Ελληνικά «πόδια» θα πατήσουν στον Αρη

Η επιβεβαίωση της ύπαρξης νερού σε υγρή μορφή στον πλανήτη Αρη ήταν η ανακάλυψη που συγκλόνισε τον επιστημονικό κόσμο τη χρονιά που πέρασε. Οχι μόνο αναπτερώνει τις ελπίδες όσων οραματίζονται τη δημιουργία ανθρώπινων βάσεων και αποικιών στον Κόκκινο Πλανήτη, αλλά και ενθαρρύνει όσους αναζητούν εκεί ίχνη ζωής. Η αποστολή ExoMars του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) έχει ακριβώς αυτόν τον στόχο: τη μελέτη του πλανήτη από βιολογική σκοπιά. Ξεκινά τον προσεχή Μάρτιο και θα ολοκληρωθεί το 2018, επιχειρώντας να απαντήσει στο ερώτημα αν ο Αρης έχει φιλοξενήσει ζωή στο παρελθόν. Το όχημα που θα αναζητήσει βιολογικά ίχνη στο έδαφος του πλανήτη και σε βάθος 2 μέτρων κατασκευάζεται τώρα με την αιχμή της διαστημικής τεχνολογίας και έναν έλληνα ερευνητή στα… πόδια του! Ο κ. Παντελής Πουλάκης, υπεύθυνος για τα συστήματα κίνησης του ρομπότ, αποκαλύπτει στο «Βήμα» τα μυστικά του ExoΜars.

Η χρονιά που μόλις έφυγε ήταν αναμφίβολα συγκλονιστική στον τομέα της διαστημικής εξερεύνησης. Εντοπίστηκαν δεκάδες νέοι πλανήτες, χιλιάδες γαλαξίες, δεκάδες μελανές οπές, παράξενα άστρα και πολλά άγνωστα ως σήμερα κοσμικά φαινόμενα. Τα φώτα της δημοσιότητας συγκέντρωσε η αποστολή New Horizons, το σκάφος της οποίας έπειτα από ένα πραγματικά επικό ταξίδι εννέα ετών έφτασε στο σύστημα του Πλούτωνα και εξερεύνησε για πρώτη φορά από κοντά τον πλανήτη νάνο και τους δορυφόρους του. Οι ανακαλύψεις που έχουν ήδη γίνει στον Πλούτωνα και στα φεγγάρια του από το σκάφος δεν είναι μόνο απρόσμενες και εντυπωσιακές, αλλά κυριολεκτικά απίστευτες και καθώς τα δεδομένα από το New Horizon συνεχίζουν να καταφτάνουν, οι επιστήμονες ευελπιστούν ότι θα έχουμε νέα ευρήματα από τον μακρινό παγωμένο κόσμο του ηλιακού μας συστήματος. Πολύ σημαντικές ήταν επίσης οι ανακαλύψεις που έκανε όλη τη χρονιά που μας πέρασε το σκάφος «Rosetta» που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον κομήτη 67 P. Ομως η ανακάλυψη που έγινε… viral ήταν φυσικά ο εντοπισμός νερού σε υγρή μορφή στον Αρη.

Η συνέντευξη Τύπου που οργάνωσε η NASA για να κάνει την ανακοίνωση μεταδόθηκε ζωντανά σε όλον τον κόσμο και αποτέλεσε πρώτο θέμα σε όλα τα ΜΜΕ. Η ανακάλυψη συνέπεσε με την προβολή της ταινίας «Η διάσωση» (The Martian), ο πρωταγωνιστής της οποίας είναι ένας αστροναύτης που τον εγκαταλείπουν οι σύντροφοί του στον Κόκκινο Πλανήτη και προσπαθεί μόνος του εκεί να επιζήσει. Οπως ήταν αναμενόμενο, ο εντοπισμός του νερού και η ταινία έκαναν τον Αρη αντικείμενο συζήτησης για πολλές εβδομάδες. Μάλιστα μόλις πήγε να κοπάσει η συζήτηση παρουσιάστηκε μία ακόμη μελέτη που συγκέντρωσε και πάλι τα φώτα της δημοσιότητας επάνω του. Αυτή τη φορά οι επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι βρήκαν αποδείξεις για το πώς χάθηκε η ατμόσφαιρα του Κόκκινου Πλανήτη. Οπως φαίνεται, οι λεγόμενοι ηλιακοί άνεμοι είναι εκείνοι που… φύσηξαν την ατμόσφαιρά του μακριά με αποτέλεσμα να μετατραπεί στον ψυχρό και άγονο κόσμο που γνωρίζουμε σήμερα.

Σήμερα στον Αρη βρίσκεται ένας στόλος δορυφόρων που τον μελετούν από απόσταση αλλά και κάποιοι ρομποτικοί εξερευνητές στην επιφάνειά του. Από αυτούς ορισμένοι δεν λειτουργούν πλέον, όμως άλλοι συνεχίζουν την εξερεύνηση. Η επόμενη σημαντική αποστολή στον Αρη θα γίνει από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA) και θα έχει ελληνική σφραγίδα. Η ExoMars είναι μια πολυσύνθετη αποστολή που θα γίνει σε δύο στάδια. Το πρώτο στάδιο είναι η εκτόξευση τον προσεχή Μάρτιο ενός δορυφόρου και μιας συσκευής προσεδάφισης. Ο δορυφόρος και η συσκευή θα προετοιμάσουν την έλευση του πιο προηγμένου ρομποτικού εξερευνητή που έχει ταξιδέψει ως σήμερα στο Διάστημα. Το rover, σύμφωνα με τον προγραμματισμό, θα φτάσει στον Αρη τον Ιανουάριο του 2019 και θα πραγματοποιήσει εκεί σειρά μελετών. Η βασική αποστολή του θα είναι να τρυπήσει το έδαφος σε βάθος δύο μέτρων για να συλλέξει και να αναλύσει δείγματα. Τα ρομπότ που έχουν πατήσει ως τώρα στην επιφάνεια του Αρη είχαν δυνατότητα να συλλέγουν δείγματα μόλις λίγα εκατοστά κάτω από το έδαφος. Για τον λόγο αυτόν οι επιστήμονες αναμένουν με ενδιαφέρον την έλευση του νέου rover ευελπιστώντας ότι στο βάθος των δύο μέτρων μπορεί να εντοπιστούν τα ίχνη κάποιων μορφών ζωής που υπήρχαν κάποτε στον Κόκκινο Πλανήτη.

Ο κ. Παντελής Πουλάκης έχει κεντρικό ρόλο στην αποστολή ExoMars

Εκτός από προηγμένα όργανα το rover της αποστολής ExoMars θα διαθέτει και ένα επαναστατικό σύστημα κίνησης που θα του επιτρέπει να κινείται με τη μέγιστη δυνατή άνεση και ασφάλεια στο δύσβατο τερέν του Αρη. Υπεύθυνος μηχανικός αυτού του συστήματος κίνησης του ExoMars rover είναι ένας έλληνας επιστήμονας και στέλεχος της ESA, ο Παντελής Πουλάκης. Μιλώντας στο «Βήμα» αποκαλύπτει όχι μόνο όλα όσα αφορούν τη δική του συμμετοχή στην αποστολή αλλά και όλες τις μικρές και μεγάλες πτυχές της.

«Ο βασικός επιστημονικός στόχος του προγράμματος ExoMars είναι να μελετήσει τον Κόκκινο Πλανήτη από τη βιολογική σκοπιά. Να αναζητήσει δηλαδή στοιχεία που θα αποσαφηνίσουν αν η ζωή ξεκίνησε στον Αρη πριν από 4-4,4 δισ. έτη, όταν οι ατμοσφαιρικές συνθήκες του πλανήτη ήταν παρόμοιες με αυτές της νεαρής Γης.

Το πρόγραμμα ExoMars αποτελείται από δύο αποστολές. Η πρώτη, η οποία προορίζεται για εκτόξευση τον Μάρτιο του 2016, θα αποτελείται από έναν δορυφόρο, τον Trace Gas Orbiter (TGO), και μια συσκευή προσεδάφισης, το Schiaparelli Lander. Τα επιστημονικά όργανα του TGO θα αναλύσουν την ατμόσφαιρα του Αρη με βασικό στόχο την αναζήτηση αερίων που πιθανώς να προέρχονται από βιολογικές διεργασίες, όπως π.χ. το μεθάνιο και τα προϊόντα διάσπασής του. Παράλληλα όμως ο TGO θα είναι και ο βασικός τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος της αποστολής με το rover που θα ακολουθήσει το 2018. Aπό την άλλη, ο βασικός στόχος του Schiaparelli Lander είναι και να δοκιμάσει στην πράξη τις βασικές τεχνολογίες που χρειάζονται για προσεδάφιση στον Αρη, που για πρώτη φορά αναπτύσσονται στην Ευρώπη και που θα χρησιμοποιηθούν στη μετέπειτα αποστολή με το rover. Οι τεχνολογίες αυτές είναι: τα υλικά για τη θερμική προστασία κατά την είσοδο στην ατμόσφαιρα του Αρη, τα αλεξίπτωτα που μπορούν να λειτουργήσουν και να αποδώσουν ουσιαστική επιβράδυνση στις συνθήκες αραιής ατμόσφαιρας του πλανήτη και, τέλος, η πλοήγηση και το σύστημα προώθησης για ελεγχόμενη και «μαλακή» προσεδάφιση (controlled & soft landing). Η δεύτερη αποστολή προορίζεται για εκτόξευση τον Μάιο του 2018 και έχει ως στόχο την προσεδάφιση ενός ρομποτικού οχήματος (rover) το οποίο θα διεξάγει και τις βασικές βιολογικές μελέτες στην επιφάνεια και στο υπέδαφος του Αρη».

«Το να προσεδαφιστεί ένα ρομπότ στην επιφάνεια ενός πλανήτη είναι σύνθετη διαδικασία στην οποία συμμετέχουν μια σειρά από διαστημόπλοια. Φανταστείτε ένα σύστημα από διαστημικές μπαμπούσκες (οι ρωσικές κούκλες που ανοίγουν και κάθε φορά βγαίνει μια μικρότερη από μέσα). Αρχικά έχουμε την εκτόξευση από την επιφάνεια της Γης η οποία βάζει σε γήινη τροχιά ένα διαστημόπλοιο το οποίο έχει βαθιά μέσα του ρομπότ (rover). Αυτό είναι το Cruising Stage και είναι υπεύθυνο για το διαπλανητικό ταξίδι από τη Γη στον Αρη. Με την άφιξη στον Αρη, το Crusing Stage «ανοίγει» και απελευθερώνει το σκάφος το οποίο θα προσεδαφίσει το ρομπότ στην επιφάνεια του Αρη. Αυτή η συσκευή ονομάζεται Entry, Descent & Landing Module – EDLM (Σκάφος Ατμοσφαιρικής Εισόδου, Kαθόδου και Προσεδάφισης) και έχει να αντιμετωπίσει ίσως το πιο επικίνδυνο στάδιο της αποστολής.

Κατά το αρχικό στάδιο της καθόδου η ατμόσφαιρα του Αρη επιβραδύνει το σκάφος, αλλά λόγω της τριβής αναπτύσσονται πολύ υψηλές θερμοκρασίες στο κέλυφος του σκάφους, το οποίο είναι κατασκευασμένο από ειδικά υλικά για να λειτουργεί ως θερμική ασπίδα. Μόλις οι αισθητήρες μετρήσουν συγκεκριμένα επίπεδα επιβράδυνσης, και ενώ το EDLM «πέφτει» με ταχύτητα περίπου 1.700 χιλιόμετρα ανά ώρα, ανοίγει το πρώτο –και μικρότερο –αλεξίπτωτο. Στη συνέχεια ανοίγει και δεύτερο αλεξίπτωτο για περαιτέρω επιβράδυνση του σκάφους. Για το τελικό στάδιο της καθόδου υπεύθυνη είναι η συσκευή προσεδάφισης, η οποία βρίσκεται μέσα από το θερμικό κέλυφος. Η τελική προσεδάφιση γίνεται με ειδικούς αισθητήρες (π.χ. ραντάρ, επιταχυνσιόμετρα) οι οποίοι μετρούν την απόσταση από την επιφάνεια, την κλίση και την ταχύτητα του σκάφους και στη συνέχεια ελέγχουν μια σειρά πυραυλοκινητήρες με σκοπό να προσεδαφιστεί ομαλά το σκάφος.

Η διαδικασία της προσεδάφισης είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και το λογισμικό του σκάφους έχει σχεδιαστεί να παίρνει αποφάσεις σύμφωνα με τις μετρήσεις τον αισθητήρων με βάση την ενδελεχή ανάλυση των συνθηκών που έχει ήδη γίνει από τους μηχανικούς στα στάδια του σχεδιασμού. Εξάλλου δεν θα μπορούσε να υπάρχει ανθρώπινη παρεμβολή σε αυτή την αλληλουχία, μιας και η κάθοδος διαρκεί μόλις 7-8 λεπτά και το σήμα χρειάζεται να φτάσει στη Γη περίπου 14 λεπτά. Ετσι, η τηλεμετρία που θα φτάνει στη Γη θα ξεδιπλώνει τα γεγονότα της καθόδου που θα έχουν ήδη συμβεί 14 λεπτά πριν. Λόγω της κρισιμότητας και της δυσκολίας της διαδικασίας η NASA, κατά την προσεδάφιση του «Curiosity» το 2012, την ονόμασε «τα 7 λεπτά του τρόμου»! Μετά την προσεδάφιση, η επιστημονική αποστολή του ExoMars rover θα ξεκινήσει με την έξοδο του ρομπότ από τη συσκευή προσεδάφισης».

«Τα σκάφη εξερεύνησης που προσεδαφίζονται σε κάποιον πλανήτη χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα στατικά (landers) και τα κινούμενα (rovers). Και τα δύο χρειάζεται να έχουν κάποια ρομποτικά συστήματα προκειμένου να αλληλεπιδράσει το σκάφος με το περιβάλλον και να φέρει σε πέρας την αποστολή.

Το βασικό ρομποτικό σύστημα ενός rover είναι το σύστημα κίνησης (mobility system), και αυτό γιατί αποτελείται από έναν περίπλοκο αρθρωτό μηχανισμό ως ανάρτηση, με ηλεκτροκινητήρες και ηλεκτρονικά που ελέγχουν και συντονίζουν την κίνηση.

Το σύστημα κίνησης του ExoMars rover αποτελείται από ένα σύστημα τριπλής αρθρωτής ανάρτησης (triple bogie system) –δύο στα πλάγια και μία πίσω –κάθε μία από τις οποίες έχει δύο τροχούς. Ο λόγος που το rover διαθέτει έξι τροχούς –και όχι λιγότερους ή περισσότερους –είναι ότι αυτός ο αριθμός παρέχει έναν βέλτιστο συνδυασμό «off-road» επιδόσεων / σταθερότητας και πολυπλοκότητας / βάρους του συστήματος κίνησης. Θυμηθείτε ότι ο βασικός περιορισμός στις διαστημικές αποστολές είναι η μάζα που μπορούμε να εκτοξεύσουμε από τη Γη.

Το σύστημα κίνησης του rover εξελίχθηκε τα τελευταία χρόνια από την ESA και την ευρωπαϊκή βιομηχανία και διαθέτει τέσσερις βασικές καινοτομίες. Κατ’ αρχάς διαθέτει ανεξάρτητη κίνηση και τιμόνευση κάθε τροχού (independent driving & steering), το οποίο δίνει τη δυνατότητα για πολύπλοκες μανούβρες (π.χ. στροφή επί τόπου, κίνηση στα πλάγια και διαγώνια, στροφές με μεγάλο εύρος καμπυλότητας). Επιπλέον, διαθέτει ελαστικούς τροχούς προκειμένου να προσαρμόζονται καλύτερα στις βραχώδεις επιφάνειες και να χαμηλώνουν την πίεση στη μαλακή άμμο. Οι τροχοί έχουν σχεδιαστεί εξ ολοκλήρου από τιτάνιο, αλουμίνιο και ατσάλι, μιας και τα ελαστικά υλικά δεν θα άντεχαν τις ατμοσφαιρικές συνθήκες του Αρη. Δύο ακόμη καινοτομίες είναι η χαμηλή μάζα και η καλή στατικότητά του λόγω της τοπολογίας της τριπλής ανάρτησης καθώς και τα ηλεκτρονικά ελέγχου κίνησης (motion control electronics) τα οποία βρίσκονται σχεδόν πάνω στην ανάρτηση και αντέχουν τις ακραίες θερμοκρασίες του Αρη (-130°C τη νύχτα ως +40°C την ημέρα) χωρίς θερμικό έλεγχο! Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό επίτευγμα γιατί τα ηλεκτρονικά είναι τα πιο ευαίσθητα υποσυστήματα στα διαστημικά σκάφη, και με το ExoMars κάτι τέτοιο θα γίνει για πρώτη φορά σε τόσο εκτενή βαθμό σε πλανητική αποστολή.

Ο εταιρείες που εργάζονται στο σύστημα κίνησης υπό την επίβλεψη της ESA είναι η Airbus D&S στην Αγγλία, η MDA στον Καναδά και η Τhales-Alenia Space στην Ισπανία. Γενικά όλη η ομάδα πιστεύει ότι, παρά τις τεχνολογικές προκλήσεις και τους περιορισμούς, σχεδιάζουμε ένα ικανό σύστημα κίνησης που θα οδηγήσει το rover σε όποιo σημείο χρειάζεται για να απαντήσει ερωτήσεις σχετικά με την ιστορία της ζωής στον Αρη».

«Τα περισσότερα υποσυστήματα του ρομπότ είναι στο στάδιο του λεπτομερούς σχεδιασμού. Επίσης τα πρώτα λειτουργικά μοντέλα αυτών των υποσυστημάτων έχουν ήδη κατασκευαστεί και τεστάρονται. Η κατασκευή ενός διαστημικού σκάφους ή ρομπότ αποτελείται από πολλά στάδια σχεδιασμού και κατασκευής μοντέλων έτσι ώστε το τελικό σύστημα (flight hardware) που θα εκτοξευθεί να είναι αξιόπιστο και ενδελεχώς δοκιμασμένο».

«Ναι. Μόλις πριν από μερικές εβδομάδες η αρμόδια ομάδα εργασίας με τη συνδρομή εξειδικευμένων επιστημόνων στον τομέα της πλανητολογίας και της αστροβιολογίας επέλεξε (ανάμεσα από τέσσερα τελικά υποψήφια) το Oxia Planum ως σημείο προσεδάφισης για την αποστολή του rover το 2018. Τα υποψήφια σημεία επελέγησαν με βάση μια σειρά κριτήρια. Κατ’ αρχάς το σημείο έπρεπε να είναι αρχαίο, δηλαδή να σχηματίστηκε πριν από 4,4 – 4,9 δισεκατομμύρια χρόνια, τότε που οι συνθήκες του Αρη ήταν παρόμοιες με αυτές όταν εμφανίστηκε η ζωή στη Γη. Επίσης έπρεπε να συνοδεύονται από μορφολογικές και ορυκτολογικές ενδείξεις για τη μακρόχρονη ύπαρξη παραμένοντος νερού στο παρελθόν, όπως π.χ. λίμνες, καθώς επίσης και από ενδείξεις ότι το μέρος θάφτηκε σύντομα μετά την εναπόθεση των (πιθανών) βιολογικών ενδείξεων, έτσι ώστε αυτές να προστατεύθηκαν από την κοσμική ακτινοβολία, και να διαβρώθηκε μονάχα τα τελευταία 100 εκατομμύρια χρόνια από τον άνεμο και τις καιρικές συνθήκες του Αρη, ετσι ώστε να μπορεί να εντοπισθεί με τους δορυφόρους. Επιπλέον, το μέρος έπρεπε να είναι συμβατό με τις δυνατότητες του συστήματος καθόδου και προσεδάφισης, να προσφέρει προσβασιμότητα σε επιστημονικά ενδιαφέροντα σημεία με τις υπάρχουσες δυνατότητες του συστήματος κίνησης του rover και να έχει κατάλληλο θερμικό περιβάλλον και ηλιοφάνεια για την παραγωγή ενέργειας με τους ηλιακούς συλλέκτες του rover.

«Είναι άραγε δύσκολο να βρούμε κάποιο τέτοιο σημείο;» μπορεί να αναρωτηθεί κανείς. Οχι και τόσο. Σήμερα διαθέτουμε αρκετά δεδομένα από τους δορυφόρους που έχουν σταλεί στον Αρη. Με τα δεδομένα αυτά και μαζί με τα εργαλεία που έχουν αναπτυχθεί από τους μηχανικούς και τους επιστήμονες καταφέραμε να εντοπίσουμε αρκετά σημεία που να ικανοποιούν τα παραπάνω κριτήρια. Και όχι μόνο αυτό: διαλέξαμε και το πιο υποσχόμενο ανάμεσά τους!

Τα ρομπότ που έχουν εξερευνήσει μέχρι στιγμής τον Αρη έχουν συλλέξει και αναλύσει δείγματα εδάφους σε βάθος όχι μεγαλύτερο των 6,5 εκατοστών από την επιφάνεια. Το Exomars θα μπορεί να τρυπήσει την επιφάνεια και να συλλέξει δείγματα σε βάθος δύο μέτρων».

«Η δυνατότητα να φτάσουμε σε 2 μέτρα βάθος με το τρυπάνι του ExoMars αυξάνει πολύ τις πιθανότητες να πάρουμε δείγματα τα οποία θα περιλαμβάνουν καλά διατηρημένες οργανικές βιο-υπογραφές (organic biosignatures). Ομως πέρα από το βάθος πρόσβασης, πολύ σημαντικό ρόλο παίζει και η γεωλογική ιστορία των σημείων που θα τρυπήσουμε, όπως ανέφερα πιο πάνω. Επομένως, η επιτυχία εναπόκειται στον συνδυασμό επιλογής του κατάλληλου σημείου προσεδάφισης και της πρόσβασης στο υπέδαφος με το τρυπάνι. Σημαντικός παράγοντας που αυξάνει τις πιθανότητες εντοπισμού βιο-υπογραφών είναι και το ότι θα μπορούμε να επαναλάβουμε τα πειράματα σε αρκετά σημεία λόγω του ότι θα διαθέτουμε ένα κινούμενο, και όχι στατικό, ρομπότ».

«Οχι, δεν είναι πολύ πιθανό. Το να ανακαλύψουμε ενεργούς οργανισμούς σε δύο μέτρα βάθος θα είναι έκπληξη. Το έδαφος μερικά μέτρα κάτω από την επιφάνεια είναι πολύ παγωμένο –της τάξης των -70 βαθμών Κελσίου –για να υπάρχει υγρό νερό το οποίο θα χρησιμοποιήσουν οργανισμοί για να αναπτυχθούν».

«Σαφώς και μπορεί να υπάρχει ζωή σε μεγάλο βάθος! Στα 2 χιλιόμετρα, π.χ., η θερμοκρασία και η πίεση στο υπέδαφος είναι υψηλότερη από την επιφάνεια και μπορεί να ευνοεί την ύπαρξη υγρού νερού. Στη Γη μπορούμε να τρυπήσουμε χιλιόμετρα στο υπέδαφος προς αναζήτηση πετρελαίου. Δώστε μας μερικά χρόνια ακόμη και ίσως μπορέσουμε να το κάνουμε και στον Αρη!».