Futuros Mars Rovers Os próximos lugares para dirigir nossa curiosidade

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Futuros Mars Rovers: Os próximos lugares para dirigir nossa
curiosidade
Quando o rover Curiosity do Mars Science Laboratory (MSL) de US $ 2,5 bilhões foi projetado e construído, seu local
de pouso não era conhecido com antecedência. Em vez disso, uma série de oficinas de convite aberto foi convocada
para solicitar informações da comunidade científica para ajudar a avaliar locais em potencial.
Pense no processo de seleção como a feira de ciências para acabar com todas as feiras de ciências. Muitos
elementos do processo de seleção do local para MSL traçam sua herança aos procedimentos desenvolvidos durante
a era Apollo. Aqui, traçamos algumas das conexões com a atividade de seleção de locais anteriores e imaginamos o
futuro através de uma série semelhante de oficinas planejadas para o rover ExoMars da Agência Espacial Europeia
(espada para lançamento em 2018), bem como o rover Mars 2020 da NASA (veja a Figura 1).
O principal incentivo para participar do processo é a informação: os cientistas que se voluntariam seu tempo são
recompensados por novos dados sobre seus locais favoritos em Marte. Isso, por sua vez, estimula mais pesquisas e
alimenta mais curiosidade sobre Marte.
- Fig. - Não. 1. A topografia global de Marte está sobreposta com locais de pouso propostos para o rover Mars 2020 (diamantes branc
locais de pouso passados (círculos negros sólidos). As inserções descrevem exemplos de locais de pouso (veja suplemento on-line pa
perspectiva da região de Mawrth Vallis (20oN-28oN, 17oW-22oW) usando a topografia Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) superlain 
l’Eau, les Glaces et l’Activité (OMEGA).Michalski et al.,N, 74oE), com elipse de aterrissagem proposta localizada no piso graben adjac
"teatro". Os valores de elevação de cor do MOLA sobrelaína em dados infravermelho diurno do Sistema de Imagem de Emissão Térm
Terra (5,6oS, 6,2o W), com elipse de pouso proposta ao lado do afloramento do material de "cloreto e clay-?bearing). THEMIS dados d
Eberswalde delta (24,3oS, 33,5oW), com elipse de pouso proposto em terreno plano a leste. Dados de imagem da Mars Orbiter Came
(e) Cratera Holden (26oS, 34oW), com elipse proposta no ventilador aluvial ao longo da parede da cratera sudoeste ao norte da culatr
MOLA sobrelaturados no infravermelho diurno THEMIS. Créditos de dados: MOC: NASA/JPL/MSSS; MOLA: NASA/JPL/GSFC; OMEG
NASA/JPL/ASU.
Restrições de engenharia baseadas em fatores ambientais
Os ditames mais básicos sobre onde e quando uma espaçonave pode pousar são chamados de “restrições de
engenharia”, e eles são determinados principalmente pela segurança da missão. A segurança supera a ciência e por
boas razões. Se uma missão não pode pousar com segurança, ela terá acabado antes de começar.
A seleção de locais de pouso é, portanto, regida por um conjunto de restrições de engenharia específicas de
“missão” que são exclusivas da arquitetura particular de uma determinada missão. Essas restrições fornecem a
https://i0.wp.com/eos.org/wp-content/uploads/2014/11/004619_F01.jpg?ssl=1
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estrutura ampla de lugares potencialmente aceitáveis para pousar, e os cientistas devem respeitar essas restrições
de engenharia na seleção dos locais de desembarque mais cientificamente relevantes.
Para as missões Apollo, a necessidade de manter constantes comunicações Terra-Lua mais restrições orbitais do
módulo de comando limitou a seleção inicial do local a uma “Zona Operacional Apollo” que englobava “55” de
longitude e ?5x de latitude (ou seja, o lado equatorial próximo da Lua) [Beattie e El-Baz, 1970]. De forma análoga em
Marte, os potenciais locais de aterrissagem para os Rovers de exploração marcianizado (MERs) movidos a energia
solar (MERs) foram igualmente confinados a uma zona equatorial que se estende de 10oN a 15oS de latitude devido
à insolação e às restrições de energia concomitantes [Golombek et al., 2003]. Embora o rover MSL seja alimentado
por um gerador termoelétrico de radioisótopos, ele também tinha uma faixa restrita a ?30 euro de latitude para
considerações térmicas [Golombek et al., 2012].
