När man reser till långt utanför land packar man försiktigt. Det du bär måste vara omfattande men inte så mycket att det är en börda. Och när du anländer, måste du vara beredd att göra något extra för att göra den långa resan värdefull.
Den föregående artikeln i Space Magazine "Hur landar du på en komet?" beskrev Philaes landningsteknik på kometen 67P / Churyumov-Gerasimenko. Men vad kommer landaren att göra när den anländer och blir bosatt i sin nya omgivning? Som Henry David Thoreau sa: "Det är inte värt att resa runt i världen för att räkna katterna i Zanzibar." Så är det med Rosetta-landaren Philae. Med scenuppsättningen - en vald landningsplats och landningsdatum den 11 november, är Philae-landaren utrustad med en noggrant genomtänkt uppsättning av vetenskapliga instrument. Omfattande och kompakt är Philae en som en schweizisk armékniv av verktyg för att utföra den första undersökningen på plats av en komet.
Tänk nu på de vetenskapliga instrumenten på Philae som valdes ut för cirka 15 år sedan. Precis som alla bra resenärer måste budgetar ställas in som fungerade som begränsningar för instrumentvalet som kunde packas och tas med på resan. Det fanns en maximal vikt, maximal volym och effekt. Den slutliga massan för Philae är 100 kg (220 lbs). Volymen är 1 × 1 × 0,8 meter (3,3 × 3,3 × 2,6 fot) ungefär storleken på en fyrbrännare ugn. Emellertid måste Philae fungera på en liten mängd lagrad energi vid ankomst: 1000 Watt-timmar (motsvarande en 100 watts glödlampa som körs i 10 timmar). När den strömmen har tömts kommer den att producera maximalt 8 watt el från solpaneler som ska lagras i ett 130 Watt-timmars batteri.
Utan att säkerställa att de skulle landa framgångsrikt och producera mer kraft, tillhandahöll Philae-konstruktörerna ett batteri med hög kapacitet som laddas, endast en gång, av de primära rymdskeppssolarien (64 kvm) innan nedstigningen till kometen. Med en första vetenskaplig kommandosekvens ombord på Philae och batterikraften lagrad från Rosetta kommer Philae inte att slösa tid att börja analys - inte till skillnad från en kriminalteknisk analys - för att göra en "dissektion" av en komet. Därefter använder de det mindre batteriet som tar minst 16 timmar att ladda men kommer att tillåta Philae att studera 67P / Churyumov-Gerasimenko under potentiella månader.
Det finns 10 vetenskapliga instrumentpaket på Philae-landaren. Instrumenten använder absorberat, spridd och emitterat ljus, elektrisk ledningsförmåga, magnetism, värme och till och med akustik för att analysera kometens egenskaper. Dessa egenskaper inkluderar ytstrukturen (morfologi och kemisk sammansättning av ytmaterial), den inre strukturen hos P67, och magnetfältet och plasma (joniserade gaser) ovanför ytan. Dessutom har Philae en arm för ett instrument och Philae huvuddel kan roteras 360 grader runt sin Z-axel. Stolpen som stöder Philae och inkluderar en stötdämpare.
CIVA och ROLIS bildsystem. CIVA representerar tre kameror som delar en del hårdvara med ROLIS. CIVA-P (Panoramic) är sju identiska kameror, fördelade runt Philae-kroppen men med två som fungerar i tandem för stereobildning. Var och en har ett 60 graders synfält och använder som CCD-detektor 1024 × 1024. Som de flesta kan komma ihåg har digitala kameror avancerat snabbt under de senaste 15 åren. Philaes bilder är designade i slutet av 1990-talet, nära toppmodern, men idag överträffas de, åtminstone i antal pixlar, av de flesta smartphones. Men förutom hårdvara har bildbehandling i programvara också avancerat och bilderna kan förbättras för att fördubbla deras upplösning.
CIVA-P kommer att ha den omedelbara uppgiften, som en del av den initiala autonoma kommandosekvensen, att kartlägga hela landningsplatsen. Det är avgörande för användning av andra instrument. Den kommer också att använda Z-axelrotationen för Philae-kroppen för att kartlägga. CIVA-M / V är en mikroskopisk 3-färgsbildare (7 mikron upplösning) och CIVA-M / I är en nära infraröd spektrometer (våglängdsintervall från 1 till 4 mikron) som kommer att inspektera vart och ett av proverna som levereras till COSAC & PTOLEMY ugnarna innan proverna värms upp.
