Framtiden för Mars-utforskning kan vila på ett segelflygplan

NASA/JPL-Caltech

Under de senaste decennierna har Mars blivit den mest utforskade planeten i solsystemet (efter jorden). Den har varit värd för dussintals besökare. Faktum är att åtta uppdrag verkar för närvarande på och runt den röda planeten. Den äldsta av dessa anlände 2001 — Mars Odyssey orbiter, som förväntas vara i drift fram till 2025. Fler uppdrag planeras då NASA, och kanske andra rymdorganisationer, arbetar mot målet att återföra Mars-prover till jorden och så småningom skicka människor.

Båda dessa mål kommer att kräva mycket mer detaljerade kartor över marken. Rovers tillhandahåller denna typ av detaljer men kan bara resa några meter om dagen. NASA:s Opportunity-rover reste imponerande 45 kilometer (28 miles) under sitt uppdrag men tog nästan 15 år att göra det.

Så planetforskare letar efter sätt att utforska planetens yta snabbare. En idé är att skjuta upp ett plan i Mars atmosfär med en motor som kan hålla det uppe. Ett sådant uppdrag skulle kunna täcka stora avstånd men skulle bli dyrt och kosta uppemot 350 miljoner dollar.

Ett billigare tillvägagångssätt är att piggyback på ett större uppdrag. Så en annan idé är att en Mars-rover ska bära en quadcopter som kan övervaka det omgivande området. Men sådana flygningar kommer att vara korta och med begränsad räckvidd.

Vad som behövs är ett fordon som är tillräckligt litet för att kunna åka med på ett annat uppdrag och som ändå klarar stora avstånd.

Idag säger Adrien Bouskela, Aman Chandra och kollegor vid University of Arizona att de har utarbetat just ett sådant uppdrag. Deras idé är att skjuta upp ett motorlöst segelflygplan in i Mars atmosfär och att hålla det uppe genom att använda termiska uppströmmar – stigande kolumner av varm luft – för att nå höjd. Segelflygplanet kommer att vara uppblåsbart och kunna packas i en volym som är liten nog att bäras som en sekundär nyttolast på ett större uppdrag till Mars.

Först lite bakgrund. Den rymdfarkost som för närvarande kretsar kring Mars kan ta bilder med en upplösning på 30 centimeter per pixel. Planetforskare håller gradvis på att sammanställa dessa till en relativt högupplöst karta över Mars yta.

Men de behöver bilder med högre upplösning för att planera framtida landeruppdrag. Fram till nu har de flesta rovers landat på relativt platta slätter, där chanserna att träffa ett stenblock eller krater är små. Dessa områden tenderar att vara mindre intressanta vetenskapligt. Istället skulle planetgeologer älska att besöka dalarna och åsarna som verkar vara formade av vatten. Att landa säkert på sådana platser kräver bilder som kan lösa upp små stenar och kratrar som kan skada farkosten vid kollisionen.

Landers tillhandahåller denna typ av detaljer, och kan ta bilder med en upplösning på 1 centimeter per pixel över 100-metersområdet runt dem. Men de är inte kapabla att resa de stora avstånd som krävs för att nå intressanta regioner. Det är därför forskare har riktat sin uppmärksamhet mot flygande maskiner.

Att flyga på Mars är en knepig affär. Medan gravitationen är låg, ungefär en tredjedel av jordens, är atmosfären bara en hundradel så tät. Det gör det svårt att generera lyft.

Så det nya glidflygplanets vingar måste vara enorma i förhållande till dess vikt. Segelflygplanet kommer att bära en 5-megapixelkamera, ett radiokommunikationsset, en inbyggd dator och en uppsättning solpaneler med batterier för att lagra tillräckligt med ström under dagen för att hålla den vid liv på natten. Bouskela och co beräknar att utöver de uppblåsbara vingarna och rodret kommer glidplanet att väga 5 kilo—ungefär massan av en kungsörn.

De fortsätter med att beräkna att för att hålla denna massa uppe måste vingarna ha en spännvidd på nästan 6 meter (20 fot) och flyga med hastigheter på cirka 100 meter per sekund. Som jämförelse kan kungsörnar hålla sig uppe på jorden med ett vingspann på 2 meter medan de flyger med 15 meter per sekund.

