SOJOURNER – Mars Rover - Sparkme Space Academy

SOJOURNER – Mars Rover

Sviluppato dal Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, il Sojourner (indicato nella fase di sviluppo come Microrover Flight Experiment) era un veicolo a 6 ruote lungo 65 cm, largo 48 cm ed alto 30 cm. Nella fase di crociera occupava uno spazio di 18 cm di altezza.
Pesava complessivamente 10,6 kg. Poteva raggiungere una distanza di 500 m dal lander ed una velocità massima di 1 cm/s.
Il dorso del rover (0,25 m² di superficie) era rivestito da pannelli fotovoltaici, in grado di erogare 16 watt di potenza di picco (previsto al mezzogiorno marziano).
Era stato inoltre dotato di batterie al litio non ricaricabili, in grado di fornire una potenza di 300 Wh, prevalentemente per le esigenze notturne. Nel 1997 non erano disponibili batterie ricaricabili con l’affidabilità richiesta per una missione spaziale nei limiti di peso e costo imposti dal programma Discovery della NASA.

Dati della missione

lanciato con il vettore Razzo Delta II-7925 il 4 dicembre 1996 alle 06:58:07 UTC dal John F. Kennedy Space Center, la struttura per il lancio di veicoli spaziali (spazioporto) della NASA che si trova a Cape Canaveral sull’isola Merritt in Florida, USA. Il Sojourner raggiunse Marte il 4 luglio 1997, dopo 7 mesi di crociera a bordo della sonda Mars Pathfinder.
Operò nella Ares Vallis, in una regione chiamata Chryse Planitia, dal 5 luglio al 27 settembre 1997, quando il lander interruppe le comunicazioni con la Terra.

Sistema di locomozione

le ruote, realizzate in alluminio, erano di 13 cm di diametro e 7,9 cm di larghezza. Erano dotate di cingoli dentellati in acciaio inossidabile in grado di generare in condizioni ottimali, su suolo tenero, una pressione di soli 1,65 chilopascal. Tutte le ruote erano motrici, ognuna azionata da un motore indipendente.
Le prime e terze ruote erano sterzanti. Una configurazione con sei ruote sterzanti era stata considerata, ma secondariamente valutata troppo onerosa in termini di peso. Nel ruotare su sé stesso, tracciava un cerchio di 74 cm di diametro. Le ruote erano collegate al telaio attraverso sospensioni appositamente sviluppate per assicurare che tutte e sei fossero in contatto col suolo anche su terreni accidentati.

Strumentazione

il computer incorporato a bordo del Sojourner era dotato di un’unità centrale (CPU) basata sul microprocessore Intel 8085 di 100 kHz di frequenza, con una memoria RAM di 512 KB e con un supporto di memoria flash a stato solido di 176 kB.

Il rover era dotato di tre sistemi di raccolta immagini, composti da tre obiettivi (due frontali stereo in B/N e uno posteriore a colori) e di uno spettrometro (Alpha Proton X-Ray Spectrometer – APXS), cui spettano le principali analisi scientifiche. Era inoltre fornito di emettitori laser che, abbinati agli obiettivi frontali, costituivano un sistema di rilevamento degli ostacoli (Laser striper hazard detection system). Il sistema di controllo per la guida era completato da tre accelerometri per determinare la pendenza della superficie e da dei potenziometri, associati ad ogni ruota per controllarne l’angolo di sterzata. Infine, erano presenti a bordo due esperimenti: l’esperimento di abrasione delle ruote (Wheel Abrasion Experiment – WAE) e l’esperimento di aderenza del materiale (Material Adherence Experiment – MAE).

Alpha Proton X-Ray Spectrometer (APXS)

era uno spettrometro in grado di determinare la composizione chimica delle rocce e della polvere del suolo marziano analizzando la radiazione di ritorno nelle sue componenti alfa, protonica ed X, derivante dall’esposizione del campione ad una fonte radioattiva (Curio 244) contenuta nello strumento. Durante ogni misura la superficie frontale dello strumento doveva essere posta in contatto con il campione. Affinché ciò fosse possibile, l’APXS era montato su un braccio robotico, il cosiddetto Alpha-Proton-X-ray Spectrometer Deployment Mechanism (Meccanismo di posizionamento dell’APXS), indicato con l’acronimo ADM. L’ADM era un attuatore antropomorfo, dotato di un polso capace di rotazioni di ± 25°.

