הכירו את התמצאות: מסוק ההייטק שנועד לטוס על מאדים

כאשר נאס"א תשגר את רובר Perseverance בנסיעתה למאדים השבוע, יהיה לו בן לוויה תחוב לידו חרוט האף של טיל אטלס V: מסוק בשם Ingenuity, שעתיד להפוך למטוס הרוטור הראשון אי פעם שטס על אחר כוכב לכת. המסוק המיניאטורי הניסיוני הזה יכול לפתוח שדה חדש לגמרי של חקר מאדים כשהוא סוקר את כוכב הלכת מהאוויר.

אבל אם אתה חושב שזה קשה לתכנן רכב יבשתי כדי לתמרן סביב כוכב לכת במרחק של מאות מיליוני קילומטרים, דמיינו לנסות לעצב מסוק שיוכל לטוס באטמוספירה דקה כל כך שהיא בקושי שם, בטמפרטורות קפואות, תוך כדי ניווט באופן אוטונומי.

דיברנו עם מהנדס מוביל ומדען בכיר בפרויקט Ingenuity במעבדת הנעה סילון של נאס"א כדי לגלות איך הם עשו זאת ואיך עשוי להיראות עתיד חקר מאדים.

אתגר חסר תקדים

בניית מסוק שיכול לטוס על כוכב אחר מלווה באתגרים רבים, שהדוחק שבהם הוא איך לגרום למשהו להישאר באוויר כשהאטמוספירה כל כך דלה. האטמוספירה של מאדים היא רק בסביבות 1% מצפיפות האטמוספירה על פני כדור הארץ, וזה שווה ערך להיות בגובה של 100,000 רגל. כדי להדגים כמה קשה זה הופך את הטיסה, שיא הגובה לטיסה במסוק על פני כדור הארץ הוא קצת יותר מ-40,000 רגל.

מסוקים פועלים על ידי הזזת אוויר מהר מאוד באמצעות להבים מסתובבים, הדוחפים את האוויר כלפי מטה ויוצרים עילוי. אבל על מאדים, האוויר הדליל מציע עילוי מועט מאוד, אפילו כשהוא מוזז עם להבים. למרות שהמעצבים קיבלו קצת עזרה מהעובדה שכוח הכבידה נמוך יותר במאדים, בקצת יותר משליש מכוח הכבידה על כדור הארץ, עדיין הייתה הבעיה המשמעותית של יצירת כלי שיט שיכולה לתמוך בעצמה עם אטמוספירה דקה בלבד לעבוד עם.

"הפתרון לבעיה הזו הוא מסה נמוכה", אמר ג'וש רביץ', מוביל הנדסת מכונות בחברת Ingenuity, ל-Digital Trends, "שהיה האתגר הקשה ביותר של המשימה כולה, לשמור על המסה נמוכה". המסוק כולו היה צריך לשקול מתחת ל-4 פאונד (1.8 קילוגרמים) מה שהצריך שימוש בחומרים שנבחרו בקפידה, והמרכב הראשי קטן מאוד, בהיותו קובייה של 14 ס"מ (5.5 אינץ') במידה.

וסוגיית המשקל הציבה מגבלות גם על היבטים אחרים של המלאכה: "אנחנו חייבים לאזן בין איך הרבה כוח אתה יכול לשאת בצורה של סוללות כדי להפעיל את הרכב, וכמה גדולים הלהבים שלך יכולים להיות", רביץ' אמר. הסוללות נחוצות שכן הכוח נאסף באמצעות פאנל סולארי על גבי הרכב המאפשר לו להיטען באופן אוטונומי.

להבי המסוק צריכים להיות גדולים - יש להם טווח של קצת פחות מ-4 רגל (1.2 מטר) - כדי לספק הרמה מספקת לרכב לטוס. כדי לייצר להבים שהיו גם גדולים מספיק וגם קלים מספיק, הצוות השתמש בחומרים חדשים כולל חומרים מרוכבים הדומים לסיבי פחמן. ישנם ארבעה להבים בסך הכל, המסודרים לשני רוטורים, שכל אחד מהם מסתובב במהירות של עד 2,400 סל"ד, הרבה יותר מהר מהמהירות של כ-500 סל"ד האופיינית ללהבי מסוקים על פני כדור הארץ.

בעיית הקור

סוגיה נוספת שהצריכה חידושים חומריים הייתה בעיית טמפרטורת פני השטח, שיכולה לרדת עד מינוס 100 מעלות פרנהייט בלילה. כשקר כל כך, המערכות האלקטרוניות לא עובדות בצורה אמינה והרכב צריך להשתמש בכוח יקר כדי להישאר חם. אז צוות Ingenuity הגיע עם פתרון באמצעות שכבות דקות של בידוד סביב הרכיבים האלקטרוניים העדינים של הרכב.

