l'avvicinamento di Schiaparelli "procede nominalmente, tutto è perfetto", conferma Walter Cugno, direttore del programma Exomars per la Thales Alenia Space. Non resta che attendere le 15:27 ora italiana, quando inizieranno le operazioni.

Sono passati tre giorni dal distacco del lander Schiaparelli dalla sonda Trace Gas Orbiter, un evento che nonostante la buona riuscita non ha mancato di creare qualche tensione, e sicuramente il programma di oggi non sarà una piacevole passeggiata.

Prima di tutto perché – come ci hanno ricordato gli eventi di domenica – i segnali impiegano più di 9 minuti a coprire la distanza fra Marte e la Terra, quindi anche oggi ci sarà una finestra temporale di "buio assoluto" in cui sapremo sulla carta quello che sta accadendo ma non avremo conferme.

Per capire che cosa si prova a lavorare con un veicolo che si trova a quasi 200 milioni di km da noi, che sta per scendere su un altro pianeta, abbiamo chiesto informazioni a una persona vicina alla missione. "Il team delle operazioni fa un lavoro complesso,  sulla base delle procedure sviluppate durante la progettazione e i test di ExoMars 2016. Si lavora preparando la serie di operazioni a terra, come fosse il listato di un programma con i suoi parametri, e si carica via radio sui sistemi di bordo".

"Al momento programmato il computer di bordo restituisce i risultati, ossia le telemetrie, che sono visualizzate sui software dei pannelli di controllo appositamente sviluppati e che girano sui computer dell'ESOC".

"Il 'tempo reale' non esiste, già poco dopo il lancio, il segnale inviato dalla terra impiegava alcuni secondi a raggiungere l'antenna di ExoMars, e in questo momento ci vogliono circa dieci minuti (9 minuti e 45 secondi). La risposta, se elaborata immediatamente, arriva dopo altri dieci minuti".

"In queste condizioni voler avere un joystick in mano sarebbe come guidare una macchina che ti fa vedere la sterzata con 20 minuti di ritardo: improponibile!"

In secondo luogo perché attualmente su Marte è in corso la stagione delle tempeste di sabbia, e finora nessun manufatto umano è atterrato sulla superficie del Pianeta Rosso in una condizione tanto difficile quanto importante da studiare.

Terzo, come spiegheremo in dettaglio più avanti, perché l'atterraggio di Schiaparelli metterà alla prova le tecnologie che verranno usate per l'atterraggio del rover che sarà spedito su Marte nel 2020: una buona riuscita è di fondamentale importanza per i progetti europei futuri in ambito spaziale.

Non solo. Ricordiamo che un successo di questa missione sarebbe un evento senza precedenti e potrebbe cambiare il futuro dell'esplorazione marziana: prima di ExoMars 2016 nessuna agenzia spaziale aveva tentato d'inviare su Marte un satellite scientifico orbitante con un modulo di discesa di 600 kg.

Cosa accadrà oggi in dettaglio

Fiato sospeso a partire dalle 15:27 ora italiana, quando il lander Schiaparelli accenderà il computer di bordo e tutti gli strumenti che fino a  quel momento sono in ibernazione per risparmiare energia. Come vi avevamo spiegato in precedenza,  i comandi per le operazioni che il lander dovrà svolgere sono stati caricati in due set separati: uno il 3 ottobre e un altro il 7 ottobre scorsi. Il primo contiene i timer per l'uscita dall'ibernazione (che sarà protegonista del primo atto di oggi) e lo strumento per la scansione temporale delle operazioni. Il secondo lotto contiene il resto della sequenza di comandi. 

Alle 16:42 ora italiana il lander Schiaparelli entrerà nell'atmosfera marziana a un'altitudine di circa 121 km e una velocità di circa 21000 km/h.

grafica che mostra le fasi di atterraggio della sonda exomars schiaparelli su marte credit esa atg m 44f595c2c2c7b4feb05c5de6e4597a18c

Nei tre o quattro minuti che seguiranno, il modulo verrà rallentato dalla crescente resistenza atmosferica. In questa fase sarà molto importante il ruolo dello scudo termico che proteggerà l'interno del modulo Schiaparelli dalle elevate temperature generate dall'entrata in atmosfera.