ROLIS är en enda kamera, även med en CCD-detektor 1024 × 1024, med den främsta rollen att kartlägga landningsplatsen under nedstigningsfasen. Kameran är fixerad och nedåt pekande med ett f / 5 (f-förhållande) fokusjusterbart objektiv med ett 57 graders synfält. Under nedstigningen är den inställd på oändlighet och tar bilder var femte sekund. Dess elektronik kommer att komprimera data för att minimera den totala informationen som måste lagras och överföras till Rosetta. Fokus justeras precis före touchdown men därefter fungerar kameran i makroläge för att spektroskopiskt undersöka kometen omedelbart under Philae. Rotation av Philae-kroppen kommer att skapa en "arbetscirkel" för ROLIS.
ROLIS design med flera roller visar tydligt hur forskare och ingenjörer arbetade tillsammans för att totalt sett minska vikt, volym och kraftförbrukning och göra Philae möjlig och, tillsammans med Rosetta, passar inom nyttolastgränserna för startfordonet, solbegränsningar för solen celler och batterier, begränsningar av kommandot och datasystemet och radiosändare.
APXS. Det här är en Alpha Proton röntgenspektrometer. Detta är ett nära måste-ha instrument för rymdforskarens schweiziska armékniv. APXS-spektrometrar har blivit en vanlig fixtur på alla Mars Rover-uppdrag och Philaes är en uppgraderad version av Mars Pathfinders. Arven från APXS-designen är de tidiga experimenten av Ernest Rutherford och andra som ledde till att upptäcka strukturen hos atomen och kvantiteten hos ljus och materia.
Detta instrument har en liten källa för alfa-partikelemission (Curium 244) avgörande för dess drift. Principerna för Rutherford Back-spridning av alfapartiklar används för att upptäcka närvaron av lättare element som väte eller beryllium (de nära en alfa-partikel i massa, en heliumkärna). Massan av sådana lättare elementära partiklar kommer att absorbera en mätbar mängd energi från Alpha-partikeln under en elastisk kollision; som händer i Rutherford back-spridning nära 180 grader. Vissa alfapartiklar absorberas emellertid snarare än reflekteras av kärnorna i materialet. Absorption av en alfapartikel orsakar utsläpp av en proton med en mätbar kinetisk energi som också är unik för den elementära partikeln från vilken den kom (i det kometära materialet); detta används för att detektera tyngre element såsom magnesium eller svavel. Slutligen kan inre skalelektroner i materialet av intresse drivas ut av alfa-partiklar. När elektroner från yttre skal ersätter dessa förlorade elektroner avger de en röntgenstråle med specifik energi (kvant) som är unik för den elementära partikeln; alltså tyngre element såsom järn eller nickel är detekterbara. APXS är förkroppsligandet av fysik från början av 1900-talet.
Konsert. COmet Nucleus Sounding Experiment by Radio Wave Transmissionsom namnet antyder kommer att överföra radiovågor till kometens kärna. Rosetta orbiter sänder 90 MHz radiovågor och samtidigt står Philae på ytan för att ta emot med kometen som bor mellan dem. Följaktligen är tidpunkten för resa genom kometen och radiovågornas återstående energi en signatur av materialet genom vilket det spridits. Många radiosändningar och mottagningar av CONSERT genom en mängd vinklar kommer att krävas för att bestämma den inre strukturen hos kometen. Det liknar hur man känner formen på ett skuggigt objekt som står framför dig genom att panorera huvudet åt vänster och höger för att se hur silhuetten förändras; totalt ser din hjärna objektets form. Med CONSERT-data krävs en komplex deconvolution-process med datorer. Kometens interiör är känd som förbättras med fler mätningar.
MUPUS. Multifunktionssensor för yt- och underlagsvetenskap är en svit med detektorer för att mäta energibalansen, termiska och mekaniska egenskaperna på kometens yta och underytan ner till ett djup av 30 cm (1 fot). Det finns tre huvuddelar till MUPUS. Det finns PEN som är penetreringsröret. PEN är fäst vid en hammararm som sträcker sig upp till 1,2 meter från kroppen. Den drar ut med tillräcklig nedåtriktad kraft för att penetrera och begrava PEN under ytan; flera hammarslag är möjliga. I spetsen eller förankringen av PEN (penetratorröret) finns en accelerometer och standard PT100 (Platinum Resistance Thermometer). Tillsammans kommer ankarsensorerna att göra detbestämma hårdhetsprofilen på landningsplatsen och den termiska diffusiviteten vid det slutliga djupet [ref]. När det tränger in i ytorna indikerar mer eller mindre retardation hårdare eller mjukare material. PEN har en uppsättning av 16 termiska detektorer längs dess längd för att mäta underjordiska temperaturer och värmeledningsförmåga. PEN har också en värmekälla för att överföra värme till det monetära materialet och mäta dess termiska dynamik. När värmekällan är avstängd, kommer detektorer i PEN att övervaka temperaturen och energibalansen i kometen när den närmar sig solen och värmer upp. Den andra delen är MUPUS TM, en radiometer ovanpå PEN som mäter ytans termiska dynamik. TM består av fyra termopilsensorer med optiska filter för att täcka ett våglängdsområde från 6-25 um.
