מסוק שירחף בשמי כוכב הלכת, איסוף דגימות להטסה לכדור הארץ ומכשיר לייצור חמצן מהפחמן הדו-חמצני באטמוספרה. אלה רק חלק מהחידושים ברכב השטח האמריקאי שנחת על מאדים
שני לוויינים חדשים נכנסו בימים האחרונים למסלול סביב מאדים. ב-9 בפברואר נכנסה החללית "אל-אמל" (الأمل, "התקווה") של איחוד האמירויות הערביות למסלול גבוה סביב כוכב הלכת. הלוויין האמירותי חג סביב מאדים בגובה של עשרות אלפי קילומטרים ומשימתו העיקרית היא חקר האטמוספרה ומזג האוויר של כוכב הלכת. למחרת נכנס למסלול סביב מאדים הלוויין הסיני טִיאַנְווֶן-1 (Tianwen-1 או 天問, "שאלות שמֵימיות"). הלוויין הסיני אמור לחקור גם הוא את האטמוספרה של מאדים, וכן לשלוח צילומים באיכות גבוהה של פני השטח לקראת השלב הבא במשימה שלו: הוא כולל גם נחתת עם רכב שטח, ובעוד כשלושה חודשים תנסה סין להיות המדינה השנייה בהיסטוריה המנחיתה רכב גלגלי על כוכב לכת אחר.
הלוויין האמירותי והלוויין הסיני הצטרפו לשישה לוויינים שכבר חגים סביב מאדים. שלושה מהם של ארצות הברית, אחד של האיחוד האירופי, אחד של הודו ואחד משותף לאיחוד האירופי ולרוסיה. אם כניסה למסלול סביב מאדים היא כיום כמעט "נחלת הכלל", הרי שהפעילות על פני השטח שלו הייתה ונותרה נחלתה הבלעדית כמעט של ארצות הברית. ברית המועצות אמנם הייתה הראשונה שהשלימה נחיתה רכה מוצלחת על פני מאדים כבר ב-1971, אבל הנחתת מרס-3 תפקדה בהצלחה פחות מדקה בטרם השתתקה לעד. לפניה ואחריה הייתה לברית המועצות, ולרוסיה אחריה, שורה של כישלונות במשימות מאדים. גם סין והאיחוד האירופי נכוו בניסיונותיהם לנחות על פני כוכב הלכת האדום.
ארצות הברית הצליחה עד כה להנחית בשלום חמש נחתות וארבעה רכבי שטח רובוטיים, אחד מהם, "קיוריוסיטי" (Curiosity, "סקרנות") פועל על מאדים כבר שמונה שנים וחצי, ב-18 בפברואר הצטרף אליו רכב נוסף, "פרסבירנס" (Perseverance, "התמדה"). הוא אמור לרשום כמה ציוני דרך היסטוריים במסגרת משימת "מרס 2020", ולנסות לקרב אותנו עוד קצת למענה על שתי השאלות הגדולות: האם היו בעבר חיים על מאדים, והאם אנחנו, בני האדם, נוכל להצטרף יום אחד לכלי הרכב האלה, ולחקור בעצמנו את כוכב הלכת המסקרן?
ציוני דרך היסטוריים בחקר כוכב הלכת האדום. הדמיה של פרסבירנס עם מכלים לאיסוף דגימות קרקע המיועדות להגיע לכדור הארץ | איור: NASA/JPL-Caltech
האחים רייט במאדים
הרובר החדש נבנה על אותו שלד של קיוריוסיטי, ואפילו נעשה בו שימוש בחומרים ובחלקים שיוצרו עבור הרכב המקורי. שניהם דומים מאוד במידותיהם: אורכם שלושה מטרים, רוחבם 2.7 מטרים וגובהם 2.2 מטרים. לעומת זאת, משקלו של פרסבירנס (על כדור הארץ) הוא 1,025 קילוגרם – 126 קילוגרם יותר ממשקלו של קיוריוסיטי. תוספת המשקל נובעת מהמכשור שהרובר החדש נושא, בתקווה שיעזור לפענח חלק מהסודות של כוכב הלכת האדום.