Material Adherence Experiment

era stato ideato per misurare l’azione abrasiva del suolo marziano su sottili strati di alluminio, nichel e platino e dedurre in tal modo informazioni sulla granulometria del suolo in corrispondenza del sito di atterraggio. A tale scopo, su una delle due ruote centrali erano stati montati 15 strati, cinque di ciascun metallo, di spessore compreso tra 200 e 1000 ångström, ed elettricamente isolati dal resto del rover. Direzionando opportunamente la ruota, la luce solare incidente era riflessa verso un sensore ottico (fotovoltaico), posizionato in prossimità della stessa. L’analisi del segnale raccolto avrebbe dovuto consentire di determinare l’informazione desiderata. Affinché l’azione abrasiva fosse significativa nei tempi previsti per la missione, era stato programmato che il rover si fermasse ad intervalli frequenti e, con le altre cinque ruote frenate, imponesse una rotazione alla ruota del WAE per aumentarne l’usura. Successivamente alla conduzione dell’esperimento su Marte, si sarebbe cercato di riprodurre gli effetti osservati in laboratorio.
L’interpretazione dei risultati suggerisce che il suolo del sito di atterraggio fosse costituito da polvere a grana fine e di limitata durezza, con una dimensione dei grani inferiore ai 40 µm.

Material Adherence Experiment (MAE)

era stato ideato per misurare l’accumulo giornaliero di polvere sul dorso del rover e la conseguente riduzione della capacità di conversione energetica dei pannelli fotovoltaici. Si componeva di due sensori.
Il primo era composto da una cella fotovoltaica, coperta da un vetro trasparente che poteva essere rimosso a comando. In prossimità del mezzogiorno locale venivano eseguite varie misurazioni della resa energetica della cella, sia con il vetro in posizione, sia ruotato. Dal confronto era possibile dedurre di quanto la copertura della polvere avesse diminuito il rendimento della cella. Quest’ultimo era inoltre confrontato con quello di una seconda cella fotovoltaica, esposta all’ambiente marziano.
Il secondo sensore sfruttava un Quartz crystal microbalance (QCM) per misurare il peso per unità di superficie della polvere depositatasi sul sensore stesso.
Nel corso della missione fu registrato un tasso giornaliero pari allo 0,28% di riduzione percentuale del rendimento energetico delle celle fotovoltaiche, indipendente dal comportamento del rover, fermo o in movimento. Ciò suggerisce che la polvere che si depositava era in sospensione dall’atmosfera e non era stata, invece, sollevata dagli spostamenti del rover.

Sistema di controllo

poiché era stato stabilito che le trasmissioni relative alla guida del Sojourner avvenissero una volta ogni sol (durata del giorno solare marziano, cioè la durata del ciclo giorno-notte cioè 24 ore 39 minuti e 35,244 secondi, contro le 24 ore terrestri, fu necessario dotare il rover di un sistema di controllo computerizzato che ne guidasse gli spostamenti in autonomia.

Era stata programmata una serie di comandi, prevedendo un’opportuna strategia per il superamento di eventuali ostacoli. Uno dei comandi primari era il “Go to Waypoint” (raggiungi il punto di arrivo). Era stato previsto un sistema di riferimento locale (del quale il lander costituiva l’origine), le cui direzioni coordinate furono fissate al momento dell’atterraggio prendendo la direzione del Nord come riferimento. Durante la sessione di comunicazione, il rover riceveva dalla Terra una stringa di comando contenente l’indicazione delle coordinate del punto di arrivo, che autonomamente avrebbe dovuto raggiungere.