No entanto, nem todas as restrições de engenharia são limites rígidos; alguns, como a latitude, podem ser um pouco
flexíveis. Por exemplo, as restrições iniciais de latitude MSL foram de 60o norte ou sul do equador de Marte
[Golombek et al., 2006]; mais tarde, estes foram reduzidos para -30 ?. Embora a fonte de energia nuclear do MSL
não dependa da luz solar para operar, a espaçonave tem uma faixa de temperatura operacional preferida.
Temperaturas mais frias significam que mais energia precisaria ser desviada para os aquecedores para manter
vários componentes eletrônicos sensíveis quentes e, portanto, menos potência estaria disponível para ciência e
mobilidade (o que significa distâncias de travessia menores, taxas de movimento mais lentas e menos amostras
analisadas pelos instrumentos).
Restrições do sistema de aterramento
Além de restrições de energia e térmicas, muitos dos principais parâmetros que determinam se um determinado
local é acessível para aterrissagem decorre da trajetória e do sistema de pouso da espaçonave de entrada. Por
exemplo, para as missões Mars Pathfinder, MER e MSL, um local de pouso teve que estar em ou abaixo de uma
elevação de 0,0, 1,3 e menos de 1,0 km, respectivamente (como Marte não tem nível do mar, elevações são
relatadas em relação a uma elevação média de referência). Sites acima desses limites de elevação teriam
densidade de coluna insuficiente da atmosfera para garantir a implantação completa dos pára-quedas usados para
retardar a espaçonave durante os processos de entrada, descida e pouso (EDL).
Seguindo os precedentes dos pousos da Apollo na Lua, a totalidade dos parâmetros de trajetória durante o processo
de EDL é usada para definir a elipse de dispersão de pouso de três oigma (ou elipse de pouso para abreviação), que
é o envelope de probabilidade para uma determinada região dentro da qual a espaçonave tem uma chance de
99,7% de pouso. Para a MSL, a elipse de pouso foi inicialmente cerca de 20 por 25 quilômetros.
A área da elipse de pouso da MSL mostra que, à medida que a tecnologia EDL melhorou, o tamanho da elipse de
pouso encolheu. Os longos eixos das elipses de pouso para a espaçonave Viking, Pathfinder e MER, em contraste
com MSL, foram 300, 200 e 82 quilômetros, respectivamente [Soffen, 1977; Golombek et al., 1997; Golombek et al.,
2003].
Uma elipse de aterrissagem menor permite aterrissar em uma variedade maior de locais candidatos. A cratera Gale,
o eventual local de pouso para MSL, foi considerada como um local potencial do MER, mas foi descartada devido à
consideração porque não podia acomodar a elipse de pouso MER maior. O tamanho nominal da elipse de pouso
para Marte 2020 é idêntico ao MSL, enquanto a elipse ExoMars é de 100 por 15 quilômetros [Vago et al., 2013], que
é comparável em tamanho às elipses de pouso MER e Mars Phoenix.
Um elemento final de consideração é a rugosidade dentro da elipse de pouso e caminho de aproximação. Um local
de pouso grosseiro ou rochoso apresenta um perigo significativo para qualquer sistema de pouso.
Embora a presença de uma tripulação tripulada aumente significativamente o grau de complexidade de uma missão,
no caso da Apollo 11, a capacidade de seu comandante de fazer correções de curso de última hora - minuto durante
a descida transformou um potencial de desembarque fracassado em um bem-sucedido. Tal feito seria difícil de
replicar com um sistema de pouso automatizado – os planejadores de missão só poderiam mitigar esse risco para
naves espaciais não tripuladas enviadas a Marte, evitando colocar elipses de pouso em áreas rochosas. Portanto,
há uma demanda crescente por fotografias de “alta resolução” de potenciais locais de pouso para certificar que eles
são quase livres de rocha.
Oficinas de seleção de sites
Durante o programa Apollo, a NASA estabeleceu um órgão consultivo conhecido como Grupo para o Planejamento
de Exploração Lunar [Beattie e El-Baz, 1970]. Tinha astrônomos, geólogos, geoquímicos, geofísicose engenheiros
especializados que foram encarregados de selecionar instrumentos científicos para missões sucessivas. Dentro
deste grupo, um comitê de seleção do local de pouso levou em conta todos os objetivos científicos no processo de
seleção e incorporou todas as restrições relevantes de engenharia. A seleção do local durante os anos Apollo não
era uma atividade estática, mas sim um processo contínuo, com seleções de missão posteriores planejadas com
flexibilidade para incorporar dados retornados por missões anteriores.
