La sonda termica nota come la "talpa" è l'elemento critico dello strumento HP3, sviluppato e costruito dal Centro Aerospaziale Tedesco DLR e deposto sulla superficie di Elysium Planitia il 28 febbraio 2019, utilizzando il braccio meccanico di Insight. Da allora ha tentato di penetrare in profondità nella superficie marziana per misurarne la temperatura ed il flusso di calore ma la tendenza inaspettata del terreno a compattarsi sotto di essa e a cedere tutt'intorno ha fatto sì che la sonda appuntita non avesse un attrito sufficiente per piantarsi nel terreno.
Il team le ha provate proprio tutte, anche a spingerla con la paletta del braccio robotico del lander. Il tentativo aveva richiesto un gran lavoro per chiudere la buca creata in precedenza dallo strumento e consolidare il terreno, troppo cedevole e poroso. L'ultimo tentativo è stato fatto sabato 9 gennaio ma, dopo altri 500 percussioni, la talpa si è nuovamente rifiutata di affondare e la squadra ha dovuto arrendersi, dichiarando la talpa inutilizzabile.
Ecco il video "time lapse" di questa ultima campagna:
Credits: NASA/JPL
Cos'era la Talpa
Parte di uno strumento chiamato Heat Flow and Physical Properties Package (HP3), la talpa è una sorta di punteruolo lungo 40 centimetri, collegato al lander da un cavo piatto che fornisce l'alimentazione e trasporta dati. Sia il cavo che la sonda incorporano dei sensori di temperatura, che dovevano servire a misurare il calore interno del pianeta una volta che lo strumento fosse arrivato alla profondità di almeno 3 metri.
HP3 doveva studiare il calore che fuoriesce da Marte per determinare la velocità con cui gira il "motore" del pianeta e cosa lo alimenta.
I pianeti hanno calore al loro interno; alcuni, come la Terra, sono più caldi di altri, ad esempio Marte. Questo calore è l'energia rimasta dal processo di formazione del pianeta ed è all'origine dei campi magnetici e delle attività tettoniche che causano l'eventuale movimento nella crosta, la formazione dei rilievi, i vulcani ed i terremoti; nei corpi geologicamente morti e privi di atmosfera come Mercurio e la Luna, fenomeni simili sono stati causati dal bombardamento meteorico, nel periodo iniziale.
HP3 sarebbe dovuto arrivare fino a quasi 5 metri di profondità per garantire che le sue misurazioni non venissero influenzate dai cambiamenti delle stagioni; si tratta di una profondità mai raggiunta da nessun altro strumento su Marte (Viking 1 aveva scavato per 22 centimetri, mentre il lander Phoenix per 18). Ogni 50 centimetri la sonda avrebbe dovuto emettere un impulso di calore e suoi sensori avrebbero osservato come l'impulso di calore cambiava nel tempo. Se il materiale della crosta fosse un buon conduttore di calore, come il metallo, l'impulso decadrebbe rapidamente, mentre, se fosse un cattivo conduttore come il vetro, l'impulso decadrebbe lentamente. Questo avrebbe indicato agli scienziati quanto velocemente la temperatura aumenta con la profondità e come il calore fluisce all'interno di Marte.
Di seguito, uno spaccato della porzione anteriore della sonda.
Crediti: DLR - modified from Spohn et al., 2018, SSR
Il motore (in azzurro) tira indietro il martello (la porzione grigio-viola sulla destra) e distende la molla anteriore "Force spring" fino a quando un meccanismo rilascia il martello; questo viene poi accelerato dalla molla in fase di rilassamento, muovendosi verso la punta e fornendo così la prima e più violenta corsa del martello. Come reazione al martello che si muove in avanti, il motore si muove all'indietro e comprime la molla posteriore "Back spring".
Quando la molla posteriore si rilassa dopo essere stata compressa al massimo, accelera il motore in avanti che alla fine colpisce un chiavistello nell'involucro e causa una seconda corsa più piccola nella talpa. Nel frattempo, il martello che viene respinto dalla punta comprime nuovamente la molla di forza che, in fase di rilassamento, provoca una terza corsa ancora più piccola.
"Abbiamo dato tutto ciò che potevamo ma Marte e la nostra eroica talpa rimangono incompatibili", ha commentato il ricercatore principale di HP3, Tilman Spohn del DLR. "Fortunatamente, abbiamo imparato molto a vantaggio delle future missioni che tenteranno di scavare nel sottosuolo".
Cosa è andato storto
La talpa era stata progettata basandosi sulle proprietà del suolo marziano viste nelle missioni precedenti ed in corso. Ma il terreno in Elysium Planitia si è rilevato molto diverso.
“La talpa è un dispositivo senza esperienze pregresse. Quello che abbiamo tentato di fare - scavare così in profondità con un dispositivo così piccolo - non ha precedenti ", ha detto Troy Hudson, scienziato e ingegnere del JPL che ha guidato gli sforzi per portare la talpa più in profondità nella crosta marziana. "Aver avuto l'opportunità di portare tutto questo fino alla fine è la ricompensa più grande".
Oltre a conoscere il suolo in questa posizione, gli ingegneri hanno acquisito un'esperienza inestimabile nel funzionamento del braccio robotico. In effetti, hanno usato il braccio e la paletta in modi che non avrebbero mai pensato all'inizio della missione, incluso premere contro e verso il basso sulla talpa. Pianificare le mosse ed adattarle perfettamente ai comandi che stavano inviando ad Insight ha spinto il team a crescere.
Gli ingegneri metteranno a frutto la sudata saggezza in futuro. Il programma prevede, infatti, di impiegare il braccio robotico per seppellire il cavo che trasporta dati e potenza tra il lander ed il sismometro di InSight, che ha registrato più di 480 terremoti marziani. Sotterrarlo aiuterà a ridurre i cambiamenti di temperatura che hanno creato rumori e scoppiettii nei dati sismici.
Il deludente risultato dell'ultima campagna di percussione, in due immagini riprese dalla fotocamera sul braccio robotico del lander nei Sol 735 (sinistra) e 755 (destra). - Image Credit: NASA/JPL-Caltech - Processing: Marco Di Lorenzo
Il successo dell'insuccesso
Mentre il lander Phoenix della NASA ha raschiato lo strato superiore della superficie marziana, nessuna missione prima di InSight ha cercato di scavare nel terreno. Ciò è importante per una serie di motivi: i futuri astronauti potrebbero dover scavare nel suolo per accedere al ghiaccio d'acqua, mentre gli scienziati vogliono studiare il potenziale del sottosuolo che potrebbe supportare la vita microbica. Speriamo che il futuro rover europeo "Rosalind Franklin", in partenza nel 2022, abbia miglior successo nel perforare e raccogliere campioni a circa 2 metri di profondità!
"Siamo così orgogliosi del nostro team che ha lavorato duramente tentando di portare la talpa di InSight più in profondità nel pianeta. È stato fantastico vederli risolvere i problemi da milioni di chilometri di distanza ", ha affermato Thomas Zurbuchen, amministratore associato per la scienza presso la sede dell'Agenzia a Washington. "Questo è il motivo per cui ci assumiamo dei rischi alla NASA: dobbiamo spingere i limiti della tecnologia per imparare cosa funziona e cosa no. In questo senso, abbiamo avuto successo, abbiamo imparato molto a beneficio delle future missioni su Marte e altrove, e ringraziamo i nostri partner tedeschi di DLR per aver fornito questo strumento e per la loro collaborazione ".
Ricordiamo che, alcuni giorni fa, si era presa la decisione di prolungare la missione Insight di un altro anno marziano (quasi due anni terrestri) quindi fino alla primavera 2023. Purtroppo questa estensione non porterà alcun beneficio alla talpa, nel senso che si è ormai rinunciato a fare altri tentativi di sotterrarla e ci dovremo accontentare dei dati raccolti immediatamente sotto la superficie. Rimangono comunque i preziosi dati raccolti dagli strumenti rimanenti (in particolare, il sismometro SEIS di costruzione francese ed i sensori meteorologici sul "deck"). Però, va detto che, anche per queste indagini, c'è il rischio concreto di una fine anticipata. Infatti, negli ultimi mesi, la stagione di venti intensi su Elysium ha sollevato una grande quantità di polvere che si è depositata sui pannelli solari riducendo notevolmente l'approvvigionamento energetico, anche adesso che l'atmosfera è tornata più trasparente. L'effetto di questa carenza di energia lo si vede chiaramente nella riduzione del flusso di immagini e dati meteo da alcune settimane a questa parte, segno che questi strumenti vengono azionati con minore frequenza per ridurre l'assorbimento di corrente.
L'impietoso confronto sul livello di "pulizia" dei pannelli solari a inizio missione (Sol 10, a sinistra) e 6 mesi fa (Sol 584, a destra) - Image Credit: NASA/JPL-Caltech - Processing: Marco Di Lorenzo
Considerazioni finali (un po' amare)
Se in pochi mesi non interverrà un provvidenziale cleaning event a spolverare i pannelli, c'è la concreta possibilità che questa estate il budget energetico diventi negativo ed il lander a quel punto non sarà nemmeno più in grado di trasmettere dati a Terra e verrà dichiarato "morto". Purtroppo, le probabilità di un "evento di ripulitura" non sono alte: in base alle osservazioni da satellite, infatti, su Elysium Planitia i dust devil o mulinelli che potrebbero spolverare i pannelli sono circa 10 volte più rari rispetto alle zone in cui hanno operato i rover Spirit e Opportunity: specialmente il secondo, beneficiò più volte di queste provvidenziali pulizie che ne prolungarono la vita operativa ben oltre il previsto.
Una inevitabile considerazione personale sorge spontanea. Dato che una estensione della missione era prevedibile ed auspicabile già in fase di progettazione, quella di non prevedere alcun sistema di pulizia dei pannelli solari è stata una leggerezza imperdonabile da parte dei progettisti della missione, anche sulla base delle esperienze pregresse con i rover MER e sapendo che su Elysium non passano molti dustdevils. Ad esempio, sarebbe bastato prevedere delle piccole fessure tra i "petali" del ventaglio che costituisce ciascun pannello solare circolare; in tal modo, si sarebbe potuta far cadere la povere richiudendo brevemente i due ventagli (naturalmente uno alla volta, per evitare il blackout totale del lander!). In alternativa o in aggiunta a questa soluzione piuttosto semplice, si sarebbero potuti prevedere due ulteriori "gradi di libertà" per ogni pannello solare, con l'aggiunta di attuatori capaci di cambiare l'angolo di "beccheggio" e soprattutto di "rollio", per usare termini aereonautici. Sfruttando anche un moto di vibrazione, questo avrebbe permesso di scrollare via la componente più grossolana della polvere e, in aggiunta, di ottimizzare l'orientamento dei pannelli verso il Sole, magari variandolo anche nel corso del giorno e delle stagioni per massimizzare l'output energetico...
Articolo scritto con il contributo di Marco Di Lorenzo (soprattutto nelle "Considerazioni finali")
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