החידוש הגדול ביותר במשימה, ואולי המסקרן ביותר, הוא מסוק שרכב השטח נושא, ואמור לבצע את הטיסה הראשונה אי פעם בשמי כוכב לכת אחר. ה"מסוק" הוא רק רחפן קטן, וגם "בשמי כוכב הלכת" היא תיאור מרחיב למדי עבור כלי טיס שאמור להתרומם לגובה של חמישה מטרים בלבד, לטוס למרחק אופקי של 300 מטר לכל היותר ולשהות באוויר עד דקה וחצי בכל טיסה.
למרות המגבלות האלה, הרחפן "אינג'ניואיטי" (Ingenuity, "כושר המצאה" או "תושייה") הוא כלי טיס מסקרן שצריך להתמודד עם אתגרים לא פשוטים. בראשם עומדת העובדה שהאטמוספרה של מאדים, שמורכבת בעיקר מפחמן דו-חמצני, דלילה מאוד וצפיפותה היא כאחוז אחד בלבד מזו של כדור הארץ. כדי להתרומם בתנאים האלה דרוש רחפן קל מאוד, בעל להבי מדחף גדולים יחסית המסתובבים במהירות רבה. ואכן, הרחפן כולו שוקל (על כדור הארץ) 1.8 ק"ג, מוטת הלהבים שלו היא 1.2 מטר והם מגיעים לקצב של 3,000 סיבובים בדקה. בנוסף, הרחפן צריך להיות עמיד בפני שינויי הטמפרטורה הקיצוניים על מאדים, ולתפקד היטב גם בטמפרטורה של 90 מעלות צלזיוס מתחת לאפס.
יבצע את הטיסה הראשונה אי פעם בשמי כוכב לכת אחר. הדמיה של הרחפן אינג'ניואיטי | איור: NASA/JPL-Caltech
בגלל המרחק ממאדים, מפעילי המשימה לא יוכלו לשלוט ברחפן בזמן אמת, לכן הוא צריך להיות אוטונומי ולנהל את הטיסה בעצמו. הזמן הדרוש למעבר אות תקשורת ממאדים לכדור הארץ נע בין כשלוש דקות כשהם בקִרבה מרבית, ועד יותר מ-20 דקות כששני כוכבי הלכת נמצאים במרחק מרבי זה מזה. כך, אפילו בתנאים האופטימליים הרחפן יסיים את טיסתו הרבה לפני שהדיווח על תחילתה יגיע למרכז הבקרה.
רחפן כזה אמור לסרוק את הסביבה שבה מסייר רכב השטח, לסייע למפעילי המשימה לבחור אובייקטים מעניינים למחקר בסביבה, ולאפשר להם לתכנן ביעילות את המשך מסלולו – תכנון שעד כה התבסס בעיקר על תמונות מהמצלמות של הרכב עצמו. אולם הרחפן הנוכחי לא יעשה את הדברים האלה. טיסות הניסוי שלו, שאמורות להתחיל רק בעוד כמה חודשים, נועדו בעיקר לבחון את יכולותיו של כלי טיס כזה לשימוש עתידי.
"האחים רייט הראו באמצעות כלי טיס ניסיוני שאפשר לבצע טיסה ממונעת באטמוספרה של כדור הארץ. אנחנו מנסים לעשות אותו דבר עם הרחפן על מאדים", אמר הווארד גריפ, ממעבדת ההנעה הסילונית של נאס"א (JPL), הטייס הראשי של אינג'ניואיטי.
סרטון של JPL על הרחפן Ingenuity (באנגלית):
אריזה ומשלוח
עד כה הצליחה האנושות להביא לכדור הארץ דגימות קרקע וסלעים מהירח, שאספו אסטרונאוטים ומשימות לא מאוישות, וכן מכמה אסטרואידים. משימת "מרס 2020" אמורה להיות השלב הראשון של משימה משולבת להבאת דגימות מכוכב לכת אחר. הרעיון הוא שפרסבירנס יאסוף את הדגימות, יאפסן אותן במכלים ויערום את המכלים בנקודות איסוף. בעתיד יגיע לשם רכב שטח אחר ויעמיס אותם על טיל שישוגר בחזרה לכדור הארץ.
שלושה רובוטים המותקנים ברובר ישתפו פעולה באיסוף הדגימות ואריזתן. בחזיתו הותקנה זרוע רובוטית באורך של שני מטרים, ובה חמישה מפרקים המקנים לה גמישות רבה. בקצה הזרוע יש מקדחה רבת עוצמה. רובוט נוסף, שנמצא קרוב לבסיסה, בנוי כמעין קרוסלה שמגישה לה את ראש המקדחה המתאים לכל קידוח או חפירה, וכן את מכלי המתכת לאיסוף הדגימות.
המכלים המלאים יועברו דרך הקרוסלה לבטן הרכב, שם זרוע רובוטית קטנה יותר תאטום ותאכסן אותם. בסך הכול נושא פרסבירנס 43 מכלים לדגימות קרקע, ועוד חמישה מכלים לדגימת אוויר מהסביבה באזורי הקידוחים, כדי לוודא שהדגימות אינן כוללות זיהום ארצי שמקורו ברובר עצמו, במכשירים שלו או במכלי האיסוף. נאס"א עשו מאמץ רב לוודא שהרכב כולו סטרילי ונקי ככל האפשר מחיידקים ארציים, ובפרט מערכת איסוף הדגימות.
את מכלי הדגימות האטומים ישאיר רכב המאדים באתר אחד או בכמה אתרים על פני כוכב הלכת. המשימה שתביא בסופו של דבר את הדגימות לבדיקה בכדור הארץ עדיין לא תוכננה, ואיש אינו יודע אם היא אכן תצא לפועל ומתי. אחת האפשרויות שנבדקות היא משימה אמריקאית-אירופית משותפת בעוד כעשור.
מערכת איסוף ואחסון הדגימות של רכב פרסבירנס - סרטון של נאס"א:
בקרקעית האגם
מחקרים רבים על מאדים העלו כי בעבר הרחוק הייתה לו אטמוספרה סמיכה ועל פניו היו מים זורמים. השאלה הגדולה היא אם הסביבה המימית הזו אפשרה קיום של חיים, לפחות של אורגניזמים חד-תאיים או יצורים זעירים אחרים, כפי שהיה גם בכדור הארץ הצעיר ועתיר המים לפני שלושה מיליארדי שנים ויותר. משימות מדעיות רבות מתמקדות בחיפוש ראיות ברורות לכך שבעבר אכן היו חיים מיקרוביאליים על כוכב הלכת השכן שלנו. זה חלק ממה שמחפשים הלוויינים המקיפים את מאדים, וזאת גם אחת המשימות של קיוריוסיטי, שסיפק עד כה ממצאים מעניינים, אך לא חד משמעיים.
גם אם היו בעבר יצורים חד-תאיים על מאדים, הסיכוי למצוא כעת חיידקים ממש, או יצורים חיים אחרים, קטן מאוד. החוקרים מתמקדים בחיפוש "חתימה כימית" שהותירו יצורים חיים, כלומר מולקולות שהיו יכולות להיווצר רק בתהליכים ביולוגיים, בסביבה חיה, ולא בשום דרך אחרת.
כדי שהמדענים לא יצטרכו לחכות עד שדגימות הקרקע יגיעו לכדור הארץ ביום מן הימים, אם זה יקרה בכלל, פרסבירנס מצויד במערך של מכשירי מדידה אופטיים לניתוח הרכב הקרקע. המכשירים האלה הם ספקטרוסקופים, שמקרינים על האובייקט קרינה מסוג מסוים, מודדים את ההחזר שלה ומודדים אילו אורכי גל נבלעו בחומר שהם מצלמים. לכל יסוד ומולקולה יש חתימה ספקטרוסקופית ייחודית, וכך אפשר לנתח את הרכב החומרים בסלע או בקרקע גם בלי לגעת בהם ישירות.
זה ייעשה בין השאר בעזרת מצלמות רגישות במיוחד שיקבעו בדיוק רב את צבעי החומרים, ובעזרת ספקטרוסקופים הפועלים באורכי גל שנמצאים מחוץ לטווח האור הנראה, ובכלל זה קרינה על-סגולה וקרני X (רנטגן). המכשור כולל גם את ה-Supercam: מצלמה שמשגרת קרן לייזר דקיקה לעבר מטרה במרחק של עד שבעה מטרים מהרכב, ומנתחת בספקטרוסקופיה את הרכב החומר שנשרף.
לשיטות האלה יש כמובן מגבלות, אבל החוקרים מקווים שהן יסייעו לזהות את המולקולות הביולוגיות המעידות על חיים שהתקיימו במאדים לפחות בעבר הרחוק שלו, בהנחה שמולקולות כאלה אכן קיימות שם.
בתקווה להגדיל ככל האפשר את הסיכוי להיתקל בחומרים שמעידים על קיום חיים, חיפשו החוקרים אתר נחיתה שיש סבירות רבה שאכן היו בו חיים בעבר הרחוק. בסופו של דבר הם בחרו במכתש גֶ'זֶרוֹ (Jezero), שנמצא צפונית מעט לקו המשווה של מאדים. המכתש, שקוטרו כ-45 קילומטרים, נוצר כנראה מפגיעת מטאוריט גדול במאדים. מעריכים כי לפני 4-3 מיליארד שנים היה בו אגם מלא מים, ומכאן שמו: משמעות המילה גֶ'זֶרו או יֶזֶרוֹ היא "אגם" בכמה שפות סלאביות ובהן סרבית וצ'כית.
בתוך המכתש החוקרים מעוניינים להתמקד באזור שהיה כנראה דלתא של נהר שזרם אל האגם. הקרקע באזור הזה אמורה להיות עשירה במגוון מינרלים, והחוקרים מקווים כי אם אכן חיו באזור יצורים חד-תאיים, ייתכן שהם כוסו בסחף מהנהר והשתמרו כמאובנים. מכיוון שהנהר ניקז מים מאזור רחב, ייתכן שסימני חיים מכל האזור נסחפו במימיו אל האגם ושקעו באזור השפך, כך שיהיה קל יותר למצוא אותם שם.
פוטנציאל לסימני חיים. צילום לוויין של מכתש ג'זרו, הדלתא בצד שמאל. באליפסה: אתר הנחיתה | מקור: NASA
אוויר לנשימה
נוסף על חיפוש סימני חיים, פרסבירנס יעסוק רבות בחקר הסביבה המאדימית. הרכב המשוכלל מצויד בלא פחות מ-23 מצלמות. שבע מהן נועדו לספק תיעוד מפורט של שלב הנחיתה, לצורך פיתוח חלליות עתידיות למאדים ושיפורן. תשע אחרות הן "מצלמות הנדסה" שנועדו להתריע מפני סכנות בדרך, לסייע בניווט ולאפשר בחינה חזותית של מצבם של חלקים ומערכות ברכב. שבע הנותרות הן מצלמות מדעיות, הכוללות את הספקטרוסקופים לניתוח ההרכב הכימי של הקרקע והסלעים. על התורן של הרכב מותקנת מצלמה כפולה משוכללת במיוחד, שמצלמת וידאו ותמונות סטילס באיכות גבוהה, תמונות פנורמיות, תקריבים ועוד. גם על הזרוע הרובוטית מותקנות מצלמות שתפקידן לצלם מקרוב את הסלעים והעצמים שהרכב חוקר, אך הן יכולות לצלם גם את הסביבה ואת חלקי הרכב.
מערך המכשירים המדעיים כולל גם מכ"ם חודר קרקע למחקר גיאולוגי. המכ"מ משדר גלים אל הקרקע, ויכול על פי דפוסי ההחזר שלהם לנתח את הרכב הקרקע עד לעומק של כעשרה מטרים – בהתאם לסוג הסלעים. מכשיר נוסף הוא מעין תחנת מזג אוויר קטנה. היא מותקנת על התורן, מתחת למצלמות, ומודדת את טמפרטורת האוויר, מהירות הרוח, לחץ האוויר, עוצמת הקרינה וריכוז האבק.