Começando com as missões fotográficas Mariner no final da década de 1960, a exploração de Marte começou
durante a preparação para os desembarques da Apollo. Devido a essa sobreposição temporal, a seleção do local
para a primeira nave espacial pousar em Marte, Viking 1 em 1976, se beneficiou muito dos procedimentos de
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seleção do local desenvolvidos durante os pousos lunares da Apollo. Por padrão, o processo foi limitado a um
pequeno grupo de cientistas que estavam fortemente envolvidos com os esforços da NASA.
Um grupo maior de cientistas e engenheiros participou do processo de seleção de locais abertos para a missão Mars
Pathfinder [Golombek et al., 1997], e um grupo ainda maior participou do processo para as missões MER [Golombek
et al., 2003; Grant et al., 2004]. A crescente inclusão do processo de seleção do local tem aumentado com o advento
da Internet, ou seja, a facilitação de comunicações instantâneas e mundiais com todos os interessados em
exploração planetária. A ampla contribuição da comunidade para o processo de seleção é um testemunho desse
desenvolvimento excepcional.
Para a missão MSL, cinco oficinas públicas abertas foram convocadas entre 2006 e 2011 por seu comitê diretor do
local de pouso para solicitar e avaliar potenciais locais de pouso [ 2011; 2012]. Dos locais propostos, várias dezenas
foram posteriormente designadas para alvos especiais por naves espaciais existentes que orbitam Marte, incluindo o
Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), dando aos participantes da oficina acesso a dados de resolução de "altos - ? -
em locais específicos em Marte.
Essas observações direcionadas foram fundamentais para envolver os cientistas com os workshops. Câmeras e
espectrômetros de alta resolução em MRO e outros orbitadores são extremamente poderosos, mas suas vistas
detalhadas da superfície vêm com um trade-off: cobertura espacial limitada. Por exemplo, estima-se que o
Experimento de Ciência da Imagem de Alta Resolução (HiRISE) só será capaz de visualizar menos de 2% da
superfície marciana em sua resolução máxima, mesmo depois de passar 8 anos em órbita com operações quase
contínuas.
Assim, direcionar câmeras orbitais para possíveis locais de pouso em Marte permite que os cientistas obtenham
uma imagem detalhada de um local favorito que, de outra forma, não seria examinado – isso por si só pode ser um
benefício real para os cientistas participantes. De fato, esse é um dos principais incentivos usados para fazer com
que os participantes doem tempo e esforço para um processo de seleção de sites.
Escolhendo futuros locais de desembarque em Marte
A primeira oficina de local de pouso para o rover ExoMars 2018 da ESA foi realizada em 26 a 28 de março de 2014
em Madri, Espanha. Os locais sob consideração para o rover Mars 2020 da NASA receberam uma primeira exibição
semelhante em uma oficina que foi realizada 14 a 16 de maio de 2014 em Washington, D. C. (em inglês).
Que tipo de site queremos visitar em Marte? Em primeiro lugar, a localidade escolhida deve estar alinhada com os
objetivos científicos da missão. A ExoMars e a Mars 2020 têm objetivos científicos relacionados, mas distintos, e
cada um será direcionado a um local para maximizar seu retorno científico. O rover ExoMars terá a capacidade de
perfurar até 2 metros na subsuperfície e procurará evidências de compostos orgânicos de um ambiente que é
protegido da radiação superficial. O rover Mars 2020 caracterizará um ambiente antigo astrobiologicamente
relevante e procurará potenciais bioassinaturas, e é encarregado de montar um cache diversificado de amostras de
Marte para ser devolvido à Terra por uma missão futura.
Uma maneira de estreitar a lista potencial dos locais candidatos é por modo inferido de deposição ou formação.
Entre os sítios mais altos estão aqueles com sedimentos subaquosos ou depósitos hidrotermais [Mustard et al.,
2013]. Esses processos formativos são inferidos a partir de evidências morfológicas e mineralógicas.
Por exemplo, alguns dos indicadores morfológicos mais claros da atividade aquosa passada são depósitos de canal
indicativos de atividade fluvial passada ou o ventilador terminal ou depósitos delta presentes dentro das bacias
(como na cratera Holden nas terras altas do sul de Marte ou nas delta vizinhas de Eberswalde). Embora existam
algumas evidências espectroscópicas para fases de alteração limitadas presentes nesses locais, a força dessas
características espectrais é ofuscada pelas assinaturas espectrais dos depósitos maciços de argila na região de
Mawrth Vallis (possivelmente formada por cinzas vulcânicas ou pelo intemperismo de rochas para formar solo).
Outros locais de interesse incluem locais de cloreto de ?clay, como East Margaritifer Terra e sítios com potencial
alteração hidrotermal perto de Nili Fossae. Veja a Figura 1 para os locais desses locais em Marte.