Quando la velocità sarà scesa a 1650 km/h si stima che Schiaparelli sarà a un'altezza di circa 11 km. A tale quota si aprirà il paracadute che frenerà ulteriormente il modulo, mentre a circa 7 km lo scudo termico anteriore Frontshield verrà espulso. Da questo momento in poi il radar sarà libero e potrà rilevare la vera altezza.

Alla quota di circa 1300 m anche il paracadute e la parte posteriore della capsula saranno rilasciati, e Schiaparelli attiverà i suoi razzi propulsori frenando da circa 270 km/h a 7 km/h. A 2 metri di altezza i razzi propulsori verranno spenti e Schiaparelli si appoggerà sulla superficie del pianeta, alle 16:48.

La velocità con cui toccherà il suolo sarà di alcuni metri al secondo, e l'impatto sarà assorbito da una struttura deformabile posta sul lato inferiore

Durante queste fasi saranno attivi i sensori deputati a raccogliere dati sull'atmosfera marziana, la temperatura, la pressione, l'umidità. Gli altri strumenti scientifici di bordo si accenderanno quando Schiaparelli toccherà il suolo

Il sito selezionato per l'atterraggio è Meridiani Planum, una pianura situata 2° a Sud dell'equatore. È stato scelto per due motivi principali: la conformazione planare del terreno che assicura un safety landing, e poiché da diverse osservazioni è emerso che probabilmente tale sito è stato caratterizzato in passato dalla presenza di acqua allo stato liquido. Meridiani Planum è infatti chiamato anche "Hematite region" poiché gli scienziati hanno osservato la presenza di diversi depositi di Ematite grigia, un minerale di ferro che solitamente sulla Terra si forma in presenza di flussi d'acqua liquida di lunga durata.

Meridiani Planum sembra contenere inoltre vari tipi di solfati di ferro e magnesio ed è caratterizzato da depositi sedimentari. Da studi della conformazione e della composizione terreno sembra che tale sito sia stato caratterizzato in passato da fenomeni episodici di inondazione, di erosione e di evaporazione d'acqua. Tutte queste caratteristiche rendono tale sito importante per la sua potenziale abitabilità. Esso è stato infatti scelto anche come sito di atterraggio per il rover Opportunity della NASA.

Quanto dovremo aspettare per sapere se tutto sarà andato per il meglio? Noi spettatori terrestri dovremo restare con il fiato sospeso fino alle 18:30 ora italiana, quando – incrociando le dita – arriverà la conferma dell'arrivo di Schiaparelli.

  • Il TGO raccoglierà il maggiore dettaglio delle informazioni della discesa, ma non sarà in grado di ritrasmetterle velocemente a Terra perché sarà un'enorme mole di dati.
  • Il satellite Mars Express, di ESA, in orbita attorno a Marte dal 2003, seguirà la discesa e ritrasmetterà a terra semplici segnali per confermare gli eventi.
  • Mars Reconnaisance Orbiter (MRO) della NASA seguirà la missione del Lander subito dopo l'atterraggio, e grazie alla larghezza di banda di cui dispone verso Terra riuscirà a inviare velocemente una grande quantità di dati.

A 175 milioni di km di distanza, sulla Terra, saranno le antenne del Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT), vicino a Pune in India, a ricevere i segnali di conferma e a dare immediatamente conferma all'ESOC in Europa.

Sarà possibile seguire in diretta le fasi di atterraggio tramite il sito ESA e tramite i social network (su Twitter tramite i canali ufficiali @esaoperations, @ESA_ExoMars, @ESA_TGO e @ESA_EDM, e con l'hashtag #ExoMars). Noi vi proporremo un contenuto costantemente aggiornato durante l'evento.

