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Visão geral da entrada, descida e sequência de pouso da Schiaparelli em Marte, com o tempo, altitude e velocidade aproximadas dos principais eventos indicados.
Crédito: ESA/ATG medialab
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Marte tem sido uma fonte de admiração durante muitos séculos, inspirando tanto especulação científica como imaginação literária.
Desde o alvorecer da Era Espacial, nações exploradoras líderes têm tentado utilizar tecnologia moderna para desvendar os mistérios de Marte através da pesquisa do planeta por cima e envio de exploradores robóticos para o seu terreno poeirento.
Mais de 40 missões foram enviadas para o Planeta Vermelho desde o início da década de 1960. Seguindo a habitual sequência de investigações cada vez mais complexas, as primeiras tentativas para caracterizar Marte envolveram passagens relativamente simples e de curta duração. Estas foram logo seguidas por sondas, que levavam instrumentos cada vez mais sofisticados para mapear todo o planeta e caracterizar as suas diversas paisagens.
A primeira tentativa de levar uma sonda para a atmosfera de Marte teve lugar em novembro de 1962, mas a sonda espacial da União Soviética, designada de Sputnik 24, não conseguiu deixar a órbita da Terra. Se tivesse chegado a Marte, a sonda teria atingido a superfície a alta velocidade: o seu modelo tinha assumido que a atmosfera era mais espessa do que mais tarde foi determinado