הרובר Perseverance יעסוק רבות בחקר הסביבה במאדים. מערך המכשירים המדעיים של הרובר | איור: NASA/JPL-Caltech
הצילומים, נתוני מזג האוויר והמידע על הרכב הקרקע נועדו לענות על שאלות מדעיות בנוגע לגיאולוגיה ולתנאי הסביבה על מאדים, וגם לספק מידע חשוב לקראת האפשרות שבני אדם ינחתו בבוא היום על פני כוכב הלכת. בגלל המרחק העצום מכדור הארץ, משימות מאוישות למאדים יהיו כרוכות ודאי בשהות ממושכת בכוכב הלכת, ויכללו הקמת בסיסי מחקר ואולי אפילו מושבת קבע. כל שהות על מאדים תחייב היכרות טובה עם תנאי הסביבה, ועם הסכנות הנשקפות מהם: טמפרטורות קיצוניות, קרינה מסוכנת, סערות אבק ועוד. הנתונים שיאסוף פרסבירנס אמורים להעשיר את הידע שלנו על התנאים האלה, ואולי על הגורמים להם.
הכרה טובה של המבנה הגיאולוגי של מאדים תהיה חשובה לשימוש שייעשה בקרקע לייצור חומרי בנייה, להפקת מינרלים שימושיים, לאיתור מערות שעשויות להיות בעלות חשיבות רבה, וכן לחיפוש אחר מצבורי קרח או מים בקרקע.
מכשיר נוסף שנושא רכב המאדים יבחן את האפשרות לייצר חמצן מהאטמוספרה של כוכב הלכת, שמכילה בעיקר פחמן דו-חמצני. המכשיר נעזר במערכת כימית ובטמפרטורה גבוהה של 800 מעלות צלזיוס כדי לפרק מולקולות של פחמן דו-חמצני לפחמן חד-חמצני ולחמצן (4CO2 --> 4CO + 2O2). לדברי החוקרים שפיתחו אותו, הוא אמור לייצר כ-10 גרם של חמצן טהור בשעה. הכמות אינה גדולה, אבל יש לזכור שמדובר במכשיר שרק נועד לספק הוכחת היתכנות לטכנולוגיה. לקראת משימות מאוישות למאדים יהיה אפשר לשגר מראש מכשירים גדולים כאלה, שיפיקו ויאגרו כמויות גדולות של חמצן. החמצן לא ישמש רק לנשימה: חמצן נוזלי הוא מרכיב חשוב בדלק טילים, שיאפשר לשגר אסטרונאוטים או חלליות לא מאוישות מפני השטח של מאדים ולהחזיר אותם לכדור הארץ.
את האנרגיה הדרושה לפעילות הממושכת יקבל פרסבירנס מגנרטור גרעיני, שמייצר חשמל מאנרגיית החום הנוצרת בהתפרקות רדיואקטיבית של פלוטוניום. הגנרטור יספק מתח של 110 וולט לפעילות השוטפת של מערכות הרכב והמכשירים המדעיים, וכן לשמירה על החום הנחוץ לתפקודם. כמו כן הוא יטען שתי סוללות ליתיום-יון גדולות, שיספקו תוספת כוח במידת הצורך. הרכב אינו תלוי באנרגיית השמש לתפקודו, אם כי סוללות הרחפן נטענות בעזרת לוח סולרי.
סרטון של מרכז JPL בנאס"א על פרסבירנס ומכשיריו המדעיים (באנגלית):
סוף המסע, תחילת הדרך
החללית הנושאת את פרסבירנס שוגרה מארצות הברית בסוף יולי 2020, ובמסע שנמשך יותר מחצי שנה עברה כחצי מיליארד קילומטרים.
תהליך הנחיתה עצמו בוצע באופן אוטונומי: החללית נכנסה לאטמוספרה של מאדים, ובגובה של כ-10 קילומטר פתחה מצנח ענקי בקוטר של 21 מטרים. זמן קצר לאחר מכן היא שחררה את מגן החום, והפעילה מכ"מ שסייע לה לנווט לאתר הנחיתה.
לאחר ששחררה את המצנח, החלה החללית בנפילה חופשית ובסופה הפעילה מנועים רקטיים לכיוון הקרקע, כדי לבלום את הנפילה. בגובה של כ-20 מטר מעל פני הקרקע, בעודה מרחפת בעזרת המנועים הרקטיים, החללית שלשלה בעזרת כבלים את הרכב התלוי מתחתיה, עד שנגע בקרקע. לאחר מכן היא התרוממה טסה להתרסקות מכוונת כמה מאות מטרים משם, במקום שלא מסכן את הרובר.
