ExoMars 2016
La missione ExoMars 2016 è stata una pietra miliare nel programma europeo di esplorazione di Marte, rappresentando non solo un’ampia opera di ingegneria, ma anche un passo significativo nella ricerca scientifica sul Pianeta Rosso.
I principali obiettivi della missione erano focalizzati su vari aspetti dell’esplorazione marziana.
Il TGO, innanzitutto, è stato progettato per analizzare i gas in traccia nell’atmosfera marziana, cercando segnali di attività biologica e geochimica. I gas in traccia, che costituiscono meno del 1% dell’inventario atmosferico totale di un pianeta, su Marte includono metano, vapore acqueo e biossido di azoto. Anche se presente solo in piccole quantità, il metano contiene indizi chiave sull’attuale stato di attività del pianeta. Infatti, il metano è di particolare interesse per gli scienziati che studiano Marte, perché può essere un segno di presenza di vita. Sulla Terra, per esempio, il 95% del metano nell’atmosfera proviene da processi biologici.
Il TGO è anche stato progettato per svolgere un ruolo cruciale nella comunicazione tra le missioni sulla superficie di Marte e la Terra. La radio Electra, fornita dalla NASA ed a bordo del TGO, rappresenta un elemento chiave per le telecomunicazioni tra Marte e Terra. Infatti, tramite Electra, il TGO permette di stabilire connessioni a corto raggio con i rover e i lander già operativi sul Pianeta Rosso, facilitando il trasferimento di dati e informazioni sulla Terra. Questo sistema di comunicazione è fondamentale per il successo delle operazioni scientifiche e per il monitoraggio delle attività dei rover e dei lander marziani. Il TGO svolgerà questo ruolo anche per le missioni future, come nel caso del rover ESA Rosalind Franklin.
Infine, Schiaparelli è stato progettato per un atterraggio controllato su Marte per dimostrare di possedere la tecnologia per superare con successo i “cinque minuti di terrore” che caratterizzano l’atterraggio sul Pianeta Rosso.
Durante questi minuti, il veicolo spaziale deve affrontare l’ingresso nell’atmosfera marziana, il rapido surriscaldamento, la decelerazione e l’atterraggio controllato. Queste fasi sono caratterizzate da manovre automatizzate ad alta complessità, poiché l’intervento umano in tempo reale è impossibile. Ogni fase, quindi, deve avvenire con precisione per garantire il successo della missione.
La discesa di Schiaparelli su Marte ha fornito l’opportunità per testare e perfezionare la tecnologia europea, ponendo le basi per la missione ExoMars 2028.
Per quanto riguarda le dimensioni dello spacecraft (TGO/Schiaparelli), il suo notevole peso e dimensioni riflettono la complessità della missione.
Con una massa totale di 4332 kg al lancio, il TGO (massa 3732 kg, incluso 113.8 kg di carico utile scientifico, altezza 3.5 m) e Schiaparelli (massa 600 kg, altezza 1.7 m, diametro massimo 2.4 m) rappresentano un sofisticato insieme di tecnologia europea. La larghezza del TGO, con i pannelli solari aperti, raggiunge circa 18 metri e mette in evidenza l’importanza del fattore energetico in missioni spaziali di lunga durata.
L’integrazione del TGO e Schiaparelli ha rappresentato un passo fondamentale della missione prima del lancio, permettendo agli ingegneri di testare l’affidabilità di tutte le componenti e di garantire che tutto fosse pronto per il viaggio verso Marte.
Le foto che seguono, relative a queste fasi di integrazione, testimoniano la meticolosità e l’attenzione ai dettagli necessarie per affrontare una missione così complessa.
TGO e Schiaparelli durante la fase di “accoppiamento” (per cortesia dell’ESA)
TGO e Schiaparelli “accoppiati” (per cortesia dell’ESA)
TGO e Schiaparelli durante la fase di incapsulamento nel lanciatore (per cortesia dell’ESA e ROSCOSMOS)
Lo spacecraft di ExoMars 2016, composto dal TGO e dal modulo Schiaparelli, è stato lanciato con successo dal cosmodromo di Bajkonur (in Kazakistan), a bordo del razzo Proton-M, il 14 Marzo 2016. Dopo il lancio, il razzo Proton-M, ha intrapreso una fase orbitale attorno alla Terra di circa 12 ore per raggiungere la velocità necessaria allo spacecraft per iniziare il suo viaggio interplanetario. Subito dopo la separazione dal lanciatore, il TGO, ha dispiegato l’antenna per le telecomunicazioni con il Centro di Controllo Missione dell’ESOC (a Darmstadt, in Germania), ed ha aperto i pannelli solari. A conclusione di queste operazioni, effettuate in totale autonomia, lo spacecraft ha intrapreso il suo viaggio verso Marte, durante il quale ha effettuato diverse manovre di correzione della traiettoria per assicurare un arrivo preciso al Pianeta Rosso, programmato per il 16 Ottobre 2016.
Lancio del razzo Proton-M con a bordo la missione ExoMars 2016 (per cortesia dell’ESA)
Dopo 7 mesi e 600 milioni di chilometri di viaggio interplanetario, lo spacecraft è arrivato, con puntualità’, in prossimità di Marte: il TGO ha rilasciato il modulo Schiaparelli ed ha effettuato una manovra per evitare di entrare in collisione col pianeta: anche questa manovra è stata effettuata in totale autonomia, poiché l’intervento umano in tempo reale era impossibile; dopodiché il TGO ha continuato il suo viaggio per inserirsi nell’orbita marziana. Anche Schiaparelli ha continuato il suo viaggio verso Marte preparandosi alla discesa sulla superficie del pianeta. Il 19 ottobre 2016, il TGO ha effettuato con successo l’inserimento nell’orbita di cattura, un’orbita ellittica quasi-equatoriale, con un’altitudine che variava da circa 250 km a quasi 100.000 km dalla superficie di Marte e un periodo orbitale di 4 giorni.
Purtroppo, l’atterraggio della sonda Schiaparelli su Marte non è andato come pianificato a causa di un’anomalia nel suo sistema di guida e navigazione. Questo problema ha portato a un impatto con il suolo marziano a una velocità troppo elevata, compromettendo la sonda. Tuttavia, un aspetto positivo è che tutta la telemetria di volo è stata recuperata tramite il collegamento radio con il Trace Gas Orbiter (TGO). L’analisi di questi dati ha permesso di identificare le cause dell’anomalia, portando a modifiche significative nel sistema. Questi miglioramenti sono già stati implementati nella missione ExoMars 2028, promettendo una maggiore affidabilità per future operazioni su Marte.
Nel gennaio 2017, il TGO ha eseguito ulteriori manovre per aumentare l’inclinazione orbitale a 74° rispetto all’equatore di Marte, questo per condurre osservazioni scientifiche su gran parte del pianeta e non limitandosi solo alle aree equatoriali. Successivamente, ha intrapreso numerose manovre di aerofrenata per ridurre la sua altitudine orbitale fino a circa 400 km dalla superficie. Questa fase è stata completata alla fine di aprile del 2018, data in cui il TGO ha ufficialmente iniziato la fase nominale di osservazione scientifica.
Il TGO è dotato di quattro strumenti scientifici: ACS (Atmospheric Chemistry Suite), CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System), FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) e NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery).
ACS e NOMAD, che comprendono tre spettrometri ciascuno e coprono lunghezze d’onda complementari, hanno il compito di fare un inventario dettagliato dei gas in traccia dell’atmosfera di Marte; infatti essi monitorano i cambiamenti stagionali nella composizione e nella temperatura dell’atmosfera al fine di creare modelli atmosferici dettagliati. Gli strumenti hanno anche la capacità di rilevare costituenti atmosferici minori che potrebbero esistere ma che non sono ancora stati rilevati.
A complemento di queste misurazioni, CaSSIS, una fotocamera a colori con risoluzione di 4.5 m/pixel, genera immagini accurate della superficie marziana da correlare con le possibili sorgenti di gas in traccia, come i vulcani.
Nel frattempo, FREND mappa l’idrogeno del sottosuolo, fino a una profondità di un metro, per rivelare depositi di acqua ghiacciata nascosti appena sotto la superficie. Queste mappe, insieme ai luoghi identificati come sorgenti di gas in traccia, potrebbero influenzare la scelta dei siti di atterraggio delle future missioni ed, in particolare, quello del rover Rosalind Franklin.
Rappresentazione schematica degli strumenti scientifici a bordo del TGO (per cortesia dell’ESA)
L’analisi effettuata da questi strumenti ha già fornito una notevole quantità di dati ed immagini, portando ad una più profonda comprensione dell’atmosfera marziana, mostrando la diversità e la bellezza della superficie di Marte, come si può notare dalle foto che seguono. Queste osservazioni saranno preziose per approfondire la nostra comprensione del Pianeta Rosso e della sua storia geologica e potenziale abitabilità.
Un trio di crateri marziani fotografati da CaSSIS (per cortesia dell’ESA)
Interno di un canyon marziano fotografato da CaSSIS (per cortesia dell’ESA)
Abbiamo già sottolineato che Marte è conosciuto come il Pianeta Rosso, ma le foto precedenti rivelano una sorprendente diversità di colori. Infatti le immagini di Marte di colore blu riprese da CaSSIS sono indiscutibilmente alcuni dei risultati più accattivanti e sorprendenti.
CaSSIS utilizza una gamma di filtri con lunghezze d’onda doppia rispetto a quella che gli occhi umani possono vedere (sistema NPB rispetto al sistema RGB utilizzato per esempio nelle video camere degli smart phones).
Questa elaborazione accentua il fatto che Marte è molto più diversificato nei colori di quanto immaginato. Ciò produce naturalmente immagini incredibilmente piacevoli che possono essere apprezzate anche dai non esperti.
Sopra: immagine elaborata con tecnica pseudo-RGB; sotto: stessa immagine processata con tecnica NPB (per cortesia dell’ESA)
Nella foto precedente si può confrontare la differenza tra un’immagine elaborata con la tecnica pseudo-RGB (immagine che assomiglia a ciò che un essere umano munito di un potente binocolo vedrebbe a bordo di una navicella spaziale in orbita intorno a Marte) e la stessa immagine elaborata con la tecnica NPB (immagine che mette in risalto le lunghezze d’onda invisibili all’occhio umano) per far emergere la diversità di colori della superficie di Marte.
Scientificamente, la tecnica di “image post-processing” NPB, utilizzata da CaSSIS, ha uno scopo molto importante: permette agli scienziati di osservare i cambiamenti sulla superficie in alta risoluzione spaziale, per identificare più chiaramente le unità geologiche e per comprendere meglio la stratigrafia (e quindi la storia geologica) di aree chiave su Marte. Questa informazione è fondamentale per comprendere l’evoluzione di Marte.
Il TGO ha già rilevato un’ampia gamma di gas atmosferici in traccia con una precisione migliorata di tre ordini di grandezza rispetto alle misurazioni precedenti. I risultati ottenuti forniscono, ad oggi, l’analisi globale più dettagliata della distribuzione di metano, con un limite massimo di 0.05 ppbv (part-per-billion-volume), ossia da 10 a 100 volte meno metano che in tutti i rilievi riportati in precedenza. Le sue misurazioni riguardanti la composizione e le dinamiche atmosferiche hanno potuto rispondere a domande fondamentali sulla storia di Marte e sulla possibilità di vita passata.
Inoltre, la capacità del TGO di fungere da ponte radio tra Marte e Terra è fondamentale per garantire un collegamento continuo e affidabile, facilitando il trasferimento di dati scientifici e informazioni cruciali derivanti dalle missioni planetarie.
I record della missione ExoMars 2016
La missione ExoMars 2016 ha stabilito i seguenti record:
- Primo lancio di Proton-M/Briz-M di uno spacecraft ESA per missione interplanetaria (lancio perfetto con un errore sulla “velocità di fuga” di solo 1.5 m/s su un target di ~4 km/s;
- Primo lancio a Marte di un grosso spacecraft (4332 kg) per una coppia orbiter/lander. Dopo la separazione dal lander Schiaparelli, il TGO è entrato in orbita mentre Schiaparelli effettuava il suo Entry, Descent and Landing su Marte. Queste due operazioni sono state praticamente simultanee ed in pieno automatismo senza possibilità di intervento da parte del centro di Mission Control, anche perché’ il tempo necessario per la trasmissione dei segnali radio Marte-Terra alla massima distanza era di circa 20 min, solo andata, e quindi del doppio per andata-ritorno;
- TGO è stato il primo veicolo spaziale lanciato verso Marte con funzione di Carrier e Orbiter. Dopo la missione Viking degli anni ‘70, la NASA ha lanciato varie missioni a Marte, ma sempre configurazione “solo orbiter” oppure “solo lander”, cioè mai con entrambi i due veicoli accoppiati;
- TGO è stato il primo veicolo spaziale ESA che ha effettuato l’aerofrenaggio (Aerobraking) per raggiungere l’orbita finale di Science and Data Relay (orbita bassa ad un’altezza di circa 400 km). Senza l’aerofrenaggio, la missione ExoMars 2016 non sarebbe stata realizzabile, dato che avrebbe richiesto una quantità di propellente di gran lunga superiore a quella trasportabile a bordo del TGO e tale da non essere compatibile con i lanciatori esistenti;
- Schiaparelli è stato il primo grande lander a scendere su Marte durante la stagione delle tempeste di sabbia (Global Dust Storm season), con una “entry mass” di 600 kg ed una “landed mass” di circa 400 kg.
Inoltre Schiaparelli era equipaggiato con il più grande paracadute supersonico (diametro di circa 12 m) di tipo Disk-Gap-Band mai costruito in Europa.
Bene, siamo giunti alla fine di questa tappa, ma prima di concludere mi permetto di sottolineare che il programma ExoMars, ed in particolare la sua prima missione ExoMars 2016, ha rappresentato un traguardo significativo nella mia carriera professionale, sia per l’importanza del progetto stesso, sia per il lungo periodo di impegno che gli ho dedicato.
Sin dall’inizio, ho avuto un ruolo fondamentale nello sviluppo del programma, avendo ricoperto la posizione di Phase B Manager. Questo incarico mi ha permesso di contribuire attivamente alla pianificazione e all’organizzazione delle fasi del progetto.
Nel marzo del 2007, con il passaggio alla Phase CD, ho assunto il ruolo di System and Orbiter Manager per il TGO. Questo ruolo ha comportato una grande responsabilità, poiché ho dovuto coordinare le attività tecniche e gestionali necessarie per portare avanti lo sviluppo del satellite. Allo stesso tempo, ho ricoperto anche il ruolo di Deputy Program Manager, supportando la direzione del programma e contribuendo a garantire che gli obiettivi fossero raggiunti nei tempi e costi previsti.
Nel gennaio del 2017, dopo il lancio, l’arrivo a Marte ed il completamento della Commissioning Phase del TGO, ho proseguito il mio percorso come ExoMars Mission and System Manager fino alla fine del mio servizio in ESA, nel gennaio 2021.
La mia esperienza con ExoMars non solo ha arricchito il mio bagaglio professionale, ma ha anche evidenziato l’importanza della collaborazione internazionale nella ricerca spaziale. È stata un’avventura affascinante e stimolante, che ha alimentato la mia passione per l’esplorazione dello spazio e il progresso della scienza.
Nella prossima tappa descriverò ExoMars 2028, la seconda missione del programma che, come già detto, è stata ritardata dal 2022 al 2028 a causa dell’invasione russa dell’Ucraina.
È interessante notare come i cambiamenti geopolitici possano influenzare programmi spaziali internazionali come ExoMars. Tuttavia, l’adozione di nuovi piani e la necessità di adattare le missioni a causa di eventi politici sono sfide ricorrenti nell’esplorazione spaziale.
ExoMars 2028 porterà su Marte il rover Rosalind Franklin che sarà, tra l’altro equipaggiato con un trapano capace di perforare il suolo marziano fino a 2 metri di profondità per stabilire l’eventuale esistenza di “vita presente o passata” sul pianeta.A tale scopo i campioni forniti dal trapano saranno analizzati dallo strumento UREY, il rilevatore di materia organica e ossidanti fornito dalla NASA, in grado di rilevare anche tracce di molecole organiche e stabilire se siano state originate da forme di vita o meno.
Immagine artistica del rover Rosalind Franklin di ExoMars 2028 (per cortesia dell’ESA)
Il rover Rosalind Franklin è atteso con grande interesse per il suo potenziale in termini di esplorazione e analisi della superficie e del sottosuolo di Marte. Sarà interessante seguire gli sviluppi futuri e vedere come l’ESA e i partner internazionali affronteranno questa sfida per raggiungere nuovamente Marte.
Per informazioni aggiornate sul programma ExoMars visitare:
www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars (in Inglese)
Giacinto Gianfiglio, gia’ Mission and System Manager del programma ExoMars dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA)