Wanneer u naar verre landen reist, pakt u voorzichtig in. Wat je bij je hebt, moet allesomvattend zijn, maar niet zozeer dat het een last is. En als je eenmaal aankomt, moet je bereid zijn iets buitengewoons te doen om de lange reis de moeite waard te maken.
Het vorige Space Magazine-artikel "Hoe land je op een komeet?" beschreef de landingstechniek van Philae op komeet 67P / Churyumov-Gerasimenko. Maar wat zal de lander doen zodra hij aankomt en zich in zijn nieuwe omgeving nestelt? Zoals Henry David Thoreau zei: "Het is niet de moeite waard om de wereld rond te gaan om de katten in Zanzibar te tellen." Zo is het ook met de Rosetta-lander Philae. Met de stage set - een landingsplaats gekozen en landingsdatum van 11 november, is de Philae-lander uitgerust met een zorgvuldig uitgedachte set van wetenschappelijke instrumenten. Uitgebreid en compact, Philae is als een Zwitsers zakmes van gereedschappen om het eerste on-site (in-situ) onderzoek van een komeet uit te voeren.
Overweeg nu de wetenschappelijke instrumenten over Philae die ongeveer 15 jaar geleden zijn geselecteerd. Net als elke goede reiziger moesten er budgetten worden vastgesteld die als belemmering dienden voor de instrumentkeuze die kon worden ingepakt en meegenomen tijdens de reis. Er was een maximaal gewicht, maximaal volume en vermogen. De uiteindelijke massa van Philae is 100 kg (220 lbs). Het volume is 1 × 1 × 0,8 meter (3,3 × 3,3 × 2,6 ft) ongeveer de grootte van een oven met vier branders. Philae moet echter bij aankomst op een kleine hoeveelheid opgeslagen energie werken: 1000 wattuur (equivalent van een lamp van 100 watt die 10 uur brandt). Zodra dat vermogen is afgevoerd, produceert het maximaal 8 watt aan elektriciteit uit zonnepanelen om te worden opgeslagen in een batterij van 130 wattuur.
Zonder enige zekerheid dat ze toevallig zouden landen en meer stroom zouden produceren, zorgden de ontwerpers van Philae voor een batterij met een hoge capaciteit die eenmalig wordt opgeladen door de primaire zonnepanelen van het ruimtevaartuig (64 vierkante meter) vóór de afdaling naar de komeet. Met een eerste wetenschappelijke opdrachtsequentie aan boord van Philae en het batterijvermogen dat is opgeslagen vanuit Rosetta, zal Philae geen tijd verspillen om met de analyse te beginnen - in tegenstelling tot een forensische analyse - om een "ontleding" van een komeet te doen. Daarna gebruiken ze de kleinere batterij, die minstens 16 uur nodig heeft om op te laden, maar Philae in staat zal stellen 67P / Churyumov-Gerasimenko gedurende potentieel maanden te bestuderen.
Er zijn 10 pakketten met wetenschappelijke instrumenten op de Philae-lander. De instrumenten gebruiken geabsorbeerd, verstrooid en uitgestraald licht, elektrische geleidbaarheid, magnetisme, warmte en zelfs akoestiek om de eigenschappen van de komeet te testen. Deze eigenschappen omvatten de oppervlaktestructuur (de morfologie en chemische samenstelling van oppervlaktemateriaal), de inwendige structuur van P67 en het magnetische veld en plasma's (geïoniseerde gassen) boven het oppervlak. Bovendien heeft Philae een arm voor één instrument en kan het hoofdgedeelte van de Philae 360 graden rond zijn Z-as worden gedraaid. De paal die Philae ondersteunt en voorzien is van een schokdemper.
CIVA en ROLIS beeldvormingssystemen. CIVA vertegenwoordigt drie camera's die wat hardware delen met ROLIS. CIVA-P (Panoramic) is zeven identieke camera's, verdeeld over het Philae-lichaam, maar met twee die samen werken voor stereobeeldvorming. Elk heeft een gezichtsveld van 60 graden en kan worden gebruikt als CCD-detector van 1024 × 1024. Zoals de meeste mensen zich kunnen herinneren, zijn digitale camera's de afgelopen 15 jaar snel vooruitgegaan. Philae's imagers zijn eind jaren negentig ontworpen, bijna state-of-the-art, maar worden tegenwoordig door de meeste smartphones overtroffen, althans in aantal pixels. Naast hardware is de beeldverwerking in software echter ook geavanceerd en kunnen de afbeeldingen worden verbeterd om hun resolutie te verdubbelen.
CIVA-P heeft als directe taak, als onderdeel van de aanvankelijke autonome commandovolgorde, om de volledige landingsplaats te onderzoeken. Het is cruciaal voor de inzet van andere instrumenten. Het zal ook de Z-as rotatie van het Philae-lichaam gebruiken om te onderzoeken. CIVA-M / V is een microscopische driekleurencamera (resolutie van 7 micron) en CIVA-M / I is een nabij-infraroodspectrometer (golflengtebereik van 1 tot 4 micron) die elk van de monsters die aan de COSAC- en PTOLEMY-ovens voordat de monsters worden verwarmd.
ROLIS is een enkele camera, ook met een 1024 × 1024 CCD-detector, met als belangrijkste taak het onderzoeken van de landingsplaats tijdens de afdalingsfase. De camera is vast en naar beneden gericht met een f / 5 (f-ratio) focus instelbare lens met een gezichtsveld van 57 graden. Tijdens de afdaling is het ingesteld op oneindig en worden er elke 5 seconden foto's gemaakt. De elektronica comprimeert de gegevens om de totale gegevens die moeten worden opgeslagen en naar Rosetta moeten worden verzonden, te minimaliseren. De scherpstelling wordt net voor de landing aangepast, maar daarna functioneert de camera in de macro-modus om de komeet direct onder Philae spectroscopisch te onderzoeken. Rotatie van het Philae-lichaam creëert een "werkcirkel" voor ROLIS.
Het multi-role ontwerp van ROLIS laat duidelijk zien hoe wetenschappers en ingenieurs samenwerkten om het gewicht, het volume en het stroomverbruik in het algemeen te verminderen, Philae mogelijk te maken en, samen met Rosetta, binnen de limieten voor het laadvermogen van het lanceervoertuig te passen, de vermogensbeperkingen van de zonne-energie cellen en batterijen, beperkingen van het commando- en datasysteem en radiozenders.
APXS. Dit is een Alpha Proton X-ray spectrometer. Dit is een bijna onmisbaar instrument van het Zwitserse zakmes van de ruimtewetenschapper. APXS-spectrometers zijn een vaste waarde geworden in alle Mars Rover-missies en Philae’s is een verbeterde versie van Mars Pathfinder's. De erfenis van het APXS-ontwerp zijn de vroege experimenten van Ernest Rutherford en anderen die hebben geleid tot het ontdekken van de structuur van het atoom en de kwantumaard van licht en materie.
Dit instrument heeft een kleine bron van alfadeeltjesemissie (Curium 244) die essentieel is voor de werking. De principes van Rutherford Back-scattering of Alpha-deeltjes worden gebruikt om de aanwezigheid van lichtere elementen zoals waterstof of beryllium te detecteren (die in de buurt van een alfadeeltje in massa, een heliumkern). De massa van dergelijke lichtere elementaire deeltjes zal tijdens een elastische botsing een meetbare hoeveelheid energie uit het alfadeeltje absorberen; zoals gebeurt in Rutherford met een verstrooiing van bijna 180 graden. Sommige alfadeeltjes worden echter geabsorbeerd in plaats van gereflecteerd door de kernen van het materiaal. Absorptie van een alfadeeltje veroorzaakt emissie van een proton met een meetbare kinetische energie die ook uniek is voor het elementaire deeltje waar het vandaan kwam (in het kometenmateriaal); dit wordt gebruikt om zwaardere elementen zoals magnesium of zwavel te detecteren. Ten slotte kunnen binnenste schil elektronen in het materiaal van belang worden verdreven door alfadeeltjes. Wanneer elektronen van buitenste schalen deze verloren elektronen vervangen, zenden ze een röntgenstraal van specifieke energie (quantum) uit die uniek is voor dat elementaire deeltje; dus zijn zwaardere elementen zoals ijzer of nikkel detecteerbaar. APXS is de belichaming van de deeltjesfysica van de vroege 20e eeuw.
CONSERT. COmet Nucleus Sounding Experiment door radiogolftransmissie, zoals de naam al doet vermoeden, zendt radiogolven de kern van de komeet in. De Rosetta-orbiter zendt radiogolven van 90 MHz uit en tegelijkertijd staat Philae op het oppervlak om te ontvangen met de komeet die zich ertussen bevindt. Bijgevolg is de reistijd door de komeet en de resterende energie van de radiogolven een handtekening van het materiaal waardoor het zich voortplant. Veel radio-uitzendingen en ontvangsten door CONSERT via een veelvoud aan hoeken zijn vereist om de inwendige structuur van de komeet te bepalen. Het is vergelijkbaar met hoe je de vorm van een schimmig object voor je kunt voelen door je hoofd naar links en rechts te draaien om te zien hoe het silhouet verandert; al met al nemen je hersenen de vorm van het object waar. Met CONSERT-gegevens is een complex deconvolutieproces met behulp van computers noodzakelijk. De precisie waarmee het interieur van de komeet bekend is, verbetert met meer metingen.
MUPUS. Multifunctionele sensor voor oppervlakte- en ondergrondwetenschappen is een reeks detectoren voor het meten van de energiebalans, thermische en mechanische eigenschappen van het oppervlak en de ondergrond van de komeet tot een diepte van 30 cm (1 voet). MUPUS bestaat uit drie hoofdonderdelen. Er is de PEN, de penetratorbuis. PEN is bevestigd aan een hamerarm die tot 1,2 meter uit het lichaam reikt. Het ontplooit met voldoende neerwaartse kracht om PEN onder het oppervlak te penetreren en te begraven; meerdere hamerslagen zijn mogelijk. Aan het uiteinde of anker van PEN (de penetratorbuis) bevindt zich een versnellingsmeter en standaard PT100 (platina weerstandsthermometer). Samen zullen de ankersensoren dat doenbepaal het hardheidsprofiel op de landingsplaats en de thermische diffusiviteit op de uiteindelijke diepte [ref]. Als het de oppervlakken binnendringt, duidt min of meer vertraging op harder of zachter materiaal. De PEN bevat een reeks van 16 thermische detectoren over de lengte om ondergrondse temperaturen en thermische geleidbaarheid te meten. De PEN heeft ook een warmtebron om warmte door te geven aan het kometenmateriaal en de thermische dynamiek ervan te meten. Met de warmtebron uitgeschakeld, zullen detectoren in PEN de temperatuur en energiebalans van de komeet bewaken wanneer deze de zon nadert en opwarmt. Het tweede onderdeel is de MUPUS TM, een radiometer bovenop de PEN die de thermische dynamiek van het oppervlak meet. TM bestaat uit vier thermozuilsensoren met optische filters voor een golflengtebereik van 6-25 µm.
SD2 Het monsterboor- en distributie-apparaat zal het oppervlak en de ondergrond doordringen tot een diepte van 20 cm. Elk opgevangen monster heeft een volume van enkele kubieke millimeters en wordt verdeeld over 26 ovens die op een carrousel zijn gemonteerd. De ovens verwarmen het monster waardoor een gas ontstaat dat wordt geleverd aan de gaschromatografen en massaspectrometers die COSAC en PTOLEMY zijn. Waarnemingen en analyse van APXS- en ROLIS-gegevens zullen worden gebruikt om de bemonsteringslocaties te bepalen die allemaal in een "werkcirkel" zullen liggen vanaf de rotatie van Philae's lichaam om zijn Z-as.
COSAC Cometaire bemonstering en compositie experiment. De eerste gaschromatograaf (GC) die ik zag, bevond zich in een universiteitslab en werd door de laboratoriummanager gebruikt voor forensische tests ter ondersteuning van de lokale politie. De bedoeling van Philae is niets minder dan het uitvoeren van forensische tests op een komeet, honderd miljoen mijlen verwijderd van de aarde. Philae is in feite het kijkglas van Sherlock Holmes en Sherlock is alle onderzoekers terug op aarde. De COSAC-gaschromatograaf bevat een massaspectrometer en meet de hoeveelheden elementen en moleculen, met name complexe organische moleculen, waaruit kometenmateriaal bestaat. Terwijl die eerste lab GC die ik zag dichter bij de grootte van Philae lag, zijn de twee GC's in Philae ongeveer zo groot als schoenendozen.