Segelflygplanet kommer att utplaceras under huvuduppdragets inträde i Mars-atmosfären och kastas ut från den huvudsakliga nyttolasten på en höjd av cirka 2 kilometer. En kvävegenerator kommer att blåsa upp och trycksätta segelflygplanet på mindre än 10 sekunder, och dess vingar kommer att hårdna under den närmaste timmen eller så när de härdas av Mars solljus.

Uppblåsbar teknik som denna har redan testats på Mars. Både Mars Pathfinder-landaren och Mars MER-rovers förlitade sig på krockkuddar som blåstes upp när farkosten gick ner genom atmosfären och sedan dämpade deras nedslag mot marken. De utvecklas även för små satelliter som kommunikationsantenner, säger Bouskela och co.

En viktig del av uppdraget kommer att vara den autonoma förmågan att utnyttja stigande strömmar i Mars atmosfär. Sådana system på jorden har visat förmågan att hålla sig uppe i veckor eller månader.

Om Mars har en vindprofil som jordens – det vill säga en liknande förändring i vindhastighet med höjden – så borde ett liknande tillvägagångssätt också fungera på den röda planeten. Faktum är att teamet har skapat numeriska simuleringar av dessa typer av flygningar på Mars.

Resultaten tyder på att den här typen av autonoma svävningar skulle kunna hålla segelflygplanet uppe under långa perioder förutsatt att det finns en tillräckligt stor förändring i vindhastighet med höjden. Mer arbete kommer att behövas för att avgöra om det faktiskt är fallet på Mars under hela året och över ytan.

Ändå kan till och med några timmars flygning generera värdefull data. Kameran ombord skulle ha en markupplösning på cirka 10 centimeter, och med en hastighet av 100 meter per sekund skulle segelflygplanet kunna klara många hundra kilometer. Segelflygplanet skulle skicka bilderna till en kretsande relästation som Mars Reconnaissance Orbiter, som sedan skulle skicka hem dem.

Ett sådant uppdrag kan kasta ljus över ett antal enastående Mars-mysterier. En av dessa är de förbryllande linjerna som bildas på vissa marsbackar när de värms upp när sommaren kommer. Dessa tros skapas av flödet av saltvatten, men bättre observationer behövs desperat.

Segelflygplanet kan också hjälpa till att hitta potentiella landningsplatser för framtida uppdrag. Mars-segelplanskonceptet som föreslås här ger en helt ny väg för att accelerera utforskningen av Mars-ytan till en bråkdel av kostnaden för tidigare Mars-flygplanskoncept, säger Bouskela och co.

En sak som laget saknar är dock en känsla av Hollywood. De mest framgångsrika uppdragen är ofta de som producerar ikoniska bilder. Tänk på Neil Armstrong som står vid en amerikansk flagga på månens yta, eller Elon Musks stjärnman som kör en Tesla förbi planeten Jorden. Den typen av bilder spelar en mycket större roll i allmänhetens uppfattning om framgång än någon dataplot.

Vad det här glidflygplanet behöver är en liten vidvinkelkamera på svansrodret eller vingspetsen som skickar tillbaka bilder av själva fordonet under flygning. Pengaskottet skulle vara segelflygplanet som svävar över Valles Marineris - Mars Grand Canyon - med en Marssol uppflugen över en utomjordisk horisont och kanske en ljusblå prick inbäddad i närheten. Teamet har faktiskt skapat en bild precis som denna för att marknadsföra sitt fordon!

Neil Armstrongs image kostade en betydande del av USA:s ekonomi. Så till en kostnad av endast 36 miljoner dollar - kycklingfoder för Mars-uppdragsplanerare - skulle den här Mars-glidarbilden verka ganska bra valuta för pengarna. Och om Bouskela och co förväntar sig att den amerikanska allmänheten ska betala för detta uppdrag, är det minsta de kan göra att skicka hem ett vykort.

Ref: https://arxiv.org/abs/1902.02083 : Attitydkontroll av ett uppblåsbart segelplan för Mars-utforskning

Dölj