L’algoritmo implementato sul computer di bordo tentava, come prima opzione, il raggiungimento dell’ostacolo in linea retta dalla posizione di partenza. Un sistema di obiettivi fotografici ed emettitori laser permetteva l’individuazione di ostacoli frapposti lungo tale percorso. Il computer di bordo era programmato per ricercare il segnale prodotto dai laser nelle immagini riprese attraverso le telecamere: in caso di superficie pianeggiante ed assenza di ostacoli, la posizione di tale segnale era invariata rispetto a quella di riferimento memorizzata nel computer; l’eventuale scostamento da tale posizione permetteva altresì l’individuazione del tipo di ostacolo frapposto. La scansione fotografica veniva eseguita dopo ogni avanzamento pari al diametro delle ruote (13 cm) e prima di ogni svolta.
In caso di presenza accertata dell’ostacolo il computer comandava l’esecuzione di una prima strategia per evitarlo. Il rover, fermo su sé stesso, ruotava fino a non avere più in vista l’ostacolo. Quindi, dopo essere avanzato per una metà della propria lunghezza, ricalcolava un nuovo percorso rettilineo che lo conducesse al punto di arrivo.

Denominazione

il nome Sojourner fu scelto attraverso una competizione indetta nel marzo 1994 dalla Planetary Society in collaborazione con il Jet Propulsion Laboratory (JPL), durata un anno ed estesa agli studenti di età inferiore ai 18 anni di qualunque Paese, che furono invitati ad indicare un’eroina cui dedicare il rover ed a produrre un elaborato nel quale avrebbero dovuto evidenziarne i meriti e come questi avrebbero potuto adattarsi all’ambiente marziano. L’iniziativa fu pubblicizzata negli Stati Uniti, inoltre, attraverso la rivista Science and Children della National Science Teachers Association, sulla quale comparve nel numero del gennaio 1995. Pervennero 3500 elaborati da Canada, India, Israele, Giappone, Messico, Polonia, Russia e Stati Uniti, dei quali 1700 da studenti di età compresa tra 5 e 18 anni. La selezione dei vincitori venne fatta sulla base di vari fattori: la qualità e creatività dell’elaborato, tenendo in considerazione l’età di ciascun concorrente; l’adeguatezza del nome ad un rover marziano; le conoscenze possedute dal concorrente dell’eroina e della missione della sonda.
L’elaborato vincente fu redatto da Valerie Ambroise, dodicenne, di Bridgeport in Connecticut che suggerì di dedicare il rover a Sojourner Truth, abolizionista afro-americana e sostenitrice dei diritti delle donne, che scelse come propria missione di “attraversare in lungo e in largo il Paese” chiedendo che a ciascuno fosse riconosciuto il diritto ad essere libero ed alle donne fosse garantita la parità.

Il secondo classificato fu Deepti Rohatgi, diciottenne, di Rockville nel Maryland che suggerì di adottare il nome di Marie Curie, che fu pertanto assegnato al modello – identico al Sojourner – utilizzato nelle prove in laboratorio. Infine, terzo classificato fu Adam Sheedy, sedicenne, di Round Rock nel Texas, che suggerì il nome dell’astronauta Judith Resnik, perita nel disastro del Challenger del 1986.

Operazioni

: il Sojourner raggiunse Marte il 4 luglio 1997, dopo 7 mesi di crociera a bordo della sonda Mars Pathfinder. Operò nella Ares Vallis, in una regione chiamata Chryse Planitia, dal 5 luglio al 27 settembre 1997, quando il lander interruppe le comunicazioni con la Terra. Negli 83 sol di attività (pari a dodici volte la durata prevista per il rover), il Sojourner percorse complessivamente 104 m, rimanendo sempre entro 12 m dal lander; raccolse 550 immagini; eseguì 16 analisi attraverso l’APXS, 9 di rocce e le restanti del terreno, compì undici Wheel Abrasion Experiment e quattordici esperimenti sulla meccanica del suolo in cooperazione con il lander.

Analisi delle rocce

alle rocce del sito di atterraggio furono assegnati dei nomi di personaggi dei cartoni animati. La prima analisi venne effettuata durante il terzo sol su quella denominata “Barnacle Bill”. La composizione venne determinata attraverso lo spettrometro APXS, che impiegò 10 ore per una completa scansione.

