Når man rejser til langt fra lande, pakker man forsigtigt. Hvad du bærer skal være omfattende, men ikke så meget, at det er en byrde. Og når du ankommer, skal du være parat til at gøre noget ekstraordinært for at gøre den lange rejse værd.
Den forrige artikel i Space Magazine "Hvordan lander du på en komet?" beskrev Philaes landingsteknik på kometen 67P / Churyumov-Gerasimenko. Men hvad vil landmanden gøre, når den ankommer og bliver bosat i sine nye omgivelser? Som Henry David Thoreau sagde: "Det er ikke værd at gå rundt i verden for at tælle kattene i Zanzibar." Så er det med Rosetta-landeren Philae. Med scenesættet - valgt landingssted og landingsdato den 11. november, er Philae-landeren udstyret med et nøje gennemtænkt sæt videnskabelige instrumenter. Omfattende og kompakt er Philae ligesom en schweizisk hærkniv af værktøjer til at gennemføre den første (in-situ) undersøgelse på stedet af en komet.
Overvej nu de videnskabelige instrumenter på Philae, der blev valgt for omkring 15 år siden. Ligesom enhver god rejsende måtte der indstilles budgetter, der fungerede som begrænsninger for instrumentvalget, der kunne pakkes og medbringes på rejsen. Der var en maksimal vægt, maksimal lydstyrke og effekt. Den endelige masse af Philae er 100 kg (220 lbs). Dets volumen er 1 × 1 × 0,8 meter (3,3 × 3,3 × 2,6 fod) på størrelse med en firebrænderovn. Philae skal dog fungere på en lille mængde lagret energi ved ankomsten: 1000 Watt-timer (svarende til en 100 watt pære, der kører i 10 timer). Når denne strøm er drænet, producerer den maksimalt 8 watt elektricitet fra solcellepaneler, der skal opbevares i et 130 Watt-timers batteri.
Uden nogen sikkerhed for, at de landede heldigt og producerede mere strøm, leverede Philae-designerne et batteri med høj kapacitet, der kun oplades én gang af de primære rumskibssolarrays (64 kvadratmeter) inden nedstigningen til kometen. Med en indledende science-kommandosekvens ombord på Philae og batterikraften, der er lagret fra Rosetta, spilder Philae ikke tid på at begynde analyse - ikke i modsætning til en forensisk analyse - til at udføre en "dissektion" af en komet. Derefter bruger de det mindre batteri, der vil tage mindst 16 timer at oplade, men vil give Philae mulighed for at studere 67P / Churyumov-Gerasimenko i potentielt måneder.
Der er 10 videnskabsinstrumentpakker på Philae-landeren. Instrumenterne bruger absorberet, spredt og udsendt lys, elektrisk ledningsevne, magnetisme, varme og endda akustik til at analysere kometens egenskaber. Disse egenskaber inkluderer overfladestruktur (morfologi og kemisk sammensætning af overflademateriale), P67's indre struktur og magnetfeltet og plasmaer (ioniserede gasser) over overfladen. Derudover har Philae en arm til et instrument, og Philae hoveddel kan drejes 360 grader rundt om sin Z-akse. Stillingen, der understøtter Philae og inkluderer en slagdæmper.
CIVA og ROLIS billedbehandlingssystemer. CIVA repræsenterer tre kameraer, der deler noget hardware med ROLIS. CIVA-P (Panoramic) er syv identiske kameraer, der er fordelt omkring Philae-kroppen, men med to, der fungerer i tandem til stereobilleder. Hver har et 60 graders synsfelt og bruger som 1024 × 1024 CCD-detektor. Som de fleste mennesker kan huske, er digitale kameraer kommet hurtigt frem i de sidste 15 år. Philae's billedoptagere blev designet i slutningen af 1990'erne i nærheden af avanceret art, men i dag overgås de i det mindste i antal pixels af de fleste smartphones. Udover hardware er billedbehandling i software imidlertid også avanceret, og billederne kan muligvis forbedres til at fordoble deres opløsning.
CIVA-P vil have den øjeblikkelige opgave som en del af den indledende autonome kommandosekvens at kortlægge det komplette landingssted. Det er kritisk for installationen af andre instrumenter. Det vil også bruge Z-aksen rotation af Philae kroppen til undersøgelse. CIVA-M / V er et mikroskopisk 3-farves billedbillede (7 mikron opløsning), og CIVA-M / I er et næsten infrarødt spektrometer (bølgelængdeområde fra 1 til 4 mikron), der vil inspicere hver af de prøver, der leveres til COSAC & PTOLEMY-ovne, før prøverne opvarmes.
ROLIS er et enkelt kamera, også med en CCD-detektor 1024 × 1024, med den primære rolle at undersøge landingsstedet i nedstigningsfasen. Kameraet er fast og nedadrettet med et f / 5 (f-forhold) fokusjusterbart objektiv med et 57 graders synsfelt. Under nedstigningen er den indstillet til uendelig og tager billeder hvert 5. sekund. Dens elektronik komprimerer dataene for at minimere de samlede data, der skal gemmes og transmitteres til Rosetta. Fokus justeres lige inden touchdown, men derefter fungerer kameraet i makrotilstand til spektroskopisk kortlægning af kometen umiddelbart under Philae. Rotation af Philae-kroppen skaber en "arbejdscirkel" for ROLIS.
ROLIS 'flerrolledesign viser tydeligt, hvordan videnskabsmænd og ingeniører arbejdede sammen for samlet at reducere vægt, volumen og strømforbrug og gøre Philae mulige og sammen med Rosetta passe inden for nyttelastgrænser for startkøretøjets solbegrænsninger celler og batterier, begrænsninger af kommando- og datasystemet og radiosendere.
APXS. Dette er en Alpha Proton røntgenspektrometer. Dette er et næsten must-have instrument fra rumforskerens schweiziske hærkniv. APXS-spektrometre er blevet en almindelig armatur på alle Mars Rover-missioner, og Philae's er en opgraderet version af Mars Pathfinders. Arven fra APXS-designet er de tidlige eksperimenter fra Ernest Rutherford og andre, der førte til at opdage atomets struktur og kvantiteten af lys og stof.
Dette instrument har en lille kilde til Alpha-partikelemission (Curium 244), der er afgørende for dets drift. Principperne for Rutherford Back-spredning af Alfa-partikler bruges til at detektere tilstedeværelsen af lettere elementer såsom Hydrogen eller Beryllium (dem tæt på en alfa-partikel i masse, en Helium-kerne). Massen af sådanne lettere elementære partikler vil absorbere en målbar mængde energi fra Alpha-partiklen under en elastisk kollision; som sker i Rutherford back-spredning nær 180 grader. Nogle alfa-partikler absorberes dog snarere end reflekteres af kerne i materialet. Absorption af en Alfa-partikel forårsager emission af en proton med en målbar kinetisk energi, som også er unik for den elementære partikel, hvorfra den kom (fra det kometære materiale); dette bruges til at detektere tungere elementer såsom magnesium eller svovl. Endelig kan indre skalelektroner i det interessante materiale udvises af Alpha-partikler. Når elektroner fra ydre skaller erstatter disse mistede elektroner, udsender de en røntgenstråle af specifik energi (kvante), der er unik for den elementære partikel; således kan tungere elementer som Jern eller Nikkel detekteres. APXS er legemliggørelsen af fysik i det tidlige 20. århundrede.
CONSERT. COmet Nucleus-lydeksperiment ved radiobølgetransmission, som navnet antyder, vil transmittere radiobølger ind i kometens kerne. Rosetta orbiter transmitterer 90 MHz radiobølger, og Philae står samtidig på overfladen for at modtage med kometen, der bor mellem dem. Følgelig er rejsetidspunktet gennem kometen og radiobølgenes resterende energi en underskrift af det materiale, gennem hvilket det spredte sig. Mange radiosendinger og modtagelser fra CONSERT gennem en række vinkler er nødvendige for at bestemme kometens indre struktur. Det ligner, hvordan man kan føle formen på et skyggefuldt objekt, der står foran dig ved at panorere ens hoved til venstre og højre for at se, hvordan silhuetten ændrer sig; alt i alt opfatter din hjerne objektets form. Med CONSERT-data er det nødvendigt med en kompleks deconvolution-proces ved hjælp af computere. Den præcision, som kometens interiør er kendt for, forbedres med flere målinger.
MUPUS. Multifunktionssensor til overfladevidenskab er en pakke med detektorer til måling af energibalancen, termiske og mekaniske egenskaber på kometens overflade og undergrunden ned til en dybde på 30 cm (1 fod). Der er tre hoveddele til MUPUS. Der er PEN, der er penetratorrøret. PEN er fastgjort til en hammerarm, der strækker sig op til 1,2 meter fra kroppen. Den udsætter med tilstrækkelig nedadrettet kraft til at trænge igennem og begrave PEN under overfladen; flere hammerslag er mulige. I spidsen eller ankeret af PEN (penetratorrøret) er et accelerometer og standard PT100 (Platinum Resistance Thermometer). Sammen vil ankerfølernebestem hårdhedsprofilen på landingsstedet og den termiske diffusivitet i den endelige dybde [ref]. Når det trænger ind i overfladerne, indikerer mere eller mindre deceleration hårdere eller blødere materiale. PEN inkluderer en række 16 termiske detektorer langs dens længde til måling af underjordiske temperaturer og termisk ledningsevne. PEN har også en varmekilde til overføring af varme til det kometære materiale og måling af dens termiske dynamik. Når varmekilden er slukket, overvåger detektorer i PEN temperaturen og energibalancen i kometen, når den nærmer sig Solen og varmer op. Den anden del er MUPUS TM, en radiometer oven på PEN, som måler den termiske dynamik på overfladen. TM består af fire termopilsensorer med optiske filtre til at dække et bølgelængdeområde fra 6-25 um.
SD2 Prøvebor og distributionsanordning trænger igennem overfladen og undergrunden til en dybde på 20 cm. Hver hentet prøve vil være et par kubikmeter i volumen og distribueres til 26 ovne monteret på en karrusel. Ovnene opvarmer prøven, der skaber en gas, der leveres til gaskromatograferne og massespektrometre, der er COSAC og PTOLEMY. Observationer og analyse af APXS- og ROLIS-data vil blive brugt til at bestemme prøveudtagningsplaceringer, som alle er på en "arbejdscirkel" fra rotationen af Philaes krop om dens Z-akse.
COSAC Kometær prøveudtagning og sammensætning eksperiment. Den første gaskromatograf (GC), jeg så, var i et laboratorium på universitetet og blev brugt af laboratorielederen til retsmedicinske tests, der understøtter det lokale politiafdeling. Philaes intention er intet mindre end at udføre retsmedicinske tests på en komet hundrede millioner af miles fra Jorden. Philae er effektivt Sherlock Holmes 'spionglas, og Sherlock er alle forskere tilbage på Jorden. COSAC-gaskromatografen inkluderer et massespektrometer og vil måle mængderne af elementer og molekyler, især komplekse organiske molekyler, der udgør kometmateriale. Mens det første laboratorium GC, jeg så, var tættere på størrelsen på Philae, er de to GC'er i Philae omtrent på størrelse med skobokse.
Ptolemæus. En udviklet gasanalysator [ref], en anden type gaskromatograf. Formålet med Ptolemy er at måle mængderne af specifikke isotoper for at aflede de isotopforhold, for eksempel 2 dele isotop C12 til en del C13. Per definition har isotoper af et element det samme antal protoner, men forskellige antal neutroner i deres kerner. Et eksempel er de 3 isotoper af carbon, C12, C13 og C14; antallet er antallet af neutroner. Nogle isotoper er stabile, mens andre kan være ustabile - radioaktive og nedbrydes til stabile former af det samme element eller i andre elementer. Det, der er af interesse for Ptolemy-efterforskere, er forholdet mellem stabile isotoper (naturlige og ikke dem, der er påvirket af eller det skyldes radioaktivt forfald) for elementerne H, C, N, O og S, men især kulstof. Forholdet vil være en indikator for hvor og hvordan kometer oprettes. Indtil nu har spektroskopiske målinger af kometer til bestemmelse af isotopforhold været fra en afstand, og nøjagtigheden har været utilstrækkelig til at drage faste konklusioner om kometerne og hvordan kometer er knyttet til oprettelsen af planeter og udviklingen af solnebulaen, fødested for vores planetsystem omkring solen, vores stjerne. En udviklet gasanalysator opvarmer en prøve (~ 1000 C) for at omdanne materialerne til en gasformig tilstand, som et spektrometer meget nøjagtigt kan måle mængder. Et lignende instrument, TEGA (Thermal Evolution Gas Analyzer) var et instrument på Mars Phoenix lander.
SESAME Elektrisk overfladetone og akustisk overvågningseksperimentDette instrument involverer tre unikke detektorer. Den første er SESAME / CASSE, den akustiske detektor. Hver landingsfod på Philae har akustiske udsendere og modtagere. Hvert af benene skifter omdrejningsenheder, der overfører akustiske bølger (100 Hertz til KiloHertz-rækkevidde) ind i kometen, som sensorerne på de andre ben måler. Hvordan denne bølge dæmpes, det vil sige, svækkes og transformeres af det kometære materiale, den passerer gennem, kan bruges sammen med andre kometære egenskaber, der er opnået fra Philae-instrumenter, til at bestemme daglige og sæsonbestemte variationer i kometens struktur til en dybde på ca. meter. I en passiv (lytter) tilstand vil CASSE også overvåge lydbølger fra creaks, stønner inde i kometen forårsaget potentielt af spændinger fra solvarme og udluftningsgasser.
Dernæst er SESAME / PP-detektoren - Permittivity Probe. Permittivitet er målet for den modstand, et materiale har overfor elektriske felter. SESAME / PP leverer et oscillerende (sinusbølge) elektrisk felt ind i kometen. Philaes fødder bærer modtagerne - elektroder og AC-sinusgeneratorer for at udsende det elektriske felt. Det kometiske materiales modstand mod ca. 2 meters dybde måles således, hvilket giver en anden væsentlig egenskab ved kometen - permittiviteten.
Den tredje detektor kaldes SESAME / DIM. Dette er kometstøvtælleren. Der blev brugt flere referencer til at udarbejde disse instrumentbeskrivelser. For dette instrument er der, hvad jeg vil kalde, en smuk beskrivelse, som jeg ganske enkelt vil citere her med reference. ”DIM (Impact Impact Monitor) (DIM) terning på toppen af Lander-balkonen er en støvsensor med tre aktive ortogonale (50 × 16) mm-piezosensorer. Fra måling af den transiente spidsspænding og halve kontaktvarighed kan hastigheder og radier for påvirkende støvpartikler beregnes. Partikler med radier fra ca. 0,5 um til 3 mm og hastigheder fra 0,025–0,25 m / s kan måles. Hvis baggrundsstøjen er meget høj, eller hastigheden og / eller amplituden af burst-signalet er for høj, skifter systemet automatisk til den såkaldte gennemsnit kontinuerlig tilstand; dvs. kun det gennemsnitlige signal opnås, hvilket giver et mål for støvfluxen. ” [Ref]
ROMAP Rosetta Lander magnetometer og plasma detektor inkluderer også en tredje detektor, en tryksensor. Flere rumfartøjer er fløjet med kometer og et iboende magnetisk felt, et skabt af kometens kerne (hovedlegemet) er aldrig blevet fundet. Hvis der eksisterer et iboende magnetfelt, er det sandsynligvis meget svagt, og landing på overfladen ville være nødvendig. At finde en ville være ekstraordinær og ville vende teorier om kometer på deres hoveder. Lav og se Philae har et fluxgate magnetometer.
Jordens magnetiske (B) felt, der omgiver os, måles i 10'erne af tusinder af nano-Teslas (SI-enhed, milliarddel af en Tesla). Ud over Jordens felt er planeterne, asteroiderne og kometerne nedsænket i Solens magnetfelt, som nær Jorden måles i enkeltcifre, 5 til 10 nano-Tesla. Philaes detektor har en række +/- 2000 nanoTesla; et tilfældet område, men der tilbydes let af fluxgates. Det har en følsomhed på 1/100 af en nanoTesla. Så ESA og Rosetta kom forberedt. Magnetometeret kan registrere et meget minut felt, hvis det er der. Lad os nu overveje plasma-detektoren.
Meget af universets dynamik involverer vekselvirkningen af plasma-ioniserede gasser (generelt mangler en eller flere elektroner, hvilket bærer en positiv elektrisk ladning) med magnetfelter. Kometer involverer også sådanne interaktioner, og Philae bærer en plasmadetektor for at måle energien, densiteten og retningen af elektroner og af positivt ladede ioner. Aktive kometer frigiver i det væsentlige en neutral gas i rummet plus små faste (støv) partikler. Solens ultraviolette stråling ioniserer delvis kometens gas i kometens hale, dvs. skaber et plasma. I en afstand fra kometkernen afhængigt af hvor varmt og tæt det plasma er, er der en afstand mellem Solens magnetfelt og halens plasma. Solens B-felt hænger rundt om kometens hale, ligesom et hvidt ark, der er dræbt over et Halloween-trick eller -behandler, men uden øjehuller.
Så på P67's overflade måler Philaes ROMAP / SPM-detektor, elektrostatiske analysatorer og en Faraday Cup-sensor frie elektroner og ioner i det ikke så tomme rum. Et "koldt" plasma omgiver kometen; SPM detekterer ionkinetisk energi i området fra 40 til 8000 elektronvolt (eV) og elektroner fra 0,35 eV til 4200 eV. Sidst men ikke mindst inkluderer ROMAP en trykføler, der kan måle meget lavt tryk - en million eller en milliarddel eller mindre end det lufttryk, vi nyder på Jorden. Der bruges en penning-vakuummåler, der ioniserer den primært neutrale gas nær overfladen og måler den strøm, der genereres.
Philae vil transportere 10 instrumentsuiter til overfladen af 67P / Churyumov-Gerasimenko, men i alt repræsenterer de ti 15 forskellige typer detektorer. Nogle er indbyrdes afhængige, det vil sige for at udlede visse egenskaber har man brug for flere datasæt. Landing af Philae på kometoverfladen vil give midlerne til at måle mange kometers egenskaber i knytnævetiden og andre med markant højere nøjagtighed. Alt i alt vil forskere komme tættere på at forstå kometerne og deres bidrag til solsystemets udvikling.