SD2 Provborr- och distributionsanordning kommer att tränga igenom ytan och underytan till ett djup av 20 cm. Varje hämtat prov kommer att vara några kubik millimeter i volym och fördelas till 26 ugnar monterade på en karusell. Ugnarna värmer upp provet som skapar en gas som levereras till gaskromatograferna och masspektrometrarna som är COSAC och PTOLEMY. Observationer och analys av APXS- och ROLIS-data kommer att användas för att bestämma provtagningsplatserna som alla kommer att ligga på en "arbetscirkel" från rotationen av Philaes kropp om dess Z-axel.
Cosac Monetärt provtagning och sammansättning experimentera. Den första gaskromatografen (GC) som jag såg var i ett högskolalaboratorium och användes av labbchefen för kriminaltekniska tester som stödde den lokala polisavdelningen. Philaes avsikt är inget mindre än att utföra kriminaltekniska tester på en komet hundra miljoner mil från jorden. Philae är effektivt Sherlock Holmes spionglas och Sherlock är alla forskare på jorden. COSAC-gaskromatografen innehåller en masspektrometer och kommer att mäta mängderna av element och molekyler, särskilt komplexa organiska molekyler, som utgör kometmaterial. Medan det första laboratoriet som jag såg var närmare Philaes storlek, är de två GC: erna i Philae ungefär storleken på skopacken.
Ptolemaios. En utvecklad gasanalysator [ref], en annan typ av gaskromatograf. Syftet med Ptolemy är att mäta mängderna av specifika isotoper för att härleda de isotopiska förhållandena, till exempel 2 delar isotop C12 till en del C13. Per definition har isotoper av ett element samma antal protoner men olika antal neutroner i sina kärnor. Ett exempel är de 3 isotoperna av kol, C12, C13 och C14; antalet är antalet neutroner. Vissa isotoper är stabila medan andra kan vara instabila - radioaktiva och förfalla till stabila former av samma element eller i andra element. Det som är av intresse för Ptolemaios utredare är förhållandet mellan stabila isotoper (naturliga och inte de som påverkas av, eller som är resultatet av, radioaktivt förfall) för elementen H, C, N, O och S, men särskilt kol. Förhållandena kommer att vara tydliga indikatorer för var och hur kometer skapas. Hittills har spektroskopiska mätningar av kometer för att bestämma isotopförhållanden varit på avstånd och noggrannheten har varit otillräcklig för att dra fasta slutsatser om kometernas ursprung och hur kometer är kopplade till skapandet av planeter och utvecklingen av solnebulan, födelseplatsen för vårt planetsystem som omger solen, vår stjärna. En utvecklad gasanalysator värmer upp ett prov (~ 1000 C) för att omvandla materialen till ett gasformigt tillstånd som en spektrometer mycket noggrant kan mäta mängder. Ett liknande instrument, TEGA (Thermal Evolution Gas Analyzer) var ett instrument på Mars Phoenix lander.
SESAM Surface Electrical Sounding och Acoustic Monitoring ExperimentDetta instrument innefattar tre unika detektorer. Den första är SESAME / CASSE, den akustiska detektorn. Varje landningsfot på Philae har akustiska sändare och mottagare. Var och en av benen kommer i tur och ordning att överföra akustiska vågor (100 Hertz till KiloHertz-intervallet) till kometen som sensorerna i de andra benen mäter. Hur den vågen dämpas, det vill säga försvagas och transformeras av det kometära materialet som den passerar genom, kan användas tillsammans med andra kometära egenskaper som erhållits från Philae-instrument, för att bestämma dagliga och säsongsvariationer i kometens struktur till ett djup av cirka 2 meter. I ett passivt (lyssnande) -läge kommer CASSE också att övervaka ljudvågor från skrynklar, stönar inuti kometen som orsakas potentiellt av spänningar från soluppvärmning och ventilationsgaser.
Nästa är SESAME / PP-detektorn - Permittivity Probe. Permittivitet är måttet på motståndet ett material har mot elektriska fält. SESAME / PP kommer att leverera ett oscillerande (sinusvåg) elektriskt fält in i kometen. Philaes fötter bär mottagarna - elektroder och AC-sinusgeneratorer för att avge det elektriska fältet. Motståndet för det kometära materialet till ungefär ett 2 meters djup mäts sålunda som ger en annan väsentlig egenskap hos kometen - permittiviteten.
Den tredje detektorn heter SESAME / DIM. Detta är kometens dammräknare. Det användes flera referenser för att sammanställa dessa instrumentbeskrivningar. För detta instrument finns det, vad jag skulle kalla, en vacker beskrivning som jag helt enkelt kommer att citera här med hänvisning. “Dust Impact Monitor (DIM) -kuben ovanpå Lander-balkongen är en dammsensor med tre aktiva ortogonala (50 × 16) mm piezosensorer. Från mätningen av den övergående toppspänningen och halva kontaktvaraktigheten, kan hastigheter och radier för påverkande dammpartiklar beräknas. Partiklar med radier från cirka 0,5 um till 3 mm och hastigheter från 0,025–0,25 m / s kan mätas. Om bakgrundsljudet är mycket högt, eller hastigheten och / eller amplituden för burstsignalen är för hög, växlar systemet automatiskt till det så kallade genomsnittliga kontinuerliga läget; dvs endast genomsnittssignalen erhålls, vilket ger ett mått på dammflödet. ” [Ref]
ROMAP Rosetta Lander Magnetometer och Plasma detektorn inkluderar också en tredje detektor, en trycksensor. Flera rymdskepp har flög av kometer och ett inneboende magnetfält, ett skapat av kometens kärna (huvudkroppen) har aldrig upptäckts. Om det finns ett inneboende magnetfält är det troligtvis mycket svagt och landning på ytan skulle vara nödvändig. Att hitta en skulle vara extraordinärt och skulle vända teorier om kometer på deras huvuden. Philae är låg och se en fluxgate magnetometer.
Jordens magnetiska (B) fält som omger oss mäts i tiotalet av tusentals nano-Teslas (SI-enhet, miljarderdel av en Tesla). Bortom jordens fält är planeterna, asteroiderna och kometerna nedsänkta i solens magnetfält som, nära jorden, mäts i enstaka siffror, 5 till 10 nano-Tesla. Philaes detektor har en rad +/- 2000 nanoTesla; ett just i fallet men en som enkelt erbjuds av fluxgates. Den har en känslighet på 1/100 av en nanoTesla. Så ESA och Rosetta kom förberedda. Magnetometern kan upptäcka ett mycket minutfält om den är där. Låt oss nu överväga plasmadetektorn.
Mycket av universums dynamik involverar växelverkan mellan plasmajoniserade gaser (vanligtvis saknas en eller flera elektroner så att de har en positiv elektrisk laddning) med magnetfält. Kometer involverar också sådana interaktioner och Philae bär en plasmadetektor för att mäta energin, densiteten och riktningen för elektroner och positivt laddade joner. Aktiva kometer släpper i huvudsak en neutral gas ut i rymden plus små fasta partiklar (damm). Solens ultraviolett strålning joniserar delvis kometens gas i kometens svans, det vill säga skapar en plasma. På lite avstånd från kometkärnan, beroende på hur varm och tät plasma det är, finns det en avstånd mellan solens magnetfält och svansens plasma. Solens B-fält draperar runt kometens svans som liknar ett vitt lak draperat över en Halloween-trick eller -behandlare men utan ögonhål.
Så vid P67: s yta kommer Philaes ROMAP / SPM-detektor, elektrostatiska analysatorer och en Faraday Cup-sensor att mäta fria elektroner och joner i det inte så tomma utrymmet. En "kall" plasma omger kometen; SPM kommer att detektera jon kinetisk energi i intervallet 40 till 8000 elektronvolt (eV) och elektroner från 0,35 eV till 4200 eV. Sist men inte minst innehåller ROMAP en trycksensor som kan mäta mycket lågt tryck - en miljonste eller en miljardste eller mindre än det lufttryck vi njuter av på jorden. En penningvakuummätare används som joniserar den primärt neutrala gasen nära ytan och mäter strömmen som alstras.
Philae kommer att transportera 10 instrumentsviter till ytan på 67P / Churyumov-Gerasimenko men totalt representerar de tio 15 olika typer av detektorer. Vissa är beroende av varandra, det vill säga för att få vissa egenskaper behöver man flera datauppsättningar. Att landa Philae på kometytan kommer att tillhandahålla medel för att mäta många kometers egenskaper för nävetiden och andra med betydligt högre noggrannhet. Sammantaget kommer forskare att närma sig förstå kometernas ursprung och deras bidrag till solsystemets utveckling.