PTOLEMIE. Een Evolved Gas Analyzer [ref], een ander type gaschromatograaf. Het doel van Ptolemaeus is het meten van de hoeveelheden specifieke isotopen om de isotopenverhoudingen af te leiden, bijvoorbeeld 2 delen isotoop C12 tot één deel C13. Isotopen van een element hebben per definitie hetzelfde aantal protonen maar verschillende aantallen neutronen in hun kernen. Een voorbeeld zijn de 3 isotopen van koolstof, C12, C13 en C14; de getallen zijn het aantal neutronen. Sommige isotopen zijn stabiel terwijl andere onstabiel kunnen zijn - radioactief en vervallen in stabiele vormen van hetzelfde element of in andere elementen. Wat voor Ptolemaeus-onderzoekers interessant is, is de verhouding tussen stabiele isotopen (natuurlijk en niet die welke worden beïnvloed door of ontstaan door radioactief verval) voor de elementen H, C, N, O en S, maar in het bijzonder koolstof. De verhoudingen zijn veelbetekenende indicatoren van waar en hoe kometen worden gemaakt. Tot nu toe waren spectroscopische metingen van kometen om isotopenverhoudingen te bepalen van een afstand en was de nauwkeurigheid onvoldoende om harde conclusies te trekken over de oorsprong van kometen en hoe kometen verband houden met de schepping van planeten en de evolutie van de zonnenevel, de geboorteplaats van ons planetaire systeem rond de zon, onze ster. Een geëvolueerde gasanalysator verwarmt een monster (~ 1000 C) om de materialen in een gasvormige toestand te transformeren, waarmee een spectrometer zeer nauwkeurig hoeveelheden kan meten. Een vergelijkbaar instrument, TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer), was een instrument op de Mars Phoenix-lander.
SESAM Surface Electrical Sounding and Acoustic Monitoring ExperimentDit instrument bestaat uit drie unieke detectoren. De eerste is de SESAME / CASSE, de akoestische detector. Elke landingsvoet van Philae heeft akoestische zenders en ontvangers. Elk van de benen zal om de beurt akoestische golven (bereik van 100 Hertz tot KiloHertz) overbrengen naar de komeet die de sensoren van de andere benen zullen meten. Hoe die golf wordt verzwakt, dat wil zeggen verzwakt en getransformeerd, door het kometenmateriaal dat het passeert, kan worden gebruikt samen met andere kometeneigenschappen die zijn verkregen van Philae-instrumenten, om dagelijkse en seizoensgebonden variaties in de structuur van de komeet te bepalen tot een diepte van ongeveer 2 meter. Ook in een passieve (luister) modus, zal CASSE geluidsgolven van kraken, kreunen in de komeet bewaken, mogelijk veroorzaakt door spanningen van zonneverwarming en ventilerende gassen.
De volgende is de SESAME / PP-detector - de permittiviteitssonde. Permittiviteit is de maat voor de weerstand die een materiaal heeft tegen elektrische velden. SESAME / PP levert een oscillerend (sinus) elektrisch veld in de komeet. Philae's voeten dragen de ontvangers - elektroden en AC-sinusgeneratoren om het elektrische veld uit te zenden. De weerstand van het komeetmateriaal tot een diepte van ongeveer 2 meter wordt dus gemeten, wat een andere essentiële eigenschap van de komeet oplevert: de permittiviteit.
De derde detector heet SESAME / DIM. Dit is de komeetstofteller. Er zijn verschillende referenties gebruikt om deze instrumentbeschrijvingen samen te stellen. Voor dit instrument is er, wat ik zou willen noemen, een prachtige beschrijving die ik hier eenvoudig met verwijzing zal citeren. “De Dust Impact Monitor (DIM) -kubus bovenop het Lander-balkon is een stofsensor met drie actieve orthogonale (50 × 16) piëzo-sensoren. Uit de meting van de voorbijgaande piekspanning en halve contactduur kunnen snelheden en radii van impacterende stofdeeltjes worden berekend. Deeltjes met radii van ongeveer 0,5 µm tot 3 mm en snelheden van 0,025-0,25 m / s kunnen worden gemeten. Als de achtergrondruis erg hoog is, of de snelheid en / of de amplituden van het burst-signaal te hoog zijn, schakelt het systeem automatisch over naar de zogenaamde Average Continuous-modus; dat wil zeggen dat alleen het gemiddelde signaal wordt verkregen, wat een maat voor de stofstroom oplevert. ” [ref]
ROMAP Rosetta Lander magnetometer en plasma detector bevat ook een derde detector, een druksensor. Verschillende ruimtevaartuigen zijn door kometen gevlogen en een intrinsiek magnetisch veld, een dat is gecreëerd door de kern van de komeet (het hoofdlichaam) is nooit gedetecteerd. Als er een intrinsiek magnetisch veld bestaat, is het waarschijnlijk erg zwak en is een landing op het oppervlak noodzakelijk. Er een vinden zou buitengewoon zijn en zou theorieën over kometen op hun kop zetten. Laag en zie Philae heeft een fluxgate-magnetometer.
Het magnetische (B) veld van de aarde om ons heen wordt gemeten in de tienduizenden nano-Tesla's (SI-eenheid, miljardste van een Tesla). Buiten het veld van de aarde zijn de planeten, asteroïden en kometen allemaal ondergedompeld in het magnetische veld van de zon, dat in de buurt van de aarde wordt gemeten in enkele cijfers, 5 tot 10 nano-Tesla. De detector van Philae heeft een bereik van +/- 2000 nanoTesla; een voor het geval dat maar gemakkelijk wordt aangeboden door fluxgates. Het heeft een gevoeligheid van 1 / 100ste van een nanoTesla. Dus ESA en Rosetta waren voorbereid. De magnetometer kan een heel klein veld detecteren als het er is. Laten we nu eens kijken naar de plasmadetector.
Een groot deel van de dynamiek van het heelal omvat de interactie van plasma-geïoniseerde gassen (die in het algemeen een of meer elektronen missen en dus een positieve elektrische lading dragen) met magnetische velden. Kometen hebben ook met dergelijke interacties te maken en Philae heeft een plasmadetector bij zich om de energie, dichtheid en richting van elektronen en van positief geladen ionen te meten. Actieve kometen laten in wezen een neutraal gas de ruimte in, plus kleine vaste (stof) deeltjes. De ultraviolette straling van de zon ioniseert gedeeltelijk het kometengas van de staart van de komeet, dat wil zeggen dat het een plasma creëert. Op enige afstand van de komeetkern, afhankelijk van hoe heet en dicht dat plasma is, is er een afstand tussen het magnetische veld van de zon en het plasma van de staart. Het B-veld van de zon valt rond de staart van de komeet, als een wit laken dat over een Halloween trick-or-treater is gedrapeerd, maar zonder ooggaten.
Dus aan het oppervlak van P67 meten Philae's ROMAP / SPM-detector, elektrostatische analysers en een Faraday Cup-sensor vrije elektronen en ionen in de niet zo lege ruimte. Een "koud" plasma omringt de komeet; SPM detecteert kinetische ionenergie in het bereik van 40 tot 8000 elektronvolt (eV) en elektronen van 0,35 eV tot 4200 eV. Last but not least bevat ROMAP een druksensor die zeer lage druk kan meten - een miljoenste of een miljardste of minder dan de luchtdruk die we op aarde hebben. Er wordt een Penning-vacuümmeter gebruikt die het voornamelijk neutrale gas nabij het oppervlak ioniseert en de gegenereerde stroom meet.
Philae zal 10 instrumentensuites naar de oppervlakte van 67P / Churyumov-Gerasimenko vervoeren, maar in totaal vertegenwoordigen de tien 15 verschillende soorten detectoren. Sommige zijn onderling afhankelijk, dat wil zeggen, om bepaalde eigenschappen af te leiden, heb je meerdere datasets nodig. Door Philae op het oppervlak van de komeet te laten landen, kunnen veel eigenschappen van een komeet voor de eerste keer en andere met een aanzienlijk hogere nauwkeurigheid worden gemeten. Al met al zullen wetenschappers de oorsprong van kometen en hun bijdrage aan de evolutie van het zonnestelsel beter gaan begrijpen.