Il decimo sol fu analizzata attraverso lo spettrometro la roccia “Yogi”. È stato suggerito che la conformazione del terreno a ridosso della roccia, anche visivamente ad un livello inferiore rispetto alla superficie circostante, fosse derivata dall’evaporazione di acqua trasportata lì da una inondazione. Entrambe le rocce si rivelarono essere delle andesiti. Ciò generò una certa sorpresa tra gli studiosi, perché sono rocce che si formano con processi geologici che richiedono un’interazione tra materiali della crosta e del mantello. Tuttavia, mancando informazioni sugli altopiani circostanti, non fu possibile cogliere tutte le implicazioni della scoperta. Il rover fu quindi diretto verso il successivo obiettivo ed il quattordicesimo sol analizzò la roccia indicata come “Scooby-Doo”, raccogliendo inoltre immagini di “Casper”. Entrambi sono state ritenute depositi consolidati. Un’altra roccia, chiamata “Moe”, presentava segni riconducibili all’erosione dal vento. La maggior parte delle rocce analizzate mostrava un alto contenuto di silicio. In una regione soprannominata Rock Garden il rover incontrò delle dune a forma di luna crescente, simili alle dune sulla terra. Il sito di atterraggio si rivelò ricco di rocce e sassi molto variegati tra loro. Alcune di esse di chiara origine vulcanica, come “Yogi”; altre, invece, erano dei conglomerati, per la cui origine sono state proposte varie alternative.

Una prima ipotesi prevede la loro formazione in presenza di acqua, in un remoto passato del pianeta. A sostegno di ciò, ci sarebbero la rilevazione di alti contenuti di silicio, spiegabili anch’essi come conseguenza di processi di sedimentazione e la scoperta di rocce dall’aspetto arrotondato, di varie dimensioni, oltre al fatto che la valle presenta delle forme compatibili con un ambiente di canalizzazione fluviale. D’altra parte, i sassi arrotondati più piccoli potrebbero essere stati generati anche durante un impatto sulla superficie.

Il Sojourner nella cultura di massa

il Sojourner fu l’elemento principalmente responsabile del successo maturato dalla missione Mars Pathfinder nell’opinione pubblica, di cui il rover catturò subito l’attenzione. Un’accorta campagna mediatica della NASA, tra cui la quotidiana pubblicazione delle immagini e notiziari su Internet, infatti, evidenziò ogni momento degli 83 sol di attività del rover e fu ampiamente ripresa dai mezzi di comunicazione generalisti. Time Magazine, che gli dedicò la copertina del 14 luglio 1997, indicò la missione come il più importante sviluppo scientifico dell’anno.

Assunto a rappresentante dell’ingegnosità del Jet Propulsion Laboratory, ne furono sviluppate anche delle versioni giocattolo che ebbero un notevole successo di vendita. Il filmato del rover Sojourner che si avvicina alla roccia “Yogi” venne utilizzato nella sigla iniziale della serie televisiva “Star Trek: Enterprise” rendendola il primo programma televisivo di fantascienza contenente immagini riprese su un altro pianeta. È stato incluso nella Robot Hall of Fame dalla Università Carnegie Mellon. Il Sojourner compare inoltre nella serie televisiva Big Bang Theory, dove viene pilotato da Howard Wollowitz, che lo fa finire in un cratere, e nella scena finale del film italiano Fascisti su Marte. The Rover Team: lo sviluppo del rover e dei suoi strumenti così come la sua guida durante le operazioni su Marte furono affidati ad un gruppo di ingegneri della NASA indicati collettivamente come “The Rover Team”. Essi erano: J. R. Matijevic, J. Crisp, D. B. Bickler, R. S. Banes, B. K. Cooper, H. J. Eisen, J. Gensler, A. Haldemann, F. Hartman, K. A. Jewett, L. H. Matthies, S. L. Laubach, A. H. Mishkin, J. C. Morrison, T. T. Nguyen, F. A. Comoglio, A. R. Sirota, H. W. Stone, S. Stride, L. F. Sword, J. A. Tarsala, A. D. Thompson, M. T. Wallace, R. Welch, E. Wellman e B. H. Wilcox del Jet Propulsion Laboratory, divisione del California Institute of Technology; e D. Ferguson, P. Jenkins, J. Kolecki, G. A. Landis, D. Wilt del NASA Lewis Research Center.

Fonte: https://it.wikipedia.org/wiki/Sojourner