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Paquete de propiedades físicas y flujo de calor

El paquete de flujo de calor y propiedades físicas ( HP 3 ) es una carga útil científica a bordo del módulo de aterrizaje InSight que cuenta con instrumentos para estudiar el flujo de calor y otras propiedades térmicas de Marte . Uno de los instrumentos, una sonda excavadora apodada "el topo", fue diseñado para penetrar 5 m (16 pies) por debajo de la superficie de Marte. En marzo de 2019, el topo excavó unos centímetros, pero luego no pudo avanzar debido a varios factores. Al año siguiente se hicieron más intentos para resolver los problemas, con poco progreso neto. [2] El 14 de enero de 2021, se anunció que los esfuerzos para perforar la superficie marciana utilizando el dispositivo habían finalizado. [3]

El HP 3 fue proporcionado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). El mecanismo de percusión en el interior del topo fue diseñado por la empresa polaca Astronika y el Centro de Investigación Espacial de la Academia Polaca de Ciencias bajo contrato y en cooperación con el DLR. [4] [5]

El investigador principal es Tilman Spohn del Centro Aeroespacial Alemán. [6] [7]

Descripción general

Animación de descripción general de HP 3

El objetivo de la misión era comprender el origen y la diversidad de los planetas terrestres . [6] Se esperaba que la información del paquete de flujo de calor HP 3 revelara si Marte y la Tierra se formaron a partir del mismo material y determinara qué tan activo es el interior de Marte en la actualidad. [6] [7] [8] [9] Los objetivos científicos adicionales incluyeron determinar el espesor de la corteza de Marte, la composición de su manto y las características térmicas del interior, como el gradiente de temperatura y el flujo de calor. [10]

Junto con el sismómetro, la misión estimará el tamaño del núcleo de Marte y si el núcleo es líquido o sólido. [11] Las vibraciones generadas por el topo fueron monitoreadas por SEIS para aprender sobre el subsuelo local. [12]

Además del topo, HP 3 incluye un radiómetro infrarrojo (HP3-RAD) montado en la plataforma de aterrizaje, también aportado por DLR. [13] [14] [15]

     
Diagrama que muestra los componentes de HP 3

La sonda de flujo de calor HP 3 se compone de los siguientes subsistemas: [16]

Desarrollo

HP 3 antes del lanzamiento. De izquierda a derecha: topo, correa científica, estructura de soporte y correa de ingeniería.

HP 3 fue concebido por Gromov VV et al. en 1997, [4] [17] y voló por primera vez como el instrumento PLUTO en la fallida misión de aterrizaje en Marte Beagle 2 de 2003. [4] HP 3 evolucionó aún más y fue propuesto en 2001 para una misión a Mercurio , [18] en 2009 a la Agencia Espacial Europea como parte de la carga útil Humboldt a bordo del módulo de aterrizaje ExoMars , [19] [18] en 2010 para una misión a la Luna, [20] y en 2011 fue propuesto al Programa Discovery de la NASA como carga útil para el módulo de aterrizaje InSight en Marte, conocido en ese momento como GEMS (Geophysical Monitoring Station). [8] InSight se lanzó el 5 de mayo de 2018 y aterrizó el 26 de noviembre de 2018.

Penetrómetro de lunares

El topo se describe como un "clavo autoperforante" y fue diseñado para excavar bajo la superficie marciana mientras arrastraba una cuerda con calentadores y sensores de temperatura incorporados. El objetivo era medir las propiedades térmicas del interior de Marte y así revelar información única sobre la historia geológica del planeta. [4]

El topo excavador es un cilindro puntiagudo con una superficie exterior lisa de aproximadamente 35 cm (14 pulgadas) de largo y 3,5 cm (1,4 pulgadas) de diámetro. Contiene un calentador para determinar la conductividad térmica durante el descenso y arrastra una correa equipada con sensores de calor precisos colocados a intervalos de 10 cm (3,9 pulgadas) para medir el perfil de temperatura del subsuelo. [6] [7]

La unidad de penetración de topos está diseñada para colocarse cerca del módulo de aterrizaje en un área de aproximadamente 3 m de largo y 2 m de ancho. [21] La masa total del sistema es de aproximadamente 3 kg (6,6 lb) y consume un máximo de2  vatios mientras el lunar está activo. [7]

Para desplazarse, el topo utiliza un motor y una caja de cambios (proporcionada por Maxon ) y un rodillo con levas que carga periódicamente un resorte conectado a una varilla que funciona como un martillo. Después de soltarse de la leva, el martillo se acelera hacia abajo para golpear la carcasa exterior y provocar su penetración a través del regolito . Mientras tanto, una masa supresora se desplaza hacia arriba y su energía cinética se compensa con el potencial gravitatorio y la compresión de un resorte de freno y una hélice de alambre en el lado opuesto del topo. [4]

En principio, cada 50 cm (20 pulgadas) la sonda emite un pulso de calor y sus sensores miden cómo cambia el pulso de calor con el tiempo. Si el material de la corteza es un conductor térmico, como el metal, el pulso se desintegrará rápidamente. [7] Primero se deja enfriar el lunar durante dos días, luego se lo calienta a unos 10 °C (50 °F) durante 24 horas. Los sensores de temperatura dentro de la atadura miden la rapidez con la que esto sucede, lo que indica a los científicos la conductividad térmica del suelo. [22] En conjunto, estas mediciones dan como resultado la velocidad del calor que fluye desde el interior.

Se esperaba que el topo HP 3 tardara unos 40 días en alcanzar los 5 m (16 pies) de profundidad, [23] pero finalmente logró sólo unos pocos centímetros después de más de un año de esfuerzo. A medida que el topo excava, genera vibraciones que SEIS puede detectar, y se esperaba que estas proporcionaran información sobre el subsuelo marciano. [12]

Esfuerzos de penetración

En marzo de 2019, la sonda HP 3 comenzó a excavar en la arena de la superficie, pero se detuvo varios centímetros después por lo que inicialmente se sospechó que era una gran roca. [24] Análisis posteriores y pruebas con un modelo de réplica en la Tierra sugirieron que el problema podría deberse a una fricción insuficiente. En junio de 2019, se revelaron más pruebas de esto cuando se levantó la estructura de soporte del topo de la sonda HP 3. El regolito marciano parecía estar comprimido, dejando un espacio alrededor de la sonda.

Se implementó una técnica que utiliza el brazo robótico del módulo de aterrizaje para presionar el suelo cerca de la sonda para aumentar la fricción del suelo. [25] [26] [27] [28] En última instancia, este método no pudo generar suficiente fuerza hacia abajo, ya que la sonda HP 3 estaba en el límite del alcance del brazo. [28]

En cambio, el equipo utilizó la pala robótica para fijar la sonda contra el borde de su agujero. Este método pareció exitoso inicialmente, ya que la sonda continuó cavando durante dos semanas, hasta que estuvo al ras de la superficie. [29] [30] En este momento, la parte superior expuesta de la sonda era demasiado pequeña para que la pala la presionara, por lo que la pala se reposicionó para presionar hacia abajo el suelo cerca de la sonda. Desafortunadamente, esto provocó que la sonda volviera a salir debido a las propiedades inusuales del suelo y la baja presión atmosférica. [31] Cuando la sonda rebotó, la tierra suelta llenó el área debajo de ella y levantó la sonda hasta la mitad nuevamente. [32] En enero de 2020, el equipo utilizó nuevamente el método de fijación, pero una vez más la sonda se expulsó después de que la pala se reposicionara. [33]

En febrero de 2020, el equipo reevaluó los riesgos de empujar la tapa posterior del lunar directamente con la pala robótica y determinó que el procedimiento era aceptable. El procedimiento avanzó lentamente debido al requisito de reposicionar la pala después de cada operación.1,5 cm de avance. En junio de 2020, la parte superior del lunar alcanzó la superficie del regolito. [34] El lunar entró en la superficie en un ángulo de 30 grados con respecto a la vertical, pero este ángulo puede disminuir si se alcanza una mayor profundidad. [35]

En julio de 2020, se reveló que el topo estaba rebotando en el lugar, debajo de la pala, lo que sugería que no había suficiente fricción para seguir cavando. Una solución propuesta fue llenar el agujero con arena para distribuir la presión de la pala robótica, aumentando así la fricción. Este procedimiento se realizó a principios de agosto de 2020. [36]

A finales de agosto de 2020, una prueba arrojó resultados positivos. La pala aplicó una fuerza descendente sobre la arena que cubría el topo mientras se realizaban golpes de martillo. Esta prueba dio como resultado unos pocos milímetros de progreso, [37] y finalmente enterró el instrumento. En octubre de 2020, la parte superior del topo estaba debajo de la superficie de Marte, y se tomó la decisión de raspar dos palas más de regolito y apisonarlo con la pala robótica. [38] Las operaciones de martilleo estaban programadas para continuar en enero de 2021.

El 9 de enero de 2021 se llevaron a cabo los últimos intentos de llevar la sonda a mayor profundidad; tras resultar infructuosos, se tomó la decisión de dejar de intentar excavar más profundamente. El 14 de enero de 2021, la NASA anunció que, como el último intento de enterrar al "topo" había fracasado, el equipo se había dado por vencido y se declaró terminada la parte de la misión relacionada con la sonda térmica. El científico principal del experimento, Tilman Spohn, dijo que "Marte y nuestro heroico topo siguen siendo incompatibles". [39] El equipo científico determinó que las propiedades del suelo en el lugar de aterrizaje eran demasiado diferentes de las que se habían diseñado para el instrumento. El equipo intentó muchos remedios diferentes durante varios años para conseguir que el topo excavara, pero al final los intentos no alcanzaron la profundidad deseada. La fricción entre el suelo y la sonda no fue suficiente para que el topo se clavara más profundamente.

El topo logró enterrarse por completo; la parte superior del topo se encuentra entre 2 y 3 centímetros por debajo de la superficie marciana (dado que el topo mide aproximadamente 40 centímetros de largo, la profundidad era de aproximadamente 43 centímetros). Para poder producir mediciones térmicas útiles, la profundidad mínima requerida se especificó en al menos 3 metros de profundidad. [ cita requerida ]

Aunque no tuvieron éxito, las operaciones del topo enseñaron al equipo de la misión mucho sobre el suelo en el sitio Insight, sobre la realización de excavaciones/perforaciones en Marte y sobre el funcionamiento del brazo robótico del módulo de aterrizaje. El esfuerzo de rescate del topo utilizó el brazo de formas que no estaban planificadas antes de la misión. El sismómetro ( SEIS ), el experimento de radio ( RISE ) y los instrumentos meteorológicos ( TWINS ) continuaron funcionando hasta fines de diciembre de 2022. [40]

Esfuerzos de la HP 3 para penetrar la superficie marciana
  • El análisis de ingeniería del topo después del problema inicial concluyó que la parte inferior del topo se encontraba aproximadamente entre 30 y 36 cm (12 a 14 pulgadas) de profundidad en el suelo marciano, con un poco de su parte superior todavía dentro de la estructura de soporte del HP3.
    El análisis de ingeniería del topo después del problema inicial concluyó que la parte inferior del topo se encontraba aproximadamente entre 30 y 36 cm (12 a 14 pulgadas) de profundidad en el suelo marciano, con un poco de su parte superior todavía dentro de la estructura de soporte del HP 3 .
  • Componentes del HP3 de Insight después de levantar la estructura de soporte del topo. Esta imagen muestra una región de regolito comprimido alrededor del penetrómetro del topo.
    Componentes del HP 3 de Insight después de levantar la estructura de soporte del topo. Esta imagen muestra una región de regolito comprimido alrededor del penetrómetro del topo.
  • El éxito inicial de la técnica de fijación se muestra en este video de lapso de tiempo, que muestra la sonda enterrándose en el regolito.
    El éxito inicial de la técnica de fijación se muestra en este video de lapso de tiempo, que muestra la sonda enterrándose en el regolito.
  • Se ve a HP3 después de retroceder aproximadamente hasta la mitad del agujero que había cavado.
    Se ve a HP 3 después de retroceder aproximadamente hasta la mitad del agujero que había cavado.
  • El módulo de aterrizaje Insight utiliza su pala para empujar la tapa trasera del lunar HP3.
    El módulo de aterrizaje Insight utiliza su pala para empujar la tapa trasera del lunar HP 3 .
  • Topo HP3 en la superficie de Marte, con la pala del módulo de aterrizaje presionando su tapa trasera.
    Topo HP 3 en la superficie de Marte, con la pala del módulo de aterrizaje presionando su tapa trasera.
  • El topo, después de ser cubierto con arena por la pala robótica
    El topo, después de ser cubierto con arena por la pala robótica
  • El módulo de aterrizaje Mars InSight, "Mole", realiza sus últimos esfuerzos (9 de enero de 2021)
    El módulo de aterrizaje Mars InSight, "Mole", realiza sus últimos esfuerzos
    (9 de enero de 2021)

Radiómetro infrarrojo HP3-RAD

El HP 3 incluye un radiómetro infrarrojo para medir las temperaturas de la superficie, aportado por el DLR y basado en el radiómetro MARA para la misión Hayabusa2 . [13] [14] [15] El HP3-RAD utiliza detectores de termopila para medir tres bandas espectrales:8–14 μm ,16–19 μm y7,8–9,6 μm . [41] HP3-RAD tiene una masa de 120 g (4,2 oz). [41]

El detector estaba protegido por una cubierta removible durante el aterrizaje. [41] La cubierta también sirve como objetivo de calibración para el instrumento, lo que facilita la calibración in situ del HP3-RAD. [41]

Los radiómetros infrarrojos fueron enviados a Marte en 1969 como uno de los cuatro instrumentos principales en las naves espaciales Mariner 6 y Mariner 7 , y las observaciones ayudaron a desencadenar una revolución científica en el conocimiento sobre Marte. [42] [43] Los resultados del radiómetro infrarrojo Mariner 6 y 7 mostraron que la atmósfera de Marte está compuesta principalmente de dióxido de carbono (CO 2 ), y revelaron trazas de agua en la superficie de Marte . [42]

Véase también

Referencias

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