Gli obiettivi della missione

ExoMars è una missione congiunta di ESA Roscomos, concepita per indagare l'ambiente marziano alla ricerca di prove dirette e/o indirette della presenza di forme di vita estinte o attuali. Tra gli obiettivi della missione vi sono inoltre la conoscenza dell'ambiente marziano dal punto di vista geofisico e geochimico e l'identificazione della presenza di possibili rischi per missioni future.

L'intera missione è suddivisa in due fasi. La prima (ExoMars 2016), attualmente in corso, che vede la sonda TGO (Trace Gas Orbiter) in orbita attorno al Pianeta Rosso e il lander Schiaparelli in fase di atterraggio su Marte. Nella seconda parte della missione, prevista per il 2020, l'ESA proverà a portare sulla superficie del pianeta un vero e proprio rover. A tale scopo Schiaparelli è di fondamentale importanza per testare le tecnologie necessarie per l'atterraggio. Infatti Schiaparelli, che prende il nome in onore del noto astronomo italiano, Giovanni Schiaparelli, è un Entry, descent and landing Demonstration Module (EDM).

 

Un importante ruolo italiano

L'ASI, l'Agenzia Spaziale Italiana, e il Governo Italiano, che è il maggior contributore economico del progetto in Europa, hanno sempre dato un forte sostegno istituzionale per la realizzazione della missione.

L'ESA ha assegnato all'industria italiana la leadership principale di entrambe le missioni; oltre alla responsabilità complessiva di sistema di tutti gli elementi. Il Programma è sviluppato da un consorzio europeo guidato da Thales Alenia Space Italia che coinvolge circa 134 aziende spaziali dei Paesi partner dell'ESA. È italiana la responsabilità diretta dello sviluppo di Schiaparelli, il modulo di discesa della missione ExoMars 2016, e del modulo orbitante. L'Italia è responsabile inoltre della progettazione e costruzione del drill di due metri che perforerà il suolo marziano per prelevare campioni e farà parte del rover della missione ExoMars 2020.

Una fonte vicina alla missione ci ha spiegato che "il progetto di ExoMars è iniziato nel 2005 e ha subito diversi ritardi a causa di incertezze sui finanziamenti e molteplici modifiche alle caratteristiche. La configurazione definitiva di ExoMars 2016 è stata definita intorno al 2011".

"Nel complesso le aziende coinvolte sono circa 200; se ci limitiamo alla progettazione e alla verifica del sistema di Orbiter e Lander, nel complesso ci hanno lavorato circa 200 persone. Per la progettazione di dettaglio, per arrivare alla singola unità, il numero è di molto superiore".

Più in dettaglio, "l'EDM è stato un progetto complesso, ed è da considerare come qualcosa di straordinario e di cui andare fieri: ideato, analizzato e studiato, testato nel dettaglio con una competenza che non ha nulla da invidiare al resto del mondo, è la dimostrazione che in Europa, e in Italia in particolare, competenza e innovazione riescono con il giusto supporto a raggiungere obiettivi straordinari.

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Tutto il sistema di controllo di ingresso in atmosfera e atterraggio, (Entry Descent and Landing), il paracadute, il loop che va dal radar al controllo dei thruster, è certamente la parte con un contenuto innovativo e tecnologico senza precedenti in Europa, e sono un progetto italiano".

Di sfide difficili da affrontare ce ne sono state tante. La nostra fonte ci ha rivelato che "in una missione cosí particolare si sono dovuti testare i componenti in condizioni operative simili a quelle in cui si troveranno  nello Spazio e su Marte, molti parametri di progetto hanno richiesto studi particolari per essere definiti, e man mano che il progetto andava avanti, si sono aperte nuove esigenze di verifica e di progetto a causa dei dettagli che si sommavano.

Tutto questo ha richiesto un lavoro collettivo incredibile per raggiungere velocemente la soluzione di problemi. Mancare la finestra di lancio avrebbe significato rimandare di due anni o, peggio, perdere la missione".

