Når man reiser til langt utenfor land, pakker man forsiktig. Det du bærer på må være omfattende, men ikke så mye at det er en belastning. Og når du ankommer, må du være forberedt på å gjøre noe ekstraordinært for å gjøre den lange reisen verdt.
Den forrige Space Magazine-artikkelen “Hvordan lander du på en komet?” beskrev Philaes landingsteknikk på kometen 67P / Churyumov-Gerasimenko. Men hva vil landsmannen gjøre når den ankommer og blir bosatt i sine nye omgivelser? Som Henry David Thoreau sa: "Det lønner seg ikke å reise verden rundt for å telle kattene på Zanzibar." Slik er det med Rosetta-lander Philae. Med scenesettet - valgt landingssted og landingsdato 11. november, er Philae-landeren utstyrt med et nøye gjennomtenkt sett med vitenskapelige instrumenter. Omfattende og kompakt er Philae som en sveitsisk hærs kniv med verktøy for å gjennomføre den første undersøkelsen på stedet av en komet på stedet.
Nå må du vurdere de vitenskapelige instrumentene på Philae som ble valgt for rundt 15 år siden. Akkurat som enhver god reisende, måtte det settes budsjetter som fungerte som begrensninger i instrumentvalget som kunne pakkes og bæres med på reisen. Det var maksimal vekt, maksimalt volum og kraft. Den endelige massen til Philae er 100 kg. Volumet er 1 × 1 × 0,8 meter (3,3 × 3,3 × 2,6 fot) omtrent på størrelse med en ovnsområde med fire brennere. Imidlertid må Philae fungere på en liten mengde lagret energi ved ankomst: 1000 Watt-timer (tilsvarer en 100 watt pære som går i 10 timer). Når strømmen er tappet, produserer den maksimalt 8 watt strøm fra solcellepaneler som skal lagres i et 130 Watt-timers batteri.
Uten noen forsikring om at de ville lande med suksess og produsere mer strøm, leverte Philae-designerne et batteri med høy kapasitet som kun lades en gang av de primære romfartssolarraysene (64 kvadratmeter) før nedstigningen til kometen. Med en første science-kommandosekvens ombord på Philae og batterikraften lagret fra Rosetta, vil ikke Philae kaste bort tid på å begynne analysen - ikke i motsetning til en rettsmedisinsk analyse - for å gjøre en "disseksjon" av en komet. Deretter bruker de det mindre batteriet som tar minst 16 timer å lade, men vil tillate Philae å studere 67P / Churyumov-Gerasimenko i potensielt måneder.
Det er 10 vitenskapelige instrumentpakker på Philae lander. Instrumentene bruker absorbert, spredt og avgitt lys, elektrisk ledningsevne, magnetisme, varme og til og med akustikk for å analysere kometens egenskaper. Disse egenskapene inkluderer overflatestruktur (morfologi og kjemisk sammensetning av overflatemateriale), indre struktur i P67, og magnetfeltet og plasmaer (ioniserte gasser) over overflaten. I tillegg har Philae en arm for ett instrument, og Philae hoveddel kan roteres 360 grader rundt Z-aksen. Stillingen som støtter Philae og inkluderer en støtdemper.
CIVA og ROLIS bildesystemer. CIVA representerer tre kameraer som deler noe maskinvare med ROLIS. CIVA-P (Panoramic) er syv identiske kameraer, fordelt rundt Philae-kroppen, men med to funksjoner i tandem for stereobilde. Hver har et synsfelt på 60 grader og bruker som 1024 × 1024 CCD-detektor. Som de fleste kan huske, har digitale kameraer avansert raskt de siste 15 årene. Philaes bilder ble designet på slutten av 1990-tallet, i nærheten av topp moderne, men i dag blir de overgått, i det minste i antall piksler, av de fleste smarttelefoner. Imidlertid, foruten maskinvare, har bildebehandling i programvare også avansert, og bildene kan forbedres for å doble oppløsningen.
CIVA-P vil ha den umiddelbare oppgaven, som en del av den innledende autonome kommandosekvensen, å kartlegge det komplette landingsstedet. Det er avgjørende for distribusjon av andre instrumenter. Den vil også bruke Z-aksen rotasjon av Philae kroppen for å kartlegge. CIVA-M / V er et mikroskopisk 3-fargebilder (7 mikron oppløsning) og CIVA-M / I er et nær infrarødt spektrometer (bølgelengdeområde fra 1 til 4 mikron) som vil inspisere hver av prøvene som leveres til COSAC & PTOLEMY-ovnene før prøvene varmes opp.
ROLIS er et enkelt kamera, også med en CCD-detektor 1024 × 1024, med den primære rollen å kartlegge landingsplassen i utforkjøringsfasen. Kameraet er fast og nedover rettet med et f / 5 (f-forhold) fokusjusterbart objektiv med et 57 graders synsfelt. Under nedstigningen er den satt til uendelig og tar bilder hvert 5. sekund. Elektronikken vil komprimere dataene for å minimere de totale dataene som må lagres og overføres til Rosetta. Fokus justeres like før touchdown, men deretter fungerer kameraet i makromodus for spektroskopisk å kartlegge kometen umiddelbart under Philae. Rotasjon av Philae-organet vil skape en "arbeidskrets" for ROLIS.
Multiroller-utformingen av ROLIS viser tydelig hvordan forskere og ingeniører samarbeidet for å redusere vekt, volum og strømforbruk totalt sett, og gjøre Philae mulig og sammen med Rosetta passet innenfor nyttelastgrensene for utskytningskjøretøyet, solbegrensningene for solenergi celler og batterier, begrensninger i kommandoen og datasystemet og radiosendere.
APXS-. Dette er en Alpha Proton røntgenspektrometer. Dette er et nærmest må-ha instrument av romforskerens sveitsiske hærkniv. APXS-spektrometre har blitt en vanlig armatur på alle Mars Rover-oppdrag, og Philae's er en oppgradert versjon av Mars Pathfinders. Arven etter APXS-designet er de tidlige eksperimentene av Ernest Rutherford og andre som førte til å oppdage strukturen til atomet og kvantiteten til lys og materie.
Dette instrumentet har en liten kilde til Alpha-partikkelutslipp (Curium 244) som er essensiell for å kunne fungere. Prinsippene for Rutherford Back-spredning av Alfa-partikler brukes for å oppdage tilstedeværelsen av lettere elementer som Hydrogen eller Beryllium (de som er nær en alfa-partikkel i masse, en Helium-kjerne). Massen til slike lettere elementære partikler vil absorbere en målbar mengde energi fra Alpha-partikkelen under en elastisk kollisjon; som skjer i Rutherford back-spredning nær 180 grader. Noen Alfa-partikler blir imidlertid absorbert i stedet for å reflekteres av kjernene i materialet. Absorpsjon av en Alfa-partikkel forårsaker utslipp av et proton med en målbar kinetisk energi som også er unik for den elementære partikkelen den kom fra (i det kometære materialet); dette brukes til å oppdage tyngre elementer som magnesium eller svovel. Til slutt kan indre skallelektroner i materialet av interesse bli utvist av Alpha-partikler. Når elektroner fra ytre skall erstatter disse tapte elektronene, avgir de en røntgenstråle med spesifikk energi (kvante) som er unik for den elementære partikkelen; tyngre elementer som Jern eller Nikkel er påviselig. APXS er legemliggjørelsen av fysikken fra det tidlige 1900-tallet.
CONSERT. COmet Nucleus Sounding Experiment by Radio wave Transmission, som navnet antyder, vil overføre radiobølger inn i kometens kjerne. Rosetta-omløperen overfører 90 MHz radiobølger og samtidig står Philae på overflaten for å motta med kometen som er bosatt mellom seg. Følgelig er reisetidspunktet gjennom kometen og radiobølgenes gjenværende energi en signatur av materialet den spredte seg gjennom. Mange radiosendinger og mottakelser av CONSERT gjennom en rekke vinkler vil være nødvendig for å bestemme den indre strukturen til kometen. Det ligner på hvordan man kan føle formen til en skyggefull gjenstand som står foran deg ved å panorere hodet til venstre og høyre for å se hvordan silhuetten endrer seg; totalt oppfatter hjernen din formen på objektet. Med KONSERT-data er det nødvendig med en kompleks avløsningsprosess ved bruk av datamaskiner. Presisjonen som kometens interiør er kjent med, forbedres med flere målinger.
MUPUS. Multifunksjonssensor for overflatevetenskap og undergrunnsvitenskap er en pakke med detektorer for å måle energibalansen, termiske og mekaniske egenskapene til kometenes overflate og under overflaten ned til en dybde på 30 cm (1 fot). Det er tre hoveddeler til MUPUS. Det er PEN som er penetratorrøret. PEN er festet til en hammerarm som strekker seg opptil 1,2 meter fra kroppen. Den sirkulerer med tilstrekkelig nedadgående kraft til å trenge gjennom og begrave PEN under overflaten; flere hammerslag er mulig. På spissen eller ankeret av PEN (penetratorrøret) er et akselerometer og standard PT100 (Platinum Resistance Thermometer). Sammen vil ankersensorenebestem hardhetsprofilen på landingsstedet og den termiske diffusiviteten i den endelige dybden [ref]. Når den trenger gjennom overflatene, indikerer mer eller mindre retardasjon hardere eller mykere materiale. PEN inkluderer en rekke 16 termiske detektorer langs dens lengde for å måle temperaturer under overflaten og varmeledningsevne. PEN har også en varmekilde for å overføre varme til det kometære materialet og måle den termiske dynamikken. Når varmekilden er slått av, vil detektorer i PEN overvåke temperaturen og energibalansen til kometen når den nærmer seg solen og varmer opp. Den andre delen er MUPUS TM, et radiometer øverst på PEN som måler termisk dynamikk på overflaten. TM består av fire termopilsensorer med optiske filtre for å dekke et bølgelengdeområde fra 6-25 um.
SD2 Prøvebor og distribusjonsinnretning vil trenge gjennom overflaten og undergrunnen til en dybde på 20 cm. Hver hentede prøve vil være noen få kubikk millimeter i volum og fordelt til 26 ovner montert på en karusell. Ovnene varmer prøven som skaper en gass som blir levert til gasskromatografene og massespektrometre som er COSAC og PTOLEMY. Observasjoner og analyse av APXS- og ROLIS-data vil bli brukt til å bestemme prøvetakingsstedene som alle vil være på en "arbeidskrets" fra rotasjonen av Philaes kropp om Z-aksen.
Cosac Økonomisk prøvetaking og sammensetning eksperiment. Den første gasskromatografen (GC) jeg så var på et college-laboratorium og ble brukt av laboratoriesjefen for rettsmedisinske tester som støttet den lokale politiavdelingen. Intilen til Philae er intet mindre enn å utføre rettsmedisinske tester på en komet hundre millioner millioner miles fra Jorden. Philae er effektivt Sherlock Holmes ’spionglass og Sherlock er alle forskerne tilbake på jorden. COSAC-gasskromatografen inkluderer et massespektrometer og vil måle mengdene av elementer og molekyler, spesielt komplekse organiske molekyler, som utgjør kometmateriale. Mens den første GC-lab jeg så nærmere var størrelsen på Philae, er de to GC-ene i Philae omtrent på størrelse med skobokser.
Ptolemaios. En utviklet gassanalysator [ref], en annen type gasskromatograf. Formålet med Ptolemy er å måle mengdene av spesifikke isotoper for å utlede isotopforholdene, for eksempel 2 deler isotop C12 til en del C13. Per definisjon har isotoper av et element samme antall protoner, men forskjellige antall nøytroner i kjernene. Et eksempel er de 3 isotoper av karbon, C12, C13 og C14; tallene er antall nøytroner. Noen isotoper er stabile, mens andre kan være ustabile - radioaktive og forfalle til stabile former av samme element eller til andre elementer. Det som er av interesse for Ptolemaios etterforskere er forholdet mellom stabile isotoper (naturlige og ikke de som er berørt av, eller som er et resultat av, radioaktivt forfall) for elementene H, C, N, O og S, men spesielt karbon. Forholdstallene vil være en indikator på hvor og hvordan kometer opprettes. Til nå har spektroskopiske målinger av kometer for å bestemme isotopforhold vært på avstand, og nøyaktigheten har vært utilstrekkelig for å trekke faste konklusjoner om kometenes opprinnelse og hvordan kometer henger sammen med dannelsen av planeter og utviklingen av solnebulaen, fødestedet til planetsystemet vårt rundt solen, stjernen vår. En utviklet gassanalysator vil varme opp en prøve (~ 1000 C) for å omdanne materialene til en gassform som et spektrometer kan nøyaktig måle mengder. Et lignende instrument, TEGA (Thermal Evolution Gas Analyzer) var et instrument på Mars Phoenix lander.
SESAME Overflatens elektrisk lyding og eksperiment med akustisk overvåkingDette instrumentet omfatter tre unike detektorer. Den første er SESAME / CASSE, den akustiske detektoren. Hver landingsfot på Philae har akustiske sendere og mottakere. Hver av bena vil svinge med å overføre akustiske bølger (100 Hertz til KiloHertz-rekkevidde) inn i kometen som sensorene til de andre benene måler. Hvordan den bølgen blir dempet, det vil si svekket og transformert av det kometære materialet den passerer gjennom, kan brukes sammen med andre kometære egenskaper fra Philae-instrumenter, for å bestemme daglige og sesongvariasjoner i kometens struktur til en dybde på omtrent 2 meter. I en passiv (lyttende) modus vil CASSE også overvåke lydbølger fra knirker, stønner inne i kometen forårsaket av potensielle belastninger fra solvarme og ventilasjonsgasser.
Neste er SESAME / PP-detektoren - Permittivity Probe. Permittivitet er målet for motstanden et materiale har mot elektriske felt. SESAME / PP vil levere et oscillerende (sinusbølge) elektrisk felt inn i kometen. Føttene til Philae fører mottakerne - elektroder og AC-sinusgeneratorer for å avgi det elektriske feltet. Motstanden til det kometære materialet til omtrent 2 meters dybde måles således og gir en annen vesentlig egenskap ved kometen - permittiviteten.
Den tredje detektoren heter SESAME / DIM. Dette er kometstøvtelleren. Det ble brukt flere referanser for å sammenstille disse instrumentbeskrivelsene. For dette instrumentet er det, hva jeg vil kalle, en vakker beskrivelse som jeg ganske enkelt vil sitere her med referanse. “Dust Impact Monitor (DIM) -kuben på toppen av Lander-balkongen er en støvsensor med tre aktive ortogonale (50 × 16) mm piezosensorer. Fra måling av den forbigående toppspenning og halve kontakts varighet, kan hastigheter og radier for støtpartikler påvirkes. Partikler med radier fra 0,5 til 3 mm og hastigheter fra 0,025 til 0,25 m / s kan måles. Hvis bakgrunnsstøyen er veldig høy, eller hastigheten og / eller amplituden til burst-signalet er for høy, bytter systemet automatisk til den såkalte gjennomsnittlig kontinuerlig modus; dvs. bare gjennomsnittlig signal blir oppnådd, noe som gir et mål på støvfluxen. " [Ref]
ROMAP Rosetta Lander magnetometer og plasma detektor inkluderer også en tredje detektor, en trykksensor. Flere romskip har blitt fløyet av kometer og et iboende magnetisk felt, et som er laget av kometens kjerne (hovedkroppen) har aldri blitt oppdaget. Hvis det eksisterer et iboende magnetfelt, vil det sannsynligvis være veldig svakt, og landing på overflaten vil være nødvendig. Å finne en ville være ekstraordinær og ville vende teorier om kometer på hodet. Lav og se Philae har et fluxgate magnetometer.
Jordens magnetiske (B) felt som omgir oss, måles i ti tusenvis av nano-Teslas (SI-enhet, milliarddel av en Tesla). Utover jordas felt er planeter, asteroider og kometer alle fordypet i solens magnetiske felt, som i nærheten av Jorden, måles i enkeltsifre, 5 til 10 nano-Tesla. Philaes detektor har en rekke +/- 2000 nanoTesla; en bare i tilfelle rekkevidde, men en enkelt tilbys av fluxgates. Den har en følsomhet på 1/100 av en nanoTesla. Så ESA og Rosetta kom forberedt. Magnetometeret kan oppdage et veldig minutt felt hvis den er der. La oss vurdere plasma-detektoren.
Mye av dynamikken i universet involverer samspillet mellom plasma-ioniserte gasser (vanligvis mangler en eller flere elektroner og dermed har en positiv elektrisk ladning) med magnetiske felt. Kometer involverer også slike interaksjoner, og Philae bærer en plasmadetektor for å måle energien, tettheten og retningen til elektroner og positivt ladede ioner. Aktive kometer slipper i hovedsak en nøytral gass ut i rommet pluss små faste (støv) partikler. Solens ultrafiolette stråling ioniserer delvis kometærgassen til kometens hale, det vil si skaper et plasma. Avstand fra kometkjernen, avhengig av hvor varmt og tett plasmaet er, er det et avstand mellom solens magnetfelt og halens plasma. Solens B-felt drapes rundt kometens hale som på en hvit laken drapert over en Halloween-triks eller -behandler, men uten øyehull.
Så på P67s overflate vil Philaes ROMAP / SPM-detektor, elektrostatiske analysatorer og en Faraday Cup-sensor måle frie elektroner og ioner i det ikke så tomme rommet. Et "kaldt" plasma omgir kometen; SPM vil detektere ionkinetisk energi i området 40 til 8000 elektronvolt (eV) og elektroner fra 0,35 eV til 4200 eV. Sist, men ikke minst, inkluderer ROMAP en trykksensor som kan måle veldig lavt trykk - en milliondel eller en milliardedel eller mindre enn lufttrykket vi liker på jorden. En Penning Vacuum måler brukes som ioniserer den primært nøytrale gassen nær overflaten og måler strømmen som genereres.
Philae vil frakte 10 instrumentsuiter til overflaten av 67P / Churyumov-Gerasimenko, men totalt representerer de ti 15 forskjellige typer detektorer. Noen er avhengige av hverandre, det vil si at man trenger flere datasett for å utlede visse egenskaper. Å lande Philae på kometoverflaten vil gi midler til å måle mange egenskaper for en komet for knyttnevetiden og andre med betydelig høyere nøyaktighet. Til sammen vil forskere komme nærmere forståelse av kometenes opprinnelse og deres bidrag til solsystemets utvikling.
