radarral keresik majd a felszín alatti jeget
A NASA következő marsi helikopterei meglehetősen szokatlan felszereléssel érkezhetnek a vörös bolygóra: mindegyik gép alól egy vékony, hajlékony „köpeny” fog lelógni. Ez azonban nem valamiféle aerodinamikai kiegészítő. Valójában a helikopterek felszín alá látó radarjának antennájáról van szó, amelynek segítségével néhány méteres mélységig vizsgálhatják majd a marsi talajt, elsősorban vízjég után kutatva.
A SkyFall nevű küldetés az Ingenuity sikerére épül. A Perseverance roverrel 2021-ben Marsra érkezett, mindössze 1,8 kilogrammos Ingenuity eredetileg technológiai kísérlet volt: azt kellett bizonyítania, hogy a Mars rendkívül ritka légkörében egyáltalán lehetséges irányított, motoros repülést végrehajtani. Az öt tervezett próbarepülés helyett végül 72 alkalommal emelkedett a levegőbe. A SkyFall gépei már nem csak technológiai demonstrátorok lesznek, hanem igazi tudományos műszereket szállító repülő robotok.
A jelenlegi tervek szerint három helikopter indul a Marsra. Egy-egy gép tömege körülbelül 5 kilogramm, magassága 52 centiméter lesz, két egymással ellentétes irányban forgó rotorral. A nagyobb tömeg azért vált lehetségessé, mert az Ingenuity óta jelentősen továbbfejlesztették a marsi rotorokat. A JPL kísérleteiben az új rotorlapátok vége már a hangsebességet is átlépte anélkül, hogy a szerkezet károsodott volna. A nagyobb és gyorsabban forgó rotorok nagyobb hasznos teher szállítását teszik lehetővé a Mars felszíni légnyomásán, amely a földinek nagyjából egy százaléka.
A SkyFall egyik legfontosabb műszere a földradar, vagyis ground-penetrating radar lesz. Ennek működési elve hasonló a Földön geológiai, régészeti vagy mérnöki vizsgálatokra használt berendezésekéhez. A radar elektromágneses impulzusokat küld a talajba, majd érzékeli azokat a visszaverődéseket, amelyek akkor keletkeznek, amikor a hullám különböző elektromos tulajdonságú anyagok határához ér. Így elkülöníthetők egymástól például a por-, kőzet- és jégrétegek.
A NASA szerint a műszer elsősorban a marsi kéreg felső körülbelül 3 méterét vizsgálja majd, kedvező körülmények között azonban ennél mélyebbre is elérhet. A SkyFall radarjának fejlesztésénél akár körülbelül 5 méteres vizsgálati mélységgel is számolnak. Ez különösen érdekes tartomány, mert éppen a felszínhez közeli jég az, amelyet a Mars körül keringő szondákkal nehéz megfelelő részletességgel feltérképezni. A megoldás az, hogy a radart egészen közel kell vinni a felszínhez. Egy helikopter erre ideális lehet: alacsonyan és viszonylag lassan repülhet, miközben nagyobb területet járhat be, mint egy rover.
Egyetlen, körülbelül két és fél perces repülés alatt egy SkyFall helikopter várhatóan 1–2 kilométert tehet meg. A földradar adataihoz látható és közeli infravörös tartományban működő kamerák felvételei társulnak, így ugyanarról a területről egyszerre készülhet felszíni és felszín alatti térkép. A gépek hőmérsékletet, szélsebességet és szélirányt is mérhetnek, valamint sugárzási adatokat gyűjthetnek.
Itt kerül képbe a különös „köpeny”. A radar antennája Vivaldi-antennaként ismert konstrukció, amelyet eredetileg az 1970-es évek végén fejlesztettek ki. Széles frekvenciatartományban használható, ugyanakkor a SkyFall esetében rendkívül könnyű és hajlékony változatot kellett készíteni belőle. A probléma abból adódik, hogy a megfelelő radarhullámok előállításához az antenna fizikailag nem lehet tetszőlegesen kicsi. A SkyFall helikopterei nyugalmi helyzetben mindössze körülbelül 15 centiméterrel lesznek a talaj felett, az antenna viszont nagyjából másfélszer hosszabb a leszállólábaknál. Leszálláskor tehát elkerülhetetlenül hozzáérhet a felszínhez. Ha pedig a helikopter történetesen egy kőre ereszkedik, az antenna még erősebben meghajolhat.
Egy hagyományos merev antenna ilyen körülmények között könnyen eltörne. A mérnökök ezért lényegében egy olyan antennát készítettek, amely képes összegyűrődni, majd felszállás után visszanyerni eredeti alakját.
Az antenna poliészter- és Vectran-rétegekből készül. A Vectran nagy szilárdságú szintetikus szál, amelyet a NASA már korábban is alkalmazott marsi rendszerekben: többek között a Spirit és az Opportunity rovereket 2004-ben leszálláskor védő légzsákok anyagában is szerepet kapott. A SkyFall antennájának formáját hajlékony üvegszálas szalagrugók és könnyű tartószerkezetek segítik helyreállítani. Az egész antenna tömege mindössze körülbelül 142 gramm. A konstrukciónak azonban sokszor kell működnie. A helikopterek várhatóan több tucat alkalommal szállnak majd fel és le, ezért minden leszállásnál meghajló antenna nem veszítheti el fokozatosan az alakját vagy elektromos tulajdonságait.
A JPL Environmental Test Laboratory laboratóriumában ezért ismételten meghajlították és összenyomták az antennát, szélsőséges hőmérsékleteknek tették ki, és közben folyamatosan ellenőrizték, hogy továbbra is megfelelően képes-e radarjeleket sugározni és venni. A szerkezet végül 200 szimulált marsi leszállást teljesített működőképesen – több mint kétszer annyit, mint amennyit a küldetés során várhatóan el kell viselnie.
A Mars múltjának egyik alapvető kérdése, hogyan alakult át az egykor folyékony vízzel rendelkező bolygó a mai hideg, száraz világgá. A por és kőzet alatt megmaradt jégrétegek elhelyezkedése és szerkezete információt őrizhet a bolygó korábbi éghajlati állapotairól. A jég ugyanakkor egy későbbi emberes Mars-expedíció egyik legfontosabb helyi erőforrása lehet. Megolvasztva ivóvízhez lehet jutni, elektrolízissel pedig hidrogénre és oxigénre bontható. Az oxigén felhasználható légzésre, a hidrogén és az oxigén pedig megfelelő technológiai rendszerben rakétahajtóanyag előállításában is szerepet kaphat. Emiatt egy emberes leszállóhely kiválasztásakor rendkívül értékes lenne tudni, hol található nagyobb mennyiségű, viszonylag könnyen hozzáférhető jég.
A radar más veszélyeket is felfedezhet. Érzékelheti például a felszín alatt húzódó üregeket, lávacsöveket vagy gyenge regolitrétegeket. Egy több tíz tonnás emberes leszállóegységnél már komoly problémát jelenthet, ha a látszólag szilárd felszín alatt üreg vagy mechanikailag instabil réteg húzódik. A SkyFall ezért egyszerre lehet tudományos kutatóeszköz és egy későbbi emberes expedíció előzetes felderítője.
Maga a Marsra érkezés is szokatlan lesz. A tervek szerint nem lesz olyan rover vagy hagyományos leszállóegység, amely először biztonságosan földet ér, majd kiengedi a helikoptereket. A SkyFall név éppen a tervezett leszállási eljárásra utal: a három rotoros gépet még a levegőben engedik el. A Mars légkörébe belépő egységet először hőpajzs védi, majd ejtőernyő és rakéták lassítják. A megfelelő magasság és sebesség elérésekor a három helikopter leválik a leszállórendszerről, beindítja rotorjait, szétszóródik, majd saját maga választja ki és hajtja végre a leszállást. Ha működik, ez lesz az első alkalom, hogy marsi rotoros járművek már a légköri ereszkedés közben önálló repülésbe kezdenek.
A gépek ráadásul az Ingenuityvel ellentétben nem igényelnek majd mellettük dolgozó rovert kommunikációs átjátszóként. Saját, rendkívül kis tömegű rádiórendszerükön keresztül Mars körüli keringőegységekkel kommunikálhatnak, így egymástól függetlenül járhatják be a kijelölt területeket.
A NASA jelenlegi terve szerint a SkyFall küldetés 2028 végén indulhat el a Space Reactor-1 Freedom fedélzetén. Ez egy nukleáris elektromos meghajtást demonstráló bolygóközi űreszköz lesz: egy hasadási reaktor termeli majd az elektromos energiát a nagy hatásfokú elektromos hajtóművek számára. A jelenlegi küldetési terv alapján a rendszer marsi elrepüléseket követően 2030 őszén juttathatja a SkyFall egységet a bolygóhoz.
Ha minden a tervek szerint működik, az Ingenuity által megkezdett történet új szakaszba lép. Az első marsi helikopter azt bizonyította, hogy a repülés lehetséges egy olyan légkörben is, amelynek sűrűsége töredéke a földinek. A SkyFall gépeinek már azt kell bizonyítaniuk, hogy a repülésből hatékony bolygókutatási módszer lehet: néhány perc alatt kilométereket bejárva, közvetlenül a felszín felett dolgozva és közben a talaj alá is bepillantva.