"Mentre la realizzazione del satellite scientifico è un 'core business' in cui TAS e l'industria europea hanno lunga esperienza, il modulo di rientro era una sfida che è stata affrontata con solide esperienze di ricerca che hanno consentito lo sviluppo di una missione innovativa e ambiziosa. Mettere insieme le due cose, comunque, non è stato facile".

facile"Avendo la responsabilità del progetto del modulo Schiaparelli, TAS-I ha sviluppato il progetto dell'Entry Descent and Landing (EDL) della missione che richiede progettazione di dinamica del volo, verifiche meccaniche e di termo-fluido-dinamica, insieme  alla definizione e analisi dei corridoi di rientro nell'atmosfera marziana e il controllo di assetto durante 'l'ammartaggio" (Guidance Navigation and Control, GNC)".

Poiché Schiaparelli, come già detto, è stato realizzato in primo luogo per testare le tecnologie necessarie per l'atterraggio in vista della missione Exomars 2020, la durata prevista per la sua missione è di pochi giorni (da 2 a un massimo di 8 Sol – giorni marziani). Tuttavia, una serie di sensori analizzerà l'ambiente locale durante la fase di discesa e dopo l'atterraggio. Schiaparelli contiene gli esperimenti DREAMS, AMELIA, COMARS+, DECA e INRRI.

  • AMELIA (Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis) studierà i dati ingegneristici registrati da Schiaparelli durante la discesa e l'atterraggio del modulo per studiare l'atmosfera di Marte.
  • COMARS+ monitorerà la pressione, la temperatura superficiale e il flusso di calore sulla copertura di Schiaparelli quando il modulo passerà attraverso l'atmosfera.
  • DECA (Descent Camera) è la camera di discesa che catturerà immagini del sito di atterraggio, all'avvicinarsi ad esso fornendo al tempo stesso una misura della trasparenza dell'atmosfera.
  • INRRI (INstrument for landing-Roving laser Retroreflector Investigations) è un array di laser retroriflettori situato sulla superficie di Schiaparelli che sarà rivolta verso lo zenith e potrà essere utilizzato da futuri orbiter del pianeta per localuzzare il modulo.

Ma il cuore di Schiaparelli è l'esperimento DREAMS (Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environmente Analyser of the Martian Surface) realizzato tra Napoli e Padova (Principal Investigator Francesca Esposito, INAF – Osservatorio Astronomico di Capodimonte). Si tratta di una centralina metereologica che misurerà le condizioni ambientali su Marte: il vento, la pressione, l'umidità, la temperatura, l'opacità dell'atmosfera e le sue proprietà elettriche come non sono mai state misurate prima d'ora.

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DREAMS è formato da una serie di sensori per la misura della velocità e della direzione del vento (MetWind), dell'umidità (DREAMS-H), della pressione (DREAMS-P), della temperatura atmosferica in prossimità della superficie (MarsTeam), della trasparenza dell'atmosfera (Solar Irradiance Sensor SIS) e dei campi elettrici in atmosfera (Atmospheric Radiation and Electricity Sensor; MicroARES).

La sonda Exomars inizierà il suo lavoro proprio quando Marte entrerà nel pieno della stagione delle tempeste, quindi in condizioni ideali perché DREAMS possa indagare i danni che le polveri potrebbero arrecare alle attrezzature e agli eventuali esploratori umani in un futuro non lontanissimo.

Secondo un modello teorico elaborato dal planetarista della NASA James Shirley, Marte raggiungerà il culmine dell'attuale stagione delle tempeste di polvere il 29 ottobre di quest'anno. Secondo le previsioni di tale modello si tratterà di una tempesta di sabbia globale. Il Pianeta Rosso è spesso caratterizzato da tempeste di polvere locali che sono appunto localizzate in aree delimitate e talvolta si uniscono fino a formare sistemi regionali. Ciò accade in particolare durante la primavera e l'estate australi, quando Marte è più vicino al Sole. Tuttavia, solo di rado, queste tempeste si estendono a tal punto che la polvere sollevata avvolge l'intero pianeta rendendo impossibile distinguere i dettagli della sua superficie. Si hanno quindi vere e proprie tempeste planetarie, come quella ripresa dall'Hubble Space Telescope nel settembre del 2001.

Marte tempesta di sabbia

Il modulo Schiaparelli atterrerà e lavorerà in uno dei maggiori periodi di frequenza di tempeste di polveri e anche quando il lander non sarà più attivo la sonda TGO continuerà a monitorare l'atmosfera marziana durante questi fenomeni.

TGO studierà i gas presenti nell'atmosfera marziana con particolare attenzione a quelli più rari, come il metano rilevato diverse volte a partire dal 2003. Monitorando la sua dipendenza geografica e stagionale grazie agli strumenti a bordo della sonda si proverà a capire se il metano osservato ha origine biologica o geologica.

La protezione dell'ambiente marziano

Il nostro contatto ci ha inoltre spiegato un aspetto fondamentale di questa missione, "di cui si parla poco, ma sul quale si è investito molto sia in termini di infrastrutture che di processi: la Planetary Protection".

"L'obiettivo principale della missione ExoMars è trovare su Marte tracce biologiche, di vita presente o passata. Per evitare di portare segni di vita dalla Terra, che darebbero dei falsi positivi,

ogni componente della sonda è stata sottoposto a sterilizzazione, che deve poi essere verificata e mantenuta. Se in molte foto vedete gli ingegneri di integrazione lavorare con una tuta sterile integrale, è per questo motivo.

Tecnicamente può sembrare banale, ma la sterilizzazione richiede l'esposizione ad alte temperature per lungo tempo (DHMR) o ad agenti chimici che possono interagire con i materiali cambiandone le caratteristiche. Tutti i componenti, quindi, hanno dovuto essere pensati e verificati perché potessero funzionare anche dopo questo processo che per alcuni oggetti, anche critici, era assolutamente inusuale".

Come siamo arrivati su Marte

La missione ExoMars è decollata il 14 marzo 2016 alle 10:31 ora italiana dal cosmodromo russo di Baikonur, in Kazakistan. Ha inviato il primo segnale di comunicazione verso le 22:30, confermando l'apertura dei pannelli solari.

Domenica 16 ottobre l'orbiter, con agganciato il lander Schiaparelli, si sono separati: il primo ha proseguito la discesa su Marte con una traiettoria balistica, l'orbiter ha effettuato una correzione di rotta per immettersi nell'orbita da cui dovrà operare.

Concentrandosi sul lander e sugli avvenimenti di domenica, prima di tutto è stato effettuato un ultimo controllo a tutti componenti del modulo di atterraggio prima di sganciarlo dalla sonda madre. Esperti di Thales Alenia Space Italia, che lavorano presso l'ESOC, hanno verificato il set di comandi caricati attraverso TGO e immagazzinati su Schiaparelli che gli permetteranno di funzionare in modo più o meno autonomo durante la sua missione.

Alle 16:42 ora italiana, come previsto, Schiaparelli si è separato dalla sonda madre, mentre gli scienziati qui sulla Terra erano con il fiato sospeso nell'attesa di una conferma che tardava ad arrivare. L'EDM è stato lanciato verso Marte da una distanza pari a circa 800.000 km, il doppio della distanza che c'è tra la Terra e la Luna, ad una velocità iniziale di circa 10.000 km/h (3 km/s) che, grazie alla gravità di Marte, dopo i tre giorni di viaggio diventeranno 21.000 km/h (6 km/s) all'ingresso dell'atmosfera marziana.

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Il segnale della conferma che la separazione era effettivamente avvenuta ha impiegato 9 minuti e 36 secondi ad arrivare a Terra, e alle 17:02 ora italiana il team di controllo della missione ha confermato la separazione del lander sulla base di un segnale doppler ricevuto dal vettore. Inoltre il Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) vicino a Pune, in India, ha registrato un segnale molto debole che indicava la separazione. Ma per la conferma ufficiale dell'avvenuta separazione si aspettava la telemetria che tardava ad arrivare lasciando tutti con il fiato sospeso!

Alle 18:30 ora italiana è arrivata la telemetria e finalmente è stato ufficiale: il modulo Schiaparelli si era staccato dalla sonda TGO alle 16:42 esattamente come previsto.

La nostra fonte ci ha spiegato che "per funzionare i meccanismi applicano delle forze all'EDM Schiaparelli in modo da farlo allontanare dal TGO e contemporaneamente ruotare, come una trottola. La rotazione impone un effetto giroscopico che stabilizza la rotta fino all'ingresso nell'atmosfera marziana, ma la sua velocità lineare non deve essere eccessiva altrimenti rimbalzerebbe come una pietra sull'acqua o il paracadute non riuscirebbe rallentarlo, e neanche troppo bassa altrimenti non sarebbe stabile durante la discesa".

Come potete immaginare, verificare e dimostrare che tutto sia stato dimensionato correttamente è stato lungo e difficile, e tenere in gioco tutti i disturbi ci hanno fatto lavorare parecchio; anche dopo il lancio per le ultime valutazioni prima dell'evento del 16 ottobre.

Da ESA hanno fatto sapere che anche oggi potrebbe accadere qualcosa di simile, quindi incrociamo le dita e facciamo il tifo per una missione che merita tutto il nostro supporto.

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Da allora Schiaparelli ha iniziato il suo viaggio verso la superficie di Marte su una traiettoria balistica. Il resto lo vedremo nel pomeriggio, e c'è da stare certi che Marte ci lascerà ancora una volta con il fiato sospeso. Stay tuned, vi aggiorneremo non appena possibile!

Il futuro: ExoMars 2020

ExoMars 2020 è un'altra enorme e ambiziosa sfida, il vero e cuore della missione ExoMars, e anche in questo caso Thales sarà responsabile del progetto complessivo verso l'ESA.

Come ci ha spiegato la nostra fonte,

l'Europa sta progettando un Rover, un robot su ruote pesante sulla terra più di 300 kg, che avrà una trivella sviluppata in Italia. Questa trivella sarà la prima ad arrivare fino a 2 metri sotto la superficie di Marte: se la vita su pianeta rosso c'è, o c'è stata, è molto più probabile trovarne segni sotto la superficie al riparo dalle radiazioni cosmiche che la rarefatta atmosfera di Marte non riesce schermare.

Per le due missioni, ESA è in cooperazione con Roscosmos, l'agenzia spaziale Russa. Per ExoMars 2016 ha fornito il passaggio sul lanciatore Proton e alcuni strumenti a bordo del TGO, mentre per ExoMars 2020 sviluppa, insieme all'Italia, il modulo di discesa su ci sarà ospitato il Rover insieme a esperimenti russi.

In Europa si sta sviluppando anche il Carrier, una navicella che dopo aver trasportato il Descent Module molto vicino al punto di ingresso in atmosfera, si brucerà in atmosfera.

Anche qui le sfide sono tante, e la collaborare con una realtà diversa impone un confronto continuo".

In ogni caso, adesso che si avvicina la data dell'arrivo su Marte di ExoMars 2016, concentriamoci per qualche giorno su questo traguardo!

Giulia Alemanno è dottoranda in astrofisica presso l'Università del Salento e fa parte del gruppo del laboratorio di planetologia di Lecce. La sua attività scientifica si basa sullo studio di superfici planetarie, in particolare del pianeta Marte, alla ricerca di segni della presenza di forme di vita estinte o attuali. Si occupa inoltre dello studio spettroscopio di materiali di interesse planetario. È coinvolta in iniziative di divulgazione scientifica ed è appassionata di fotografia. Ama osservare il cielo con il suo telescopio. Siamo felici di annunciarvi che collabora con Tom's Hardware per la produzione di contenuti scientifici.