Um elemento atrativo da lista de sítios de referência candidatos identificados por McLennan et al. [2012] é que eles
contêm rochas aquosas ou sedimentares e rochas ígneas. O acesso ao material ígneo de uma unidade vulcânica
generalizada forneceria um importante ponto de calibração para a compreensão da escala de tempo marciana. Uma
prévia mais completa de alguns dos sites potenciais é fornecida nas informações de suporte adicionais na versão
online deste artigo.
No entanto, é justificado algum cuidado ao tentar selecionar um local de pouso com base em seu modo de formação
percebido. A seleção da cratera Gusev como um local de pouso MER foi motivada por evidências de atividade
lacusrina passada, mas evidências de processos de paleolacustrina acabaram por ser enterradas sob fluxos de lava
subsequentes. Descobertas fortuitas nas colinas próximas de Columbia Hills indicam que Gusev é um excelente
exemplo de um local com atividade hidrotermal passada, mas tal conexão não poderia ser estabelecida apenas a
partir de dados orbitais.
Uma divisão mais pragmática de potenciais locais de pouso é entre aqueles para os quais os principais objetivos
científicos estão inteiramente dentro do elipse de pouso (apelidado de “land-on” locais) onde os objetivos científicos
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/action/downloadSupplement?doi=10.1002%2F2014EO350001&file=eost2014EO350001-sup-0001-f01.pdf
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que motivaram sua seleção estão localizados fora da elipse de pouso (chamados locais “go-to”). Tal fator de
distinção em considerações sobre possíveis melhorias tecnológicas da EDL.
Lições aprendidas com a MSL
Assim como as missões Apollo posteriores se beneficiaram das experiências adquiridas no início da missão, o
mesmo aconteceu com o programa de exploração de Marte construído sobre a experiência passada. Com MSL,
apesar da colocação favorável da elipse de pouso dentro da cratera Gale, parece improvável que o rover atinja seus
objetivos científicos primários no monte central [por exemplo, 2011] antes do final de sua missão primária. Isso se
deve em parte à sua fase de comissionamento estendido e à taxa de movimento relativamente lenta do rover (ou
seja, incluindo pausas para operações de ciências de superfície estacionárias). A MSL provavelmente alcançará
esse objetivo durante uma missão estendida. No entanto, esse ritmo prolongado de exploração deve dar à
comunidade científica uma pausa em sua concepção de longos deslocamentos de rover em futuros locais de pouso.
Relevante para a caracterização de locais potenciais como land-on versus go-to, um elemento crítico para o
processo de seleção do local de pouso de Marte 2020 seráa adição potencial de novas tecnologias EDL. Por
exemplo, o acionamento do pára-quedas para abrir usando uma medida do alcance para o solo, em vez do gatilho
atual baseado em velocidade, poderia reduzir o tamanho da elipse de 25 por 20 quilômetros para 18 por 13
quilômetros, permitindo assim a colocação da elipse mais perto de alvos de interesse que são muito ásperos para
um pouso direto e reduzindo as distâncias de rotação necessárias.
Além dessa opção de “gatilho de alcance”, existem algumas considerações adicionais de permitir a manobrabilidade
da espaçonave durante a fase de descida [Mustard et al., 2013]. As aterrissagens conduzidas com essas
capacidades aprimoradas poderiam ser potencialmente mais tolerantes aos perigos (por exemplo, áreas isoladas
com encostas íngremes ou rochas), abrindo assim mais locais para consideração potencial.
Estar envolvido na seleção de sites é uma tremenda oportunidade para todos os estudantes de ciência e
engenharia; qualquer pessoa com interesse em exploração planetária é bem-vinda para participar e ajudar a
escolher um futuro local de pouso em Marte. Se as próximas missões a Marte são enviadas para locais previamente
propostos ou alguns locais ainda não identificados, ainda está por ser determinado, mas nunca é muito cedo para
começar a planejar com antecedência.
Agradecimentos
J. A J. T. foi apoiado em parte para este trabalho pela concessão da NASA MDAP NNX11AN01G. Agradecemos a
John Grant por discussões úteis e Bethany Ehlmann, Joseph Michalski, e um crítico anônimo por revisões
perspicazes que melhoraram o manuscrito.
Referências
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Informações do autor
Bradley J. (em inglês). Thomson e Farouk El-Baz, Centro de Sensoriamento Remoto, Universidade de Boston,
Boston, Massachusetts; e-mail: bjt.bu .edu
? 2014 Em 2014 União Geofísica Americana. Todos os direitos reservados.
? 2014 Em 2014 União Geofísica Americana. Todos os direitos reservados.
https://undefined/mailto:bjt@bu.edu