פרסבירנס הוא כאמור רכב השטח החמישי שנחת על מאדים. הוא הצטרף לקיוריוסיטי, שפעיל מאז 2012, וממשיך את דרכם של סוג'ורנר (Sojourner), ספיריט (Spirit) ואופורטיוניטי (Opportunity), שזכו למנוחת עולמים על מאדים בתום משימות מוצלחות. על פי התכנון הרשמי הוא אמור לפעול שנת מאדים אחת, או 687 ימי ארץ (כמעט שנתיים שלנו). עם זאת, יש לקחת בחשבון שזה היה גם משך המשימה המתוכנן של קיוריוסיטי, ובמציאות רכב השטח פעיל כבר פי ארבעה ויותר מהתוכנית המקורית. גם התאומים ספיריט ואופורטיוניטי תוכננו לפעול שלושה חודשים, אך המשיכו לתפקד שנים ארוכות, כך שמשימה של פחות מכמה שנים תיחשב כישלון מבחינת נאס"א וצוותי ההנדסה של הרובר.
מסע מסוכן ואוטונומי של 410 שניות מהכניסה לאטמוספרה של מאדים עד לנחיתה במכתש ג'זרו. שלבי הנחיתה של פרסבירנס | איור: NASA/JPL-Caltech
מהירח למאדים
בעוד כשלושה חודשים אמורה גם סין לנסות להנחית את רכב השטח שלה, שבינתיים צמוד ללוויין הנמצא במסלול סביב מאדים. הלוויין עצמו מצויד בשורה ארוכה של מכשירים מדעיים לחקר האטמוספרה ופני השטח, בהם מצלמה בהפרדה גבוהה, ספקטרומטר, מגנטומטר למדידת שדות מגנטיים ומכ"מ למיפוי מרבצי קרח. הוא ימשיך במשימה גם אחרי ניסיון הנחיתה, ואמור לשמש גם תחנת ממסר לתקשורת עם רכב השטח.
רכב השטח מורכב על גבי נחתת, והם אמורים לנחות יחד במישור אוטופיה (Utopia Planitia), מצפון לקו המשווה של מאדים. אתר הנחיתה המתוכנן נמצא מצפון מערב למקום בו נמצאת הנחתת האמריקאית Insight, שנחתה במאדים לפני יותר משנתיים ועוסקת בחקר המבנה הפנימי שלו.
הרובר הסיני דומה לרכבי השטח שהסינים הנחיתו על הירח בשנים האחרונות. הוא מזכיר בגודלו ובמבנה הכללי שלו את ספיריט ואופורטיוניטי, הדור הקודם של רכבי המאדים האמריקאים, וגם הוא תוכנן כמותם לפעול כשלושה חודשים. הוא מצויד במצלמות משוכללות, במכשירים למדידת נתוני מזג אוויר ובציוד למחקר גיאולוגי הכולל מִכשור לאפיון ההרכב הכימי של האדמה ומכ"מ חודר קרקע לחיפוש מאגרי מים נוזליים בעומק האדמה.
צפוי להיות רכב השטח הראשון על מאדים שאינו אמריקאי. הדמיה של הרכב Tianwen-1 על גבי הנחתת | מקור: CNSA
משימת Tianwen-1, אם תעלה יפה, מתוכננת להיות רק הצעד הראשון של סין בדרך להשיג דריסת רגל משמעותית על פני כוכב הלכת האדום. גם סין מתכננת בעוד כמה שנים משימה רובוטית להבאת דגימות קרקע ממאדים לכדור הארץ. לאחר מכן היא לוטשת את עיניה למשימות מאוישות ואפילו להקמת מושבה על מאדים.
בעוד ארצות הברית מחפשת שיתופי פעולה בינלאומיים למשימות חלל מתקדמות, כדי לחלוק עםאחרים את הנטל הכלכלי, סין מקדמת בינתיים בכוחות עצמה תוכניות חלל שאפתניות מאוד. ייתכן שדווקא הקטר הסיני יהיה זה שימשוך מדינות אחרות אל מאדים ומעבר לו.
סרטון של נאס"א על משימת המאדים של פרסבירנס:
