La scienza secondo Perseverance

La sua è una missione molto complessa ed è divisa in tre fasi. La prima consiste nella ricerca di tracce fossili lasciate da possibili forme di vita esistite nel passato antico di Marte, quando esso possedeva una densa atmosfera e una temperatura in grado di mantenere l’acqua in forma liquida. La seconda è quella di raccogliere diversi campioni di roccia da consegnare ad una futura missione conosciuta come Mars Sample Return che si occuperà di riportarli sulla terra per uno studio ancor più approfondito. La terza ed ultima fase testerà la possibilità di estrarre molecole di ossigeno O₂ direttamente dall’atmosfera di Marte, tappa fondamentale per l’esplorazione umana del pianeta rosso.

Luogo prescelto

Determinante per la riuscita della missione è stata anche la scelta del luogo di atterraggio: infatti, il cratere Jezero si è subito presentato come luogo peculiare per la ricerca di segni di antiche forme di vita. Dalle mappe topografiche, raccolte dai satelliti in orbita, si è potuto costatare come il cratere in un antico passato fosse un lago per via di un fiume immissario (il cui antico letto prende oggi il nome di Neretva Vallis) che riversava le acque al suo interno.

Ad attirare particolarmente l’interesse degli scienziati è stata la foce a delta dell’antico fiume con chiaro segno della deposizione di strati di sedimenti argillosi sul fondo del cratere, prova inconfutabile della presenza di acqua. L’esistenza di questo deposito dà due importanti informazioni, la prima indica che questo fiume, per dare la possibilità al delta di formarsi, ha alimentato il lago almeno per un periodo compreso tra 1 e 10 milioni di anni, tempo sufficiente per permettere a ipotetici microorganismi di proliferare. La seconda permette di studiare l’evoluzione del lago nel tempo e avere un quadro più chiaro delle sue condizioni ambientali.

Per poter esaudire al meglio gli obbiettivi della missione, Perseverance monta sette strumenti scientifici tecnologicamente molto avanzati realizzati da diversi istituti di ricerca sparsi tra gli Stati Uniti e l’Europa. Questi rendono Perseverance la prima sonda a cercare segni vita su un altro pianeta dai tempi delle sonde Viking.

Mastcam-Z

Il primo strumento, costruito da Malin Space Science System, costituisce “gli occhi” principali del Rover, essi infatti permetteranno di ottenere immagini panoramiche a grande campo ad altissima risoluzione. Le due camere che costituiscono la Mastcam-Z, oltre a restituire immagini stereoscopiche del paesaggio di Marte, sono anche molto sensibili ai colori. Questo significa in termini fotografici che i frame raccolti sono dotati di elevata dinamica e quindi, con una tecnica di elaborazione simile a quella usata per realizzare le Mineral Moon, permettono di poter scorgere ogni singola sfumatura del terreno marziano, per poter così selezionare le formazioni di roccia più interessanti da analizzare nel dettaglio con altri strumenti. In ambito scientifico, questa tecnica permette di fare stratigrafia per studiare la storia dell’antico lago, inoltre sarà possibile riconoscere le rocce ignee e quelle sedimentarie come quelle argillose, le quali risultano le più adatte nella conservazione di tracce fossili di vita primordiale.

MEDA (Mars Enviromental Dynamics Analyzer)

Il secondo strumento costituisce la centrale metereologica del rover. Il MEDA è stato realizzato dal Centro di Astrobiologia dell’Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial in Spagna ed è un set di sensori che forniranno misurazioni di temperatura, velocità e direzione del vento. Misureranno anche pressione, umidità relativa e natura del pulviscolo in sospensione nell’atmosfera Marziana. Potrà anche studiare la dispersione degli aerosol, indagare maggiormente sui diavoli di sabbia e studiare come polvere e ghiaccio possano influire sulla luce solare che arriva sulla superficie. Poter stilare bollettini giornalieri locali sarà particolarmente utile per poter preparare e organizzare al meglio l’esplorazione umana del pianeta rosso quando si costruiranno le prime basi scientifiche.

MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment)

Questo strumento, realizzato dal MIT e assemblato al Jet Propulsion Laboratory, è un dimostratore tecnologico ed è stato appositamente progettato per raggiungere uno degli obbiettivi più ambiziosi dell’intera missione, estrarre molecole di ossigeno direttamente dall’atmosfera marziana. È a tutti gli effetti uno strumento ISRU che in gergo tecnico significa in situ resource utilization, ovvero che per operare lo strumento raccoglie, conserva e utilizza solo risorse presenti nel luogo in cui MOXIE si trova. Per estrarre molecole di ossigeno il dispositivo assorbe la CO₂ presente nell’atmosfera di Marte e la immette in un contenitore stagno. All’interno di esso si trovano un compressore, un filtro e una pila di ceramica rigorosamente testata che esegue la reazione elettrolitica che, in caso di successo, porterà alla produzione di 10g di ossigeno O₂ all’ora. Realizzare MOXIE non è stata impresa facile, infatti l’atmosfera su Marte è un centinaio di volte più rarefatta che sulla Terra, quindi produrre ossigeno in quantità non è così semplice. Anche se l’aria è molto ricca di anidride carbonica da cui estrarre l’ossigeno, la bassa pressione atmosferica limita fortemente la quantità di aria ambiente che fluttua nel nucleo reattivo di MOXIE. Il suo compressore, tuttavia, aspirerà l’anidride carbonica nelle vicinanze ed alimenterà l’unità di elettrolisi a una pressione simile a quella terrestre. Lì, un catalizzatore chimico che opera a 800 gradi Celsius, strapperà un atomo di ossigeno da ogni molecola di CO₂ in arrivo. Pertanto, le coppie di atomi di ossigeno si combineranno rapidamente per formare l’ossigeno biatomico stabile O₂ insieme al monossido di carbonio CO.
In breve, la reazione elettrolitica è la seguente:

2CO₂ → 2CO + O₂

Nel caso in cui il test dovesse avere successo, la NASA nei prossimi anni potrebbe inviare uno strumento cento volte più potente alimentato da un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) per la produzione e l’immagazzinamento di ossigeno in vista di future missioni umane dopo il 2030. Un tale strumento produrrebbe 2Kg di ossigeno l’ora, quantità necessaria al fabbisogno di un piccolo equipaggio di astronauti (considerando che in media ogni persona necessita di 0.84Kg di ossigeno al giorno).

PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry)

Il quarto strumento del Rover, localizzato all’estremità del braccio robotico, è PIXL, uno spettrometro a fluorescenza X costruito dal Centro Spaziale Nazionale Danese (DTU Space). In questo caso il metodo di analisi è detta Spettrofotometria XRF che permette di conoscere la composizione elementare di un campione attraverso lo studio della radiazione di fluorescenza X.

Questa tecnica consiste nel bombardare un campione con raggi X prodotti da una sorgente. Questi ultimi eccitano gli atomi del campione fino a causare l’effetto fotoelettrico. Quando un atomo subisce una radiazione incidente di una certa frequenza, può capitare che un suo elettrone passi da uno stato di energia E1 ad uno stato eccitato E2. Dopo qualche istante l’elettrone ritorna allo stato di partenza rilasciando l’energia ricevuta in forma di fotoni. Il ritorno dei fotoni emessi dagli elettroni, stavolta con frequenza maggiore della radiazione incidente emessa da PIXL, genera la fluorescenza a raggi X del campione e in base alla caratteristica dei fotoni emessi si può stimare, con grande precisione, l’abbondanza di elementi chimici nel campione. PIXL può così rilevare facilmente più di 26 elementi chimici diversi in un tempo di circa 10s. La sezione che potrà essere esaminata nel corso di un’analisi avrà la dimensione di un francobollo, con PIXL che si muoverà lungo uno schema a griglia sulla sezione interessata.

RIMFAX (Radar Imager for Mars’ subsurFAce eXperiment)

Il quinto strumento montato sul rover è RIMFAX, un radar prodotto dalla Norwegian Defence Research Establishment (FFI) basato sulla tecnologia GPR (Ground Penetrating Radar). Il GPR è un metodo di analisi geofisica tra le più avanzate esistenti. Dispositivi di questo tipo sono dotati di antenne che possono emettere segnali con frequenze maggiori di 500MHz. In questo range le onde radio sono in grado di penetrare il terreno e possono restituire importanti dati sulla sua struttura interna. Una qualsiasi onda elettromagnetica, infatti, quando colpisce un corpo viene riflessa in maniera differente a seconda dalla natura di quest’ultimo. Conoscendo le proprietà di qualsiasi elemento chimico è possibile riconoscere la composizione di uno strato geologico non accessibile direttamente.

Le onde radio prodotte da RIMFAX, che avranno una frequenza compresa tra 150Mhz e 1.2GHz, potranno essere scelte in base alla profondità del sedimento che si vuole analizzare fino a circa 10 metri di profondità. Esso sarà sempre in funzione durante gli spostamenti del rover in modo da eseguire una scansione completa anche in punti non raggiungibili da Perseverance. Questo “superpotere” permetterà di conoscere, con un dettaglio senza precedenti, la storia completa di uno strato di sedimenti. Potranno così essere analizzate anche le parti più antiche non deturpate dall’erosione atmosferica e dalla radiazione solare.

SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics & Chemicals)

Il penultimo strumento dal nome lunghissimo di questa missione è SHERLOC, uno spettrometro Raman a raggi ultravioletti sviluppato presso il Jet Propulsion Laboratory. Il suo compito è quello di rilevare minerali e composti organici presenti nei campioni di roccia.

La spettroscopia Raman è una tecnica di analisi dei materiali basata sul fenomeno di diffusione di una radiazione elettromagnetica monocromatica da parte del campione analizzato, come ad esempio un fascio laser di un unico colore. Quello che avviene in questo caso è un processo chiamato Scattering Raman. In genere un fascio di luce che incide su un campione lo attraversa senza subire modifiche oppure viene assorbito (a seconda della lunghezza d’onda della luce e della natura del campione). Una piccola parte del fascio incidente viene diffusa elasticamente, ossia con la medesima frequenza. Tuttavia, una piccola percentuale di luce subisce una diffusione anelastica (effetto Raman): viene cioè diffusa con una frequenza più alta o più bassa di quella originaria. Quindi, in base allo spettro della luce riflessa dal campione, si possono ricavare importanti informazioni sulla composizione chimica e sulla struttura molecolare di quest’ultimo. Questo metodo di spettroscopia è ad energia minore rispetto a quello utilizzato da PIXL per il semplice fatto che le molecole organiche, essendo strutture molto complesse rispetto ai singoli atomi, a energie maggiori si spezzerebbero rendendo impossibile la loro rilevazione. Inoltre, questo strumento farà luce sulle condizioni ambientali presenti quando i composti chimici rilevati si sono formati.

SuperCam

L’ultimo strumento di Perseverance è SuperCam che, posto in cima alla testa robotica del rover, è il più iconico dell’intera missione. Esso deriva direttamente dalla ChemCam del rover Curiosity ed è frutto della collaborazione tra i Laboratori Nazionali di Los Alamos e l’Istituto Francese di Ricerca e Planetologia (IRAP). Lo strumento esegue analisi remote di rocce e suoli con una telecamera, due laser (LIBS e Raman) focalizzati per formare un plasma che atomizza ed eccita i campioni, i quali vengono analizzati infine da quattro spettrometri. Lo scopo di SuperCam è quello di verificare che nel passato di Marte siano esistite molecole organiche e tracce di possibili microorganismi.

Il LIBS (Spettroscopia di rottura indotta dal laser) opera focalizzando il laser su una piccola area del campione. Quando il laser viene scaricato, vaporizza una quantità molto piccola di materiale che genera un pennacchio di plasma con temperature superiori a 100.000 gradi Celsius. Durante la raccolta dei dati, tipicamente dopo che è stato raggiunto l’equilibrio termodinamico locale, le temperature del plasma variano da 5.000 a 20.000 gradi Celsius. Durante questa fase il plasma si espande a velocità supersoniche e si raffredda. A questo punto si possono osservare le caratteristiche righe di emissione atomica degli elementi. Nel caso di Perseverance, il LIBS emette un fascio laser con lunghezza d’onda di 1064nm (vicino infrarosso) e permette di indagare su bersagli distanti fino a circa 7m dal rover. Inoltre, durante la scarica del laser, lo strumento è dotato di un microfono che si occuperà di registrare il suono prodotto dalla vaporizzazione del campione. Il secondo laser opera invece attraverso la spettroscopia Raman (tecnica già descritta in precedenza) che gli permette di analizzare campioni fino ad una distanza di circa 12 metri, inoltre, il laser ha una lunghezza d’onda di 532nm (colore verde). L’ultima parte del lavoro è svolta dai 2 restanti spettroscopi, con il primo che utilizza la tecnica di misurazione del Time-resolved fluorescence (TRF), un metodo di analisi utilizzato in biologia che ha la capacità di misurare le variazioni nelle interazioni fra le molecole, le quali avvengono nell’arco di qualche miliardesimo di secondo. Per questo motivo risulta una tecnica utile nello studio dell’analisi strutturale e dinamica delle biomolecole. Il secondo e ultimo spettroscopio opera, con un intervallo di lunghezze d’onda compresa tra i 400 e 932nm, nello spettro visibile e in quello infrarosso (VISIR). SuperCam, infine, acquisirà anche immagini ad alta risoluzione dei campioni in studio per mezzo di un microimager remoto a colori (RMI). La raccolta di dati fornita da questa suite di misurazioni, correlate su un campione, potrà essere utilizzata per determinare direttamente la geochimica e la mineralogia dei campioni. Il grande vantaggio di SuperCam sta nel fatto che le misurazioni potranno essere acquisite rapidamente senza la necessità di posizionare il rover o il suo braccio sul bersaglio, facilitando le operazioni su Marte con misurazioni rapide ed efficienti.

Potenza Elettrica

Per far operare al meglio tutti gli strumenti scientifici appena descritti, Perseverance ha bisogno, ovviamente, di energia. Grazie ad un generatore termoelettrico a radioisotopi (MMRTG) posto nella parte posteriore, il rover può assicurarsi un sistema di alimentazione di energia elettrica stabile e duraturo nel tempo. Un MMRTG sfrutta il calore prodotto dal decadimento di un isotopo radioattivo per produrre energia. Questo processo è possibile grazie all’Effetto Seebeck. Nel dettaglio, questo fenomeno è un effetto termoelettrico per cui, in un circuito chiuso costituito da conduttori metallici o semiconduttori, una differenza di temperatura tra i capi dei due conduttori genera una differenza di potenziale e quindi elettricità. Il generatore assicurerà al rover un’operatività di almeno 14 anni fornendo una potenza media di 110W che calerà gradualmente nel tempo. Come in gran parte degli MMRTG forniti alla NASA, l’isotopo radioattivo scelto in questo caso è il Plutonio 238 che però è presente in forma di diossido, un materiale ceramico resistente alla rottura. I moduli, infatti, per evitare qualsiasi forma di contaminazione radioattiva, sono progettati per resistere ad ogni possibile eventualità. Uno schermo esterno in grafite provvede alla protezione contro i danni strutturali che potrebbero essere causati da vari eventi, come: un’ esplosione o un incendio del veicolo di lancio, un impatto violento sul terreno o in acqua oppure danni termici e corrosivi come un rientro in atmosfera. Il generatore MMRTG non si limita ad alimentare elettricamente il rover, infatti il calore in eccesso mantiene gli strumenti alle loro corrette temperature di funzionamento. In caso contrario le temperature rigide di Marte, che nel cratere Jezero oscillano mediamente intorno ai -63°C, danneggerebbero tutti i circuiti elettrici della strumentazione.

L’MMRTG carica anche due batterie agli ioni di litio, che vengono utilizzate durante le operazioni quotidiane e quando il fabbisogno energetico supera i livelli medi di potenza elettrica. La richiesta di energia di Perseverance può raggiungere i 900W durante le attività scientifiche, soprattutto quando sarà in funzione MOXIE, al quale occorrono 300W di potenza per poter operare. Non sono stati scelti i pannelli solari per il fatto che Perseverance dovrà operare in modo estremamente efficiente per portare a termine la sua missione principale. Un MMRTG consente al rover di lavorare senza limitazioni, come ad esempio le variazioni giornaliere e stagionali della luce solare su Marte e l’accumulo della polvere fine. Questa fonte di energia fornisce inoltre agli ingegneri una preziosa flessibilità nell’utilizzo del Perseverance come le comunicazioni, la mobilità o le attività scientifiche durante il giorno e la notte. Nel complesso, il generatore termoelettrico a radioisotopi consente di massimizzare le capacità operative del rover e dei suoi strumenti scientifici.