"בדרך כלל אתה פותר את זה על ידי הכנסת הרבה בידוד עבה לשם, עם זאת, הבידוד הוא די כבד," אמר רביץ'. "אז בסופו של דבר השתמשנו בחלק מהאטמוספרה עצמה, בדיוק כמו שלברווז או אווז תהיה שכבת בידוד מתחת לנוצות שלהם, אנחנו משתמשים בגז מהאטמוספירה של מאדים. אם אתה משתמש מספיק בשמיכות תרמיות דקות, אתה יכול לקבל מעט בידוד."

בעיה אחת מסבכת אחרונה הנגרמת על ידי הקור היא הבעיה של האופן שבו חומרים מלחיצים מגיבים לטמפרטורות נמוכות. "לרוב המסוקים על פני כדור הארץ יש בולמים אלסטיים פיזיים המרימים משקל הנכנס למרכז המסוק", אמר. בולמים אלו סופגים את הרעידות הניכרות הנגרמות מסיבוב הלהבים במהירויות גבוהות מאוד. "אבל אלה לא עובדים טוב בטמפרטורות של מאדים, אז היינו צריכים לעשות הרבה עיצוב כדי לגרום לזה לעבוד כמערכת קשיחה יותר."

חוקר אוטונומי

לא ניתן להטיס ישירות את המסוק מכדור הארץ בגלל השהיית התקשורת של מספר דקות בין כאן למאדים. במקום זאת, Ingenuity תהיה לרוב אוטונומית, תשתמש בחיישנים שלה כדי לזהות את הסביבה סביבה ותנוע בהתאם.

עבור משימה זו, הוא ישתמש במכשירים על הסיפון הכוללים מצלמת ניווט, מד גובה לייזר וחבילת ג'ירוסקופ של מד תאוצה הנקראת יחידת מדידה אינרציאלית (IMU). באמצעות כלים אלה, כלי השיט יכולה להבין לאן מועדות פניה וכמה רחוקה היא מהקרקע. זה אפילו יכול לבצע זיהוי סיכונים כדי למנוע מכשולים פוטנציאליים בדרכו.

זה אומר שהטכנאים על הקרקע נותנים לכלי השיט תוכנית טיסה, ואז אינטואייטי יכולה לבצע אותה, כפי שהסביר רביץ': "הדרך בה מטיסים את המסוק היא שאנחנו הזן תוכנית טיסה, בעצם נתיב טיסה, באומר 'סובב את הלהבים כל כך הרבה זמן, תעוף לכאן, תסתובב, תעוף לכאן'... ואז אינטואייטי עושה את הרצף הזה על ידי עצמו."

המסוק צריך להישאר בטווח תקשורת עם הרובר, שהוא כקילומטר אחד, ובאופן אידיאלי צריך להיות לו קו ראייה ישיר. אבל מעבר לכך, Ingenuity יכולה לפעול באופן עצמאי ויכולה לטעון, להמריא ולנחות ללא כל תמיכה מהרובר. התוכנית היא שהמסוק יתמודד עם אתגר אחד בכל פעם, כדי לראות עד כמה הוא מסוגל לתמרן סביב כדור הארץ.

"אנחנו נטוס בסדרה של משימות מורכבות יותר ויותר", אמר רביץ'. "באופן נומינלי, המשימה היא אחת עד שלוש טיסות, אבל זה יכול להיות עד חמש טיסות תלוי איך הדברים יתנהלו... כל טיסה תהיה קצת יותר מורכבת. הראשון, נקום, נרחף, ננחת. השני יכול להיות לקום, להסתובב, אולי לזוז קצת, ואז לחזור ולנחות. לקראת הסוף, אם הדברים מתנהלים כשורה, הם עלולים להחליט להתרומם, לעוף לכיוון הזה ולמצוא נקודת נחיתה חדשה ולשמור על זה כבסיס הפעילות הבא".

מוכיח את הרעיון

ההמצאה לא נועדה כמשימה מדעית, ולכן היא לא תאסוף נתונים מדעיים - אם כי מומחים מקווים שהם יוכלו לעשות שימוש בחלק מהנתונים שהיא אכן אוספת. מטרת המשימה היא להדגים שזה אפשרי מבחינה טכנולוגית להטיס מטוס רוטור על כוכב לכת אחר ולאסוף נתונים הנדסיים כדי לסייע בתכנון מסוקי מאדים עתידיים.

זה אומר שיש מידה מסוימת של גמישות באופן שבו הכלי יכול לנוע, מכיוון שאין צורך לתמרן למיקום מדויק על פני השטח. ככל הנראה הכלי יישאר במרחק של כמה מאות מטרים מהרובר Perseverance, כך שהוא יכול להתמקם ביחס לזה. "במידה מסוימת, אני לא חושב שזה משנה יותר מדי כמה אנחנו מדויקים בזמן שאנחנו טסים - המסוק יידע בדיוק איפה הוא חושב שהוא נמצא", אמר רביץ'. "מרמה גבוהה יותר, זה לא משנה יותר מדי אם זה 10 רגל ככה או 10 רגל ככה כשהיא נוחתת - כל עוד זה נוחת בבטחה."

סיוע מהאוויר

אם תפיסת ההמצאה תעבוד בפועל כמצופה, מסוקים יכולים לספק לא יסולא בפז סיוע למשימות רובר עתידיות, צילום תמונות של פני השטח והפיכת החקר למהיר יותר ועוד מְדוּיָק.

מאט גולומבק, ותיק במשימות מדעיות של מאדים שמתמחה בבחירת אתרי נחיתה על מאדים ומי שהיה החוקר הראשי להצעה הראשונה למסוק מאדים, הסביר ל-Digital Trends כיצד מסוקים יכולים להועיל למחקר עתידי פעולות.

השלמת פער הרזולוציה

אחת המשימות החשובות ביותר שיוכלו לבצע משימות מסוק עתידיות תהיה צילום תמונות ברזולוציה גבוהה כדי להשלים את מה שמכונה "פער הרזולוציה" של תמונות פני השטח של מאדים. זה מתייחס ל"הבדל בין התמונות ברזולוציה הגבוהה ביותר שיש לנו ממסלול, שהן כ-25 סנטימטרים (כ-10 אינץ') לפיקסל ונקראות תמונות HiRISE, לעומת מה שאתה יכול לראות על הקרקע במשימות רובר קודמות, שבהן הרזולוציה שלנו היא משהו קרוב יותר ל-3 סנטימטרים לפיקסל", אמר גולומבק. "זה בערך סדר גודל."

למרות שהתמונות בחדות גבוהה של פני כוכב הלכת שצולמו באמצעות מכשיר HiRISE הן מפורטות להפליא בהתחשב בכך שהן נלכדות ממסלול, הן אינם מפורטים מספיק כדי להראות מאפיינים מבניים של הארץ כמו מחשופים, או לזהות אזורים בעלי עניין מדעי כגון סלעים מסוימים עבור רוברים לְבַקֵר. אז הרוברים צריכים לחקור את האזור שבו הם נוחתים כדי למצוא סלעים או מאפיינים אחרים שמעניינים מדעית לחקור.

מסוק יכול לשמש כצופית למשימות רובר, לצלם תמונות מפורטות יותר מאלה האפשריות ממסלול. תמונות אלו יכולות לשמש בזיהוי אזורים בעלי עניין מדעי מסוים, כך שהצוות יוכל לשלוח את הרובר ישירות ליעדים היקרים ביותר למחקר.

הרחבת אזורי הכיסוי של הרוברים

דבר אחד שאתה אולי לא מבין לגבי משימות רובר מאדים הוא כמה שטח קטן מכסה כל רובר, מכיוון שיש להם כוח מוגבל לפעול עליו, וכל מהלך שהם עושים צריך להיות מתוכנן בקפידה. התמדה, למשל, תכסה בין 3 ל-12 מיילים (5 ו-20 קילומטרים) במהלך המשימה העיקרית שלה. והרובר הרחוק ביותר של כדור הארץ, Opportunity, כיסה 28 מיילים (45 קילומטרים) מדהימים לאורך 14 שנות חייו. עד כמה שזה מרשים עבור רובר שחוקר כוכב לכת מרוחק, המרחקים הללו מייצגים רק חלק קטן משטח הפנים הכולל של מאדים.

לרובר עשוי לקחת שבועות כדי לנסוע קילומטר, למשל. בעוד ש-Ingenuity יכולה לנסוע עד קילומטר אחד ב-90 שניות בלבד, למרות שהצוות לא מתכנן להפעיל את המסוק במהירויות כה מהירות במשימה הראשונה שלו. אבל מסוקים עתידיים יוכלו לחקור שטח הרבה יותר גדול של כדור הארץ, ותמונות שהם צילמו יהיו חשובות לאין ערוך כדי להכניס את ממצאי הרוברים להקשר רחב יותר. תמונות כאלה יעזרו למדענים להבין את הגיאולוגיה העולמית של כדור הארץ ולספר להם אם האזורים שנחקרו על ידי הרובר מייצגים את הסביבה הגדולה יותר של מאדים.

המסוק יכול גם לעזור להרחיב את אזור החקירה על ידי צמצום משמעותי של משך הזמן שלוקח לרוברים לנווט סביב פני השטח. נכון לעכשיו, מסלולי הנהיגה ברוברים נקבעים באמצעות התמונות ברזולוציה הגבוהה ביותר הזמינות, אבל תמונות אלו לא תמיד מציגות מכשולים או סכנות כך שנהגים צריכים לנווט לאט ו בקפידה.

"בדרך כלל, הנסיעה המקסימלית של הרוברים ביום היא 60 עד 100 מטרים", אמר גולומבק. "אבל אם היה לך מידע ברזולוציה גבוהה, זה היה אומר לך ספציפית לאן הנסיעה בטוחה שבילים היו, אתה יכול להכפיל או לשלש את זה בקלות, וכך להגיע ליעד שלך הרבה יותר מהר."

מציאת נקודת נחיתה

עם זאת, לפני שרובר יוכל לחקור, הוא צריך לנחות. ותהליך בחירת אתר הנחיתה יכול גם להפיק תועלת מתמיכה אווירית.

"בחירת אתר הנחיתה היא שילוב של אפיון עד כמה בטוח המשטח לנחיתה עם החללית שתכננת ובנית - נחיתות לא אוהבים שיש מתחתם סלעים גדולים שיכולים לשפד אותם או להטות אותם, מדרונות תלולים הם בדרך כלל לא דבר טוב, ו אזורים מאוד רכים שאתה עלול לשקוע בהם הם בחירות גרועות - אז יש חבילה שלמה של מה שאנחנו מכנים אילוצים הנדסיים." אמר גולומבק.

אילוצים הנדסיים אלה מסובכים גם בגלל האטמוספירה הדקה של מאדים, מכיוון שהדבר מקשה על כלי רכב להאט את עצמם באמצעות מצנחים כשהם נכנסים לנחיתה. אז הצוות צריך לשקול גם את הגובה של אתר הנחיתה, כדי להבטיח שהרכב יוכל לנחות שם בבטחה.

"ואז יש לך מטרות מדעיות, שמבוססות על המטען שאתה נושא ועל המטרות המדעיות של המשימה - הדברים שאתה רוצה ללמוד ולגלות על מאדים," הוא המשיך עַל. "ואתם צריכים לשקול את כולם יחד כדי להמציא מקום [לנחת] שהוא גם בטוח וגם מעניין מבחינה מדעית עבור המשימה המסוימת הזו."

האנשים שבוחרים באתרי נחיתה, כמו גולומבק, מסתמכים בעיקר על תמונות שנלקחו ממסלול כדי לברר אילו אתרים יעמדו בקריטריונים הללו. והסטיות הקטנות ביותר מהצפוי עלולות לגרום לבעיות, כמו אלה שחווה נחיתת InSight שנחתה על מאדים ב-2018. צוות InSight הצליח למצוא מיקום שטוח כראוי וללא סלעים, והתחזיות שלהם לגבי החומרים המרכיבים את פני השטח היו מדויקות לחלוטין. עם זאת, האדמה מתחת לפני השטח של המקום בו יושבת הנחתת התבררה כשונה במקצת מהצפוי, לאחר שנדחסה לחומר קשיח יותר בשם duracrust. וזה גרם לבעיות רבות בניסיון לקבור את בדיקת החום של הנחתת מתחת לפני השטח.

"תמיד יש אי בהירות בנתוני המסלול שבהם אתה משתמש כדי להסיק מה באמת נמצא על פני השטח", אמר גולומבק. "באופן כללי, לבחירת אתרי נחיתה היינו טובים מאוד במדידה ובאפיון האילוצים ההנדסיים - הסלע שפע והמדרונות, וכן הלאה - בעיקר בגלל שתמונות ה-HiRISE ברזולוציה גבוהה מספיק כדי לראות סלעים גדולים ולמדוד מדרונות. אבל היינו קצת פחות מדויקים בהבנת מה שהייתי מכנה את הסביבה הגיאולוגית. כלומר, איך נוצר האזור הזה, מה היו הכוחות הגיאולוגיים העיקריים שעיצבו אותו. זה היה קשה יותר".

מכיוון שלתמונות המתקבלות ממסלול יש רזולוציה מוגבלת, קשה לראות את סוגי הפרטים הדרושים כדי לזהות בצורה המדויקת ביותר יעדים בעלי עניין מדעי, כגון משקע מסויים סלעים. קבלת תמונות ברזולוציה גבוהה בהרבה כמו אלה שניתן ללכוד על ידי מסוק תהיה בעלת ערך רב בחירת אתרי נחיתה שהיו גם בטוחים לכלי הרכב וגם ממקסמים את הסיכויים להפוך למדעיים חשובים ממצאים.

מסוקים יכולים אפילו לשאת מכשירים מסוגים שונים כמו מכ"ם חודר קרקע שיכולים לספר למדענים ישירות על מה שמסתתר מתחת לפני השטח של מאדים.

קָשׁוּר:רדאר חודר קרקע לבטון

ציד אחר החיים מלמעלה

עם זאת, ניתן להשתמש במסוקים ליותר מסתם תמיכה במשימות אחרות. מכונה כזו יכולה להיות מצוידת בכל סוג של מצלמה, כגון מכ"ם, אינפרא אדום או מכשירי הדמיה תרמית שיכולים לחשוף את ההרכב והמינרלוגיה של קרקע המאדים.

זה חשוב מכיוון שכלים אלה יכולים לזהות מינרלים מסוימים, כגון חימר, שנוצרים כאשר מים נמצאים. אזורים עם צפיפות גבוהה של מינרלים חרסית אלה הם יעדי מפתח למחקר האם יש אולי פעם היו חיים על מאדים.

כמה מהמטרות המעניינות ביותר עבור מדענים לחקור הם מתלולים, או צוקים תלולים שנוצרו כתוצאה משחיקה, מכיוון שהם חושפים את שכבות הסלע שהונחו לאורך זמן. להסתכל על השכבות האלה זה כמו להסתכל אחורה בהיסטוריה של מאדים. עם זאת, מכיוון שהם תלולים וסלעיים, קשה לחקור אזורים אלה עבור הרוברים ועליהם להתנהל בזהירות רבה. הרובר Opportunity, למשל, בילה שנה שלמה בנהיגה בזהירות מסביב לקצה של מתלול אחד כזה לצלם את זה, בעוד ש"אפשר היה לרכוש תמונות מסוג זה תוך מספר ימים על ידי מסוק", גולומבק אמר.

כשנשאל אם יש מיקום מסוים על מאדים שהוא באופן אישי היה רוצה לחקור עם מסוקים, גולומבק צחק. "יש מאות - אלפים!" הוא אמר. "שטח הפנים של מאדים דומה לשטח החשוף מעל פני המים של כדור הארץ. חשבו על ההבדלים בין הגרנד קניון להרי ההימלאיה, בין אזורי החוף והפנים. יש כל כך הרבה מקומות שונים שיספרו לך דברים מעניינים".

כלים בארגז הכלים של מאדים

שני המומחים הסכימו כי עתיד חקר מאדים אינו שאלה של מסוקים או רוברים, אלא של שימוש בשניהם כנדרש למשימות שונות.

"אני מהנדס בנשמה, אז בשבילי, כולם כלים בארגז הכלים", אמר רביץ'. "עבור גופים אטמוספריים כמו מאדים, יהיה מקרה חזק שכלי טיס הוא התשובה לכל מה שאתה רוצה לעשות. אם אתה רוצה לרדת לתוך חור גדול כמו קניון, או אם אתה רוצה לטפס על הר, זו תהיה התשובה הטובה ביותר. אבל תמיד יש גבול למה שאנחנו יכולים לשאת - זו הסיבה שציפורים כל כך קלות ופילים לא - כך שתמיד תוכל לעשות יותר מדע ולשאת יותר עם רכב [קרקעי]".

הצורך במספר סוגים של כלי רכב מתברר עוד יותר כאשר בני אדם נכנסים לתמונה, כאשר מתכננים משימות מאוישות עתידיות למאדים. "כנראה שגם נצטרך את שניהם," אמר רביץ'. "אם אתה מסתכל על אנשים היום, אנחנו מקיימים אינטראקציה עם כלי רכב קרקעיים וכלי רכב אוויריים, ואני לא רואה את זה משתנה".

המלצות עורכים

• נסיעה קוסמולוגית: הלוגיסטיקה המסובכת של העלאת אנשים על מאדים
• אטמוספרות מלאכותיות: איך נבנה בסיס עם אוויר לנשימה על מאדים
• 7 דקות של טרור: התמוטטות של רצף הנחיתה המטורף על מאדים של Perseverance
• אבק מאדים הוא בעיה גדולה עבור אסטרונאוטים. הנה איך נאס"א נלחמת בזה
• כיצד רובר ההתמדה של נאס"א יחפש חיים על מאדים