Při cestování do dalekých zemí se jeden balíček pečlivě zabalí. To, co nesete, musí být komplexní, ale ne tolik, že je to břemeno. A jakmile dorazíte, musíte být připraveni udělat něco mimořádného, aby se dlouhá cesta vyplatila.
Předchozí článek z časopisu Space Magazine „Jak přistáváte na kometě?“ popsal Philaeovu techniku přistání na kometě 67P / Churyumov-Gerasimenko. Co ale bude zemědělec dělat, až dorazí a usadí se ve svém novém prostředí? Jak řekl Henry David Thoreau: „Nemá smysl jít po světě počítat kočky v Zanzibaru.“ Tak to je s Rosetta lander Philae. Se stanovištěm jeviště - vybráno místo přistání a datum přistání 11. listopadu, přistávací modul Philae je vybaven pečlivě promyšlenou sadou vědeckých nástrojů. Komplexní a kompaktní, Philae je jako nůž na nástroje Švýcarské armády, který provádí první on-site (in-situ) vyšetření komety.
Nyní zvažte vědecké nástroje na Philae, které byly vybrány asi před 15 lety. Stejně jako u každého dobrého cestovatele musely být stanoveny rozpočty, které fungovaly jako omezení při výběru nástroje, které bylo možné na cestě sbalit a vzít s sebou. Byla tu maximální hmotnost, maximální objem a výkon. Konečná hmotnost Philae je 100 kg (220 liber). Jeho objem je 1 × 1 × 0,8 metru (3,3 × 3,3 × 2,6 ft) o velikosti sporáku se čtyřmi hořáky. Po příletu však musí Philae fungovat s malým množstvím uložené energie: 1 000 Watt-hodin (ekvivalent 100 W žárovky po dobu 10 hodin). Jakmile je tato energie vypuštěna, bude produkovat maximálně 8 wattů elektřiny ze solárních panelů, které budou uloženy ve 130 wattové hodinové baterii.
Bez jakéhokoli ujištění, že by náhodou přistáli a produkovali více energie, navrhli konstruktéři Philae vysokokapacitní baterii, která se nabije pouze jednou solárními poli primárních kosmických lodí (64 metrů čtverečních) před sestupem do komety. Díky počáteční posloupnosti vědeckých příkazů na palubě Philae a energii baterie uložené z Rosetta nebude Philae ztrácet čas zahájit analýzu - na rozdíl od forenzní analýzy - provést „pitvu“ komety. Poté využívají menší baterii, která se dobije nejméně 16 hodin, ale umožní Philae studovat 67P / Churyumov-Gerasimenko potenciálně měsíce.
Na Philae landeru je 10 balíčků vědeckých nástrojů. Nástroje používají absorbované, rozptýlené a vyzařované světlo, elektrickou vodivost, magnetismus, teplo a dokonce i akustiku pro zkoušení vlastností komety. Mezi tyto vlastnosti patří struktura povrchu (morfologie a chemické složení povrchového materiálu), vnitřní struktura P67 a magnetické pole a plazma (ionizované plyny) nad povrchem. Kromě toho má Philae rameno pro jeden nástroj a hlavní tělo Philae může být otočeno o 360 stupňů kolem své osy Z. Sloupek, který podporuje Philae a obsahuje tlumič nárazů.
CIVA a ROLIS zobrazovací systémy. CIVA představuje tři kamery, které sdílejí nějaký hardware s ROLIS. CIVA-P (Panoramic) je sedm identických kamer distribuovaných kolem těla Philae, ale se dvěma funkcemi v tandemu pro stereofonní zobrazování. Každý z nich má zorné pole 60 stupňů a používá se jako detektor CCD 1024 × 1024. Jak si většina lidí pamatuje, digitální fotoaparáty za posledních 15 let rychle pokročily. Philaeovy imagery byly navrženy na konci 90. let minulého století, téměř ve stavu techniky, ale dnes je většina chytrých telefonů překonala, alespoň v počtu pixelů. Kromě hardwaru však pokročilo zpracování obrazu v softwaru a obrázky mohou být vylepšeny tak, aby zdvojnásobily své rozlišení.
CIVA-P bude mít v rámci počáteční autonomní příkazové sekvence okamžitý úkol prozkoumat celé místo přistání. Pro nasazení dalších nástrojů je rozhodující. Ke zjišťování využije také rotaci osy Z těla Philae. CIVA-M / V je mikroskopický 3-barevný zobrazovač (rozlišení 7 mikronů) a CIVA-M / I je blízký infračervený spektrometr (rozsah vlnových délek 1 až 4 mikrony), který zkontroluje každý ze vzorků, které jsou dodány do pece COSAC & PTOLEMY před zahřátím vzorků.
ROLIS je jediná kamera, také s detektorem CCD 1024 × 1024 CCD, s primární úlohou sledování místa přistání během fáze klesání. Kamera je pevná a směřuje dolů pomocí objektivu s nastavitelným zaostřením f / 5 (poměr f) s zorným polem 57 stupňů. Během sestupu je nastavena na nekonečno a pořizuje snímky každých 5 sekund. Jeho elektronika bude komprimovat data tak, aby se minimalizovala celková data, která musí být uložena a přenesena do Rosetta. Zaostření se upraví těsně před dotykem, ale poté kamera funguje v makro režimu, aby spektroskopicky prozkoumala kometu bezprostředně pod Philae. Rotace těla Philae vytvoří „pracovní kruh“ pro ROLIS.
Víceúčelový design ROLIS jasně ukazuje, jak vědci a inženýři společně pracovali na celkovém snížení hmotnosti, objemu a spotřeby energie a umožnili Philae a společně s Rosetou zapadli do mezí užitečného zatížení startovacího vozidla, omezení výkonu solární energie články a baterie, omezení příkazového a datového systému a rádiových vysílačů.
APXS. Toto je Rentgenový spektrometr Alpha Proton. Toto je téměř nutný nástroj kosmického vědce Švýcarského armádního nože. Spektrometry APXS se staly běžnou součástí všech misí Mars Rover a Philae's je upgradovaná verze produktu Mars Pathfinder. Dědictví designu APXS je rané experimenty Ernesta Rutherforda a dalších, které vedly k objevení struktury atomu a kvantové podstaty světla a hmoty.
Tento přístroj má malý zdroj emise částic alfa (Curium 244) nezbytný pro jeho fungování. Principy Rutherfordova zpětného rozptylu částic Alpha se používají k detekci přítomnosti lehčích prvků, jako je vodík nebo berylium (ty, které se blíží hmotě alfa, jádro helia). Hmota takových lehčích elementárních částic absorbuje měřitelné množství energie z částice Alpha během elastické kolize; jak se to děje v Rutherfordově rozptylu poblíž 180 stupňů. Některé částice Alfa jsou však spíše absorbovány než odráženy jádrem materiálu. Absorpce částice Alpha způsobuje emisi protonu s měřitelnou kinetickou energií, která je také jedinečná pro elementární částici, ze které pochází (v kometárním materiálu); to se používá k detekci těžších prvků, jako je hořčík nebo síra. Nakonec mohou být elektrony s vnitřním obalem v materiálu, který nás zajímá, vyloučeny částicemi Alfa. Když elektrony z vnějších obalů nahradí tyto ztracené elektrony, emitují rentgen specifické energie (kvantové), která je pro tuto elementární částici jedinečná; tak jsou detekovatelné těžší prvky, jako je železo nebo nikl. APXS je ztělesněním fyziky částic 20. století.
POTVRZIT. Experiment s ozvučením COmet Nucleus pomocí rádiového přenosujak název napovídá, bude přenášet rádiové vlny do jádra komety. Orbiter Rosetta vysílá rádiové vlny 90 MHz a současně stojí Philae na povrchu a přijímá kometu mezi nimi. V důsledku toho je doba cestování kometou a zbývající energie rádiových vln podpisem materiálu, skrze který se šířila. K určení vnitřní struktury komety bude zapotřebí mnoho rádiových přenosů a příjemů pomocí CONSERT prostřednictvím mnoha úhlů. Je to podobné tomu, jak by člověk mohl vnímat tvar stínu objektu stojícího před vámi tím, že posouvá hlavu doleva a doprava a sleduje, jak se mění silueta; Celkově váš mozek vnímá tvar objektu. U dat CONSERT je nutný složitý proces dekonvoluce pomocí počítačů. Přesnost, s jakou je interiér komety znám, se s dalšími měřeními zlepšuje.
MUPUS. Víceúčelový senzor pro povrchovou a podpovrchovou vědu je sada detektorů pro měření energetické bilance, tepelných a mechanických vlastností povrchu komety a podpovrchové vrstvy až do hloubky 30 cm (1 stopa). MUPUS má tři hlavní části. Je tu PEN, což je penetrační trubice. PEN je připevněn k kladivovému ramenu, které sahá až 1,2 metru od těla. Nasazuje se dostatečnou silou dolů, aby pronikl a pohřbil PEN pod povrchem; možné jsou více údery kladiva. Na špičce nebo kotvě PEN (penetrační trubice) je akcelerometr a standardní PT100 (platinový odporový teploměr). Společně budou kotevní senzoryurčete profil tvrdosti v místě přistání a tepelnou difuzivitu v konečné hloubce [ref]. Jak proniká povrchy, více či méně zpomalení znamená tvrdší nebo měkčí materiál. PEN zahrnuje řadu 16 tepelných detektorů podél své délky pro měření podpovrchových teplot a tepelné vodivosti. PEN má také zdroj tepla pro přenos tepla do kometárního materiálu a měření jeho tepelné dynamiky. Při vypnutém zdroji tepla budou detektory v PEN sledovat teplotu a energetickou rovnováhu komety, jakmile se přiblíží ke Slunci a zahřívá se. Druhou částí je MUPUS TM, radiometr na vrcholu PEN, který měří tepelnou dynamiku povrchu. TM se skládá ze čtyř termopilních senzorů s optickými filtry, které pokrývají rozsah vlnových délek od 6 do 25 µm.
SD2 Zařízení pro vrtání a distribuci vzorků pronikne povrchem a pod povrchem do hloubky 20 cm. Každý odebraný vzorek bude mít objem několika milimetrů krychlových a distribuován do 26 pecí namontovaných na karuselu. Pece zahřívají vzorek, který vytváří plyn dodávaný do plynových chromatografů a hmotnostních spektrometrů COSAC a PTOLEMY. Pozorování a analýza dat APXS a ROLIS budou použita k určení míst odběru vzorků, z nichž všechna budou na „pracovní kružnici“ z rotace těla Philae kolem jeho osy Z.
COSAC Odběr vzorků a složení experiment. První plynový chromatograf (GC), který jsem viděl, byl ve vysokoškolské laboratoři a vedoucí laboratoře ho využíval pro forenzní testy podporující místní policejní oddělení. Záměrem Philae není nic jiného než provádět forenzní testy na kometě stovky milionů mil od Země. Philae je opravdu špionážní sklo Sherlocka Holmese a Sherlock jsou všichni vědci zpět na Zemi. Plynový chromatograf COSAC zahrnuje hmotnostní spektrometr a měří množství prvků a molekul, zejména komplexních organických molekul, které tvoří materiál komety. Zatímco ta první laboratoř GC, kterou jsem viděl, byla blíže velikosti Philae, dvě GC v Philae jsou o velikosti krabic na boty.
PTOLEMY. Evolved plynový analyzátor [ref], jiný typ plynového chromatografu. Účelem Ptolemy je změřit množství specifických izotopů k odvození izotopových poměrů, například 2 části izotopu C12 na jednu část C13. Podle definice mají izotopy prvku stejný počet protonů, ale různý počet neutronů v jejich jádrech. Jedním příkladem jsou 3 izotopy uhlíku, C12, C13 a C14; čísla jsou počet neutronů. Některé izotopy jsou stabilní, zatímco jiné mohou být nestabilní - radioaktivní a rozpadají se na stabilní formy stejného prvku nebo na jiné prvky. Zajímavé pro vyšetřovatele Ptolemy je poměr stabilních izotopů (přírodních a ne těch, které jsou ovlivněny radioaktivním rozpadem nebo které jsou výsledkem radioaktivního rozpadu) pro prvky H, C, N, O a S, ale zejména uhlík. Poměry budou prozrazujícími ukazateli toho, kde a jak jsou komety vytvářeny. Až dosud byla spektroskopická měření komet pro stanovení izotopových poměrů z dálky a přesnost nebyla dostatečná k tomu, aby bylo možné vyvodit pevné závěry o původu komet a o tom, jak jsou komety spojeny s vytvářením planet a vývojem sluneční mlhoviny, rodiště našeho planetárního systému obklopujícího Slunce, naší hvězdy. Vyvinutý analyzátor plynu zahřeje vzorek (~ 1 000 ° C), aby se materiály transformovaly do plynného stavu, který spektrometr dokáže velmi přesně měřit veličiny. Podobným nástrojem, TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer), byl nástroj na landeru Mars Phoenix.
SEZAM Experiment povrchového elektrického sondování a akustického monitorováníTento přístroj zahrnuje tři jedinečné detektory. Prvním z nich je akustický detektor SESAME / CASSE. Každá přistávací noha Philae má akustické emitory a přijímače. Každá z nohou bude střídat přenášení akustických vln (rozsah 100 Hertz do KiloHertz) do komety, které budou měřit senzory ostatních nohou. Jak je tato vlna utlumena, tj. Oslabena a transformována kometárním materiálem, kterým prochází, může být použita spolu s dalšími kometárními vlastnostmi získanými z nástrojů Philae pro stanovení denních a sezónních variací ve struktuře komety do hloubky asi 2 metrů. Také v pasivním (poslechovém) režimu bude CASSE sledovat zvukové vlny od vrzání, sténání uvnitř komety způsobené potenciálně stresem ze slunečního ohřevu a odvzdušňování plynů.
Další je detektor SESAME / PP - Permitivity Probe. Permitivita je míra odporu materiálu vůči elektrickým polím. SESAME / PP dodá do komety oscilační (sinusové) elektrické pole. Philaeovy nohy nesou přijímače - elektrody a střídavé sinusové generátory, které vyzařují elektrické pole. Odpor kometárního materiálu do hloubky asi 2 metry se tedy měří, což poskytuje další základní vlastnost komety - permitivitu.
Třetí detektor se nazývá SESAME / DIM. Toto je počítadlo prachu komety. Ke kompilaci těchto popisů nástrojů bylo použito několik odkazů. Pro tento nástroj existuje, jak bych nazval, krásný popis, který zde jednoduše cituji s odkazem. „Kostka DIM Impact Monitor (DIM) na balkónu Lander je prachový senzor se třemi aktivními ortogonálními (50 × 16) mm piezo senzory. Z měření přechodného špičkového napětí a poloviny doby kontaktu lze vypočítat rychlosti a poloměry nárazových částic prachu. Mohou být měřeny částice s poloměry od asi 0,5 µm do 3 mm a rychlostmi od 0,025 do 0,25 m / s. Pokud je šum pozadí velmi vysoký nebo pokud je rychlost a / nebo amplituda signálu shluku příliš vysoká, systém se automaticky přepne do takzvaného režimu průměrné kontinuální; tj. získá se pouze průměrný signál, který udává míru toku prachu. “ [ref]
ROMAP Magnetometr a plazma Rosetta Lander detektor také zahrnuje třetí detektor, tlakový senzor. Několik kosmických lodí přeletěly komety a vlastní magnetické pole, jedno vytvořené jádrem komety (hlavní tělo), nebylo nikdy detekováno. Pokud existuje vlastní magnetické pole, je pravděpodobné, že bude velmi slabé a bylo by nutné přistát na povrchu. Nalezení někoho by bylo mimořádné a na hlavě by změnilo teorie týkající se komet. Nízko a hle, Philae má magnetický magnetický spínač.
Magnetické pole Země, které nás obklopuje, se měří v 10 s tisících nano-Teslas (jednotka SI, miliardtina Tesly). Za Zemským polem jsou planety, asteroidy a komety ponořeny do slunečního magnetického pole, které se v blízkosti Země měří jednociferně, 5 až 10 nano-Tesla. Detektor Philae má rozsah +/- 2000 nanoTesla; jen v případě rozsahu, ale jeden snadno nabízí fluxgates. Má citlivost 1/100 nanoTesla. Takže ESA a Rosetta přišli připraveni. Magnetometr dokáže detekovat velmi minutové pole, pokud je tam. Nyní se podívejme na plazmový detektor.
Hodně z dynamiky vesmíru zahrnuje interakci plazmově ionizovaných plynů (obvykle chybí jeden nebo více elektronů, které nesou pozitivní elektrický náboj) s magnetickými poli. Komety také zahrnují takové interakce a Philae nese plazmový detektor pro měření energie, hustoty a směru elektronů a pozitivně nabitých iontů. Aktivní komety uvolňují v podstatě neutrální plyn do vesmíru plus malé pevné částice (prach). Ultrafialové záření Slunce částečně ionizuje kometární plyn ocasu komety, tj. Vytváří plazmu. V určité vzdálenosti od jádra komety, v závislosti na tom, jak horká a hustá je tato plazma, existuje mezera mezi magnetickým polem Slunce a plazmou ocasu. Sluneční pole B se zakrývá kolem ocasu komety jako bílý list přehozený přes trik nebo trik Halloween, ale bez očních otvorů.
Takže na povrchu P67 bude Philaeův detektor ROMAP / SPM, elektrostatické analyzátory a senzor Faraday Cup měřit volné elektrony a ionty v ne tak prázdném prostoru. Kometa obklopuje „studená“ plazma; SPM bude detekovat iontovou kinetickou energii v rozsahu 40 až 8 000 elektron-voltů (eV) a elektronů od 0,35 eV do 4 200 eV. V neposlední řadě ROMAP zahrnuje tlakový senzor, který dokáže měřit velmi nízký tlak - miliontinu nebo miliardtinu nebo méně, než je tlak vzduchu, který si užíváme na Zemi. Používá se vakuový měřič Penning, který ionizuje primárně neutrální plyn blízko povrchu a měří proud, který je generován.
Philae vezme 10 přístrojových souprav na povrch 67P / Churyumov-Gerasimenko, ale celkem deset představuje 15 různých typů detektorů. Některé jsou vzájemně závislé, to znamená, že pro odvození určitých vlastností je třeba více sad dat. Přistání Philae na povrchu komety poskytne prostředky k měření mnoha vlastností komety pro pěst a jiné s výrazně vyšší přesností. Celkově se vědci přiblíží k pochopení původu komet a jejich příspěvku k vývoji sluneční soustavy.
