התמדה בדרך למאדים

בשבוע הבא ימלאו שמונה שנים לתחילת משימתו של "קיוריוסיטי" (סקרנות), רכב השטח הרובוטי (רוֹבֶר) הגדול והמשוכלל ביותר שפועל על מאדים. בשנתיים האחרונות הוא נותר הרכב היחיד על פני מאדים, אבל אם הכל יעבור כשורה, כשהוא יציין את יום השנה השמיני על כוכב הלכת האדום תאומו הלא-זהה כבר יהיה בדרך להצטרף אליו. לפי התוכניות, ב-18 בפברואר 2021 ינחת על מאדים רכב השטח החדש והמשוכלל Perseverance (התמדה) של סוכנות החלל האמריקאית, וינסה לקרב אותנו עוד קצת למענה על שתי השאלות הגדולות: האם היו בעבר חיים על מאדים? והאם אנחנו, בני האדם, נוכל להצטרף יום אחד לכלי הרכב האלה, ולחקור בעצמנו את כוכב הלכת המסקרן?

תאומים כמעט זהים, אבל עם הבדלי משקל. הרוברים Perseverance (מימין) ו-Curiosity | מקור: NASA/JPL

האחים רייט בשמי מאדים

הרובר החדש נבנה על אותו שלד של קיוריוסיטי, ואפילו נעשה בו שימוש בחומרים ובחלקים שיוצרו עבור הרכב המקורי. שניהם דומים מאוד במידותיהם: אורך שלושה מטרים, רוחב 2.7 מ' וגובה 2.2 מ'. לעומת זאת, משקלו של פרסבירנס (על כדור הארץ) 1025 קילוגרם – 126 קילוגרם יותר ממשקלו של קיוריוסיטי. עודף המשקל נובע מהמכשור המשוכלל שהרובר החדש נושא עמו, בתקווה לפענח בעזרתו חלק מהסודות של כוכב הלכת האדום.

החידוש הגדול ביותר, ואולי המסקרן ביותר במשימת מאדים 2020 (שתתחיל כאמור ב-2021) הוא מסוק שרכב השטח נושא עמו, ואמור לבצע את הטיסה הראשונה אי פעם בשמי כוכב לכת אחר. המסוק אינו אלא רחפן קטן, וגם "בשמי כוכב הלכת" היא הגדרה מרחיבה למדי לכלי טיס שאמור להתרומם לגובה חמישה מטרים בלבד, לטוס למרחק אופקי של 300 מטר לכל היותר ולשהות באוויר עד דקה וחצי בכל טיסה.

למרות המגבלות האלה, הרחפן Ingenuity ("כושר המצאה" או "תושייה") הוא כלי טיס מסקרן, שצריך להתמודד עם אתגרים לא פשוטים, בראשם האטמוספרה הדלילה מאוד של מאדים. האטמוספרה של כוכב הלכת האדום מורכבת בעיקר מפחמן דו חמצני וצפיפותה כאחוז אחד בלבד מזו של כדור הארץ. כדי להתרומם בתנאים האלה דרוש רחפן קל מאוד, בעל להבי מדחף גדולים יחסית, המסתובבים במהירות רבה. ואכן, הרחפן כולו שוקל (על כדור הארץ) 1.8 ק"ג, מוטת הלהבים שלו 1.2 מ' והם מגיעים ל-3,000 סיבובים בדקה. בנוסף, הרחפן צריך להיות עמיד בפני שינויי הטמפרטורה הקיצוניים על מאדים, ולתפקד בטמפרטורה של 90 מעלות צלזיוס מתחת לאפס.

הרחפן Ingenuity יבצע את הטיסה הראשונה אי פעם בשמי כוכב לכת אחר. הרחפן והרובר Perseverance בעין אמן | איור: NASA/JPL-Caltech

בגלל המרחק ממאדים, מפעילי המשימה לא יכולים לשלוט ברחפן בזמן אמת, לכן הוא צריך להיות אוטונומי, ולנהל את הטיסה בעצמו. גם כשמאדים הכי קרוב לכדור הארץ, לוקח למידע ממנו יותר משלוש דקות להגיע אלינו – כלומר הרחפן יסיים את טיסתו הרבה לפני שבמרכז הבקרה יקבלו את המידע על תחילתה.

באופן אידיאלי, רחפן כזה יסרוק את הסביבה שבה מסייר רכב השטח, יסייע למפעילי המשימה לבחור אובייקטים מעניינים למחקר בסביבה, וכן יאפשר להם לתכנן ביעילות את המשך המסלול שלו. ואולם, בינתיים לפחות, הרחפן הנוכחי לא יעשה את הדברים האלה. מטרת המשימה, שאמורה לצאת לפועל באביב 2021, כמה חודשים אחרי הנחיתה, היא בעיקר לבחון את יכולותיו של כלי טיס כזה לשימוש עתידי. "האחים רייט הראו באמצעות כלי טיס ניסיוני שאפשר לבצע טיסה ממונעת באטמוספרה של כדור הארץ. אנחנו מנסים לעשות את אותו הדבר עם הרחפן על מאדים", אמר האווארד גריפ, ממעבדת ההנעה הסילונית של נאס"א (JPL), הטייס הראשי של Ingenuity.

סרטון של JPL על הרחפן Ingenuity (באנגלית):

אריזה ומשלוח

עד כה בני אדם הצליחו להביא לכדור הארץ דגימות קרקע וסלעים מהירח, שאספו אסטרונאוטים ומשימות לא מאוישות, וכן מכמה אסטרואידים. משימת Mars 2020 אמורה להיות החלק הראשון של משימה משולבת להבאת דגימות מכוכב לכת אחר. הרעיון הוא שרכב פרסברינס יאסוף את הדגימות ויאפסן אותן במכלים מיוחדים. את המכלים הוא יערום באזורים מוגדרים, ורכב עתידי יעמיס אותם על טיל שיגור בדרך למסע הארוך לכדור הארץ.

לצורך איסוף הדגימות ואריזתן משתפים פעולה שלושה רובוטים המותקנים ברובר. בחזיתו ממוקמת זרוע רובוטית באורך שני מטרים, בעלת חמישה מפרקים המקנים לה גמישות רבה. קצה הזרוע כולל מקדחה רבת עוצמה, ורובוט נוסף, שנמצא קרוב לבסיסה הוא מעין קרוסלה, והוא מגיש לה את ראש המקדחה המתאים לכל קידוח או חפירה, וכן את מכלי המתכת לאיסוף הדגימות. המכלים המלאים מועברים דרך הקרוסלה לבטן הרכב, שם שוכנת זרוע רובוטית קטנה יותר, האוטמת את המכלים ומאכסנת אותם. בסך הכל נושא פרסבירנס 43 מכלי איסוף דגימות קרקע, ועוד חמישה מכלים לדגימת הסביבה. בנאס"א עשו מאמץ רב לוודא שהרכב כולו סטרילי ונקי ככל האפשר מחיידקים ארציים, ובפרט מערכת איסוף הדגימות. בחמשת המכלים יישמרו דגימות אוויר מאזור קידוחי הדגימות, בין השאר כדי לוודא שהדגימות אינן כוללות שום זיהום ארצי שמקורו ברובר, במכשירים או במכלי האיסוף.

את מכלי הדגימות האטומים ישאיר רכב המאדים בסופו של דבר באתר אחד או בכמה אתרים על פני כוכב הלכת. המשימה שתביא בסופו של דבר את הדגימות לבדיקה בכדור הארץ עדיין לא תוכננה, ואיש אינו יודע אם היא אכן תצא לפועל ומתי.

הרובר Perseverance יעסוק רבות בחקר הסביבה במאדים. מערך המכשירים המדעיים של הרובר | איור: NASA/JPL-Caltech

האגם הנעלם

מחקרים רבים על מאדים העלו כי בעבר הרחוק הייתה לו אטמוספרה סמיכה הרבה יותר, ועל פניו היו מים זורמים. השאלה הגדולה היא אם הסביבה המימית הזו איפשרה קיום של חיים, לפחות של אורגניזמים חד תאיים או יצורים זעירים אחרים, כפי שהיה גם בכדור הארץ הצעיר ועתיר המים לפני שלושה מיליארד שנה ויותר. משימות מדעיות רבות מתמקדות בחיפוש ראיות ברורות שאכן היו חיים מיקרוביאליים על כוכב הלכת השכן שלנו. זה נעשה בלוויינים המקיפים את מאדים, וזאת גם אחת המשימות של רכב קיוריוסיטי, שהניבה ממצאים מעניינים אך לא חד משמעיים.

גם אם היו חיים מיקרוביאליים על מאדים, הסיכוי למצוא חיידקים ממש, או יצורים אחרים, קטן מאוד. החוקרים מתמקדים באיתור "חתימה כימית" של יצורים חיים, כלומר חיפוש מולקולות שהיו יכולות להיווצר רק בתהליכים ביולוגיים, בסביבה חיה, ולא בשום דרך אחרת.

כדי שהמדענים לא יצטרכו לחכות עד שדגימות הקרקע יגיעו, אולי, לכדור הארץ ביום מן הימים, מצויד פרסבירנס במערך של מכשירי מדידה אופטיים לניתוח הרכב הקרקע. המכשירים האלה הם ספקטרוסקופים, המקרינים את האובייקט בקרינה מסוג מסוים, מודדים את החזר הקרינה ויכולים לקבוע בדיוק אילו אורכי גל נבלעו בחומר שהם מצלמים. לכל יסוד ומולקולה יש חתימה ספקטרוסקופית ייחודית, וכך אפשר לנתח את הרכב החומרים בסלע או בקרקע, גם בלי לגעת בהם ישירות. בין השאר זה ייעשה בעזרת מצלמות רגישות במיוחד שיקבעו בדיוק רב את צבעי החומרים, ובעזרת ספקטרוסקופים הפועלים באורכי גל אחרים, בהם קרינה על-סגולה וקרני X (רנטגן). המיכשור כולל גם את ה-Supercam: מצלמה המשגרת קרן לייזר דקיקה אל מטרה במרחק של עד שבעה מטרים מהרכב, ומנתחת בספקטרוסקופיה את הרכב החומר שנשרף. לשיטות האלה יש מגבלות, כמובן, אבל החוקרים מקווים כי הן יסייעו לזהות את אותן מולקולות ביולוגיות המעידות על קיום חיים, לפחות בעבר הרחוק של מאדים, בהנחה שאכן קיימות שם מולקולות כאלה.

בתקווה להגדיל ככל האפשר את הסיכוי להיתקל בחומרים שמעידים על קיום חיים, חיפשו החוקרים אתר נחיתה שיש סבירות רבה שאכן היו בו חיים בעבר הרחוק. בסופו של דבר הם בחרו במכתש גֶ'זֶרוֹ (Jezero), מעט מצפון לקו המשווה של מאדים. המכתש, שקוטרו כ-45 קילומטרים, נוצר כנראה מפגיעת מטאוריט גדול במאדים, ומעריכים כי לפני 4-3 מיליארד שנים הוא היה אגם מלא מים. בתוך המכתש החוקרים מעוניינים להתמקד באזור שהיה כנראה דלתא של נהר שנשפך לאגם. הקרקע באזור זה עשירה כנראה במגוון מינרלים, והחוקרים מקווים כי אם אכן היו חיים מיקרוביאליים באזור, ייתכן שהם כוסו מסחף מהנהר והשתמרו כמאובנים. מכיוון שהנהר ניקז מים מאזור רחב, ייתכן שסימני חיים מכל האזור נסחפו במימיו אל האגם, שם יהיה קל יותר למצוא אותם.

פוטנציאל לסימני חיים. צילום לוויין של מכתש ג'זרו, הדלתא בצד שמאל. באליפסה: אתר הנחיתה | מקור: NASA

אוויר לנשימה

נוסף על חיפוש סימני חיים, פרסבירנס יעסוק רבות בחקר הסביבה המאדימית. הרכב המשוכלל מצויד בלא פחות מ-23(!) מצלמות. שבע מהן נועדו לספק תיעוד מפורט של שלב הנחיתה, שישמש בפיתוח ושיפור חלליות מאדים העתידיות. תשע אחרות הן "מצלמות הנדסה", שנועדו להתריע מפני סכנות בדרך, לסייע בניווט ולאפשר בחינה חזותית של מצבם של חלקים ומערכות ברכב. שבע הנותרות הן מצלמות מדעיות, הכוללות את הספקטרוסקופים לניתוח ההרכב הכימי של הקרקע והסלעים. על ה"תורן" של הרכב מותקנת מצלמה כפולה משוכללת במיוחד, המצלמת וידאו וסטילס באיכות גבוהה, תמונות פנורמיות, תקריבים ועוד. גם על הזרוע הרובוטית מותקנות מצלמות המיועדות לצלם מקרוב את הסלעים והעצמים שהרכב חוקר, אך יכולות לצלם גם את הסביבה ואת חלקי הרכב.

מערך המכשירים המדעיים כולל גם מכ"ם חודר קרקע למחקר גיאולוגי. המכ"מ משדר גלים אל הקרקע, ועל פי דפוסי ההחזר שלהם יכול לנתח את הרכב הקרקע עד לעומק של עשרה מטרים בערך - תלוי בסוג הסלעים. מכשיר נוסף הוא למעשה תחנת מזג אוויר קטנה, הממוקמת על התורן, מתחת למצלמות. המכשיר מודד את טמפרטורת האוויר, מהירות הרוח, לחץ האוויר, עוצמת הקרינה וריכוזי האבק.

הצילומים, נתוני מזג האוויר והמידע על הרכב הקרקע נועדו לענות על שאלות מדעיות בנוגע לגיאולוגיה ולתנאי הסביבה על מאדים, אבל גם לספק מידע חשוב לקראת האפשרות שיום אחד אכן ינחתו בני אדם על כוכב הלכת. בגלל המרחק העצום מכדור הארץ, משימות מאוישות למאדים יהיו כרוכות ודאי בשהות ממושכת על פני כוכב הלכת, והקמת בסיסי מחקר ואולי אפילו מושבת קבע. כל שהות על מאדים תחייב היכרות טובה עם תנאי הסביבה, ועם הסכנות שהם טומנים בחובם: טמפרטורות קיצוניות, קרינה מסוכנת, סערות אבק ועוד. הנתונים שיאסוף פרסבירנס אמורים להוסיף לידע על התנאים האלה, ואולי על הגורמים להם. הכרה טובה יותר עם המבנה הגיאולוגי של מאדים חשובה לשימוש בקרקע לייצור חומרי בנייה, להפקת מינרלים שימושיים, לאיתור מערות שעשויות להיות בעלות חשיבות רבה, וכן לחיפוש אחר מצבורי קרח או מים בקרקע.

מכשיר נוסף שנושא רכב המאדים יבחן את האפשרות לייצר חמצן מהאטמוספרה של כוכב הלכת, המכילה בעיקר פחמן דו חמצני. המכשיר עושה שימוש במערכת כימית ובטמפרטורה גבוהה (800 מעלות צלזיוס) לפירוק מולקולות של CO₂ ל-CO ו-O₂. לדברי החוקרים שפיתחו אותו, הוא אמור לייצר כ-10 גרם של חמצן טהור בשעה. הכמות כמובן אינה גדולה, אבל מדובר רק במכשיר שנועד לספק הוכחת היתכנות לטכנולוגיה. לקראת משימות מאוישות למאדים יהיה אפשר לשגר מראש מכשירים גדולים כאלה, שיפיקו ויאגרו כמויות גדולות של חמצן. החמצן לא ישמש רק לנשימה: חמצן נוזלי הוא דלק טילים רב עוצמה, שיאפשר לשגר אסטרונאוטים או חלליות לא מאוישות מפני השטח של מאדים.

סרטון על רכב פרסבירנס ומכשיריו המדעיים (באנגלית):

סוללה גרעינית

שיגורו של רכב החלל מתוכנן ל-30 ביולי ב-14:50 שעון ישראל, על גבי טיל אטלס V541 של חברת United Launch Alliance. אם יהיו תקלות או עיכובים, תוכל נאס"א לדחות את השיגור עד אמצע אוגוסט. אף על פי שהמרחק בינינו לבין מאדים הוא כעת כ-100 מיליון קילומטר, החללית הנושאת את הרכב תצטרך לעבור מרחק גדול פי חמישה: טיסה בקו ישר למאדים אינה אפשרית בשל המרחק הרב והעובדה שגם הוא נע במסלול סביב השמש בזמן שהחללית עושה דרכה אליו. הטיסה תימשך קצת יותר מחצי שנה, והנחיתה מתוכננת כאמור ל-18 בפברואר 2021.

תהליך הנחיתה עצמו מתבצע באופן אוטונומי: החללית תיכנס לאטמוספרה של מאדים, ובגובה של 10-13 קילומטר מעל פניו תפתח מצנח ענקי בקוטר 21 מטרים. זמן קצר לאחר מכן היא תשחרר את מגן החום, ותפעיל מכ"מ שיסייע לה לקבוע במדויק את גובהה ולזהות את הטופוגרפיה. בעזרת המכ"מ ומצלמות הנחיתה תוודא החללית שהיא נמצאת באתר הנכון, ובמידת הצורך תתקן את המיקום בעזרת מנועים רקטיים. לאחר אישור המיקום תשחרר החללית את החלק העליון והמצנח, ובסיום שלב של נפילה חופשית תפעיל מנועים רקטיים לכיוון הקרקע, כדי לבלום את הנפילה. בגובה של כ-20 מטר מעל הקרקע, בעודה מרחפת בעזרת המנועים הרקטיים, תתחיל לשלשל בעזרת כבלים את הרכב התלוי תחתיה, עד שייגע בקרקע. לאחר שחרור רכב השטח, החללית תתרומם משם ותכוון את עצמה להתרסקות במרחק של כמה מאות מטרים, במקום שלא יסכן את הרובר.

אם הכל יתנהל כמתוכנן, פרסבירנס יהיה רכב השטח החמישי שינחת על מאדים. הוא מצטרף כאמור לקיוריוסיטי, שפעיל מאז 2012, וממשיך את דרכם של סוג'ורנר (Sojourner), ספיריט (Spirit) ואופורטיוניטי (Opportunity), שזכו למנוחת עולמים על מאדים לאחר משימות מוצלחות. על פי התכנון הרשמי הוא אמור לפעול שנת מאדים אחת, או 687 ימי ארץ (כמעט שנתיים שלנו). עם זאת, יש לקחת בחשבון שזה היה גם משך המשימה המתוכנן של קיוריוסיטי, שפעיל כבר פי ארבעה ויותר מהתוכנית המקורית. גם התאומים ספיריט ואופורטיוניטי תוכננו לפעול שלושה חודשים, והמשיכו לתפקד שנים ארוכות, כך שמשימה של פחות מכמה שנים תהיה כישלון מבחינת נאס"א וצוותי ההנדסה של הרובר.

את האנרגיה הדרושה לפעילות הממושכת יקבל פרסבירנס מגנרטור גרעיני, שהוא למעשה סוללה המייצרת זרם חשמלי מאנרגיית החום הנוצרת בהתפרקות רדיואקטיבית של פלוטוניום. הגנרטור יספק מתח של 110 וולט לפעילות השוטפת של מערכות הרכב והמכשירים המדעיים, וכן לשמירה על החום הנחוץ לתפקודם. כמו כן הוא יטען שתי סוללות ליתיום-יון גדולות, שיספקו תוספת כוח במידת הצורך. הרכב אינו תלוי באנרגיית השמש לתפקודו, אם כי סוללות הרחפן נטענות בעזרת לוח סולרי חדשני.

מסע של כ-500 מיליון קילומטר. המסלול המתוכנן של פרסבירנס ביחס למיקום כאדור הארץ ומאדים | איור: NASA/JPL-Caltech

רק אנחנו חסרים

נוסף על כלי הרכב הנוסעים על פני השטח של מאדים, עדיין פעילה על פניו גם הנחתת InSight, החוקרת את ההרכב הפנימי של כוכב הלכת, וסביבו חגים שישה לוויינים פעילים: שלושה של ארצות הברית, שניים של סוכנות החלל האירופית – אחד מהם בשיתוף סוכנות החלל הרוסית – ואחד של הודו.

חלון השיגור למאדים הוא המועד החל בערך כל 26 חודשים (שלנו) כשמאדים וכדור הארץ נמצאים קרוב יחסית זה לזה. בחלון השיגור הנוכחי יצאו למאדים עוד שתי משימות מסקרנות. סין שיגרה בשבוע שעבר את המשימה הראשונה שלה למאדים, טִיאַנְוֶון-1 (Tianwen, "שאלות שמימיות"). המשימה כוללת לוויין שאמור להיכנס בפברואר למסלול סביב מאדים, ונחתת עם רובר, שצפויה לנחות על פני כוכב הלכת כחודשיים לאחר מכן. הרובר הסיני מזכיר בגודל ובמבנה הכללי את ספיריט ואופורטיוניטי האמריקאים, וגם הוא מתוכנן כמותם לפעול כשלושה חודשים. הרובר הסיני מיועד גם הוא לחקור את הרכב הקרקע ואת תנאי הסביבה, וכן שדות מגנטיים מקומיים.

כמה ימים לפני כן שוגרה משימת אל-אמל ("התקווה") של איחוד האמירויות במפרץ הפרסי. המשימה כוללת לוויין שאמור גם הוא להיכנס בפברואר למסלול סביב מאדים, לחוג סביבו במסלול גבוה מאוד (20,000 – 40,000 ק"מ), ולחקור את האטמוספרה ומזג האוויר של כוכב הלכת במבט גלובלי בעזרת מצלמות סטקטרוסקופיות.

אל הפעילות הגוברת על פני מאדים וסביבו הצטרפו בשנים האחרונות יותר ויותר יוזמות ותוכניות להנחית שם גם בני אדם, באמצעות תחנת חלל שתחוג סביב כוכב הלכת, או הקמת מושבה שם. התוכניות האלה יקרות ומורכבות יותר מכל משימת חלל שהאנושות שיגרה עד כה, וידרשו שיתוף פעולה בין סוכנויות חלל לאומיות והמגזר הפרטי וכן פיתוח של טכנולוגיות חדשות רבות. אולי המשימה האמריקאית, לצד שתי המשימות האחרות, יקרבו אותנו עוד צעד לקראת הגשמת החלום הזה.

סרטון של נאס"א על משימת המאדים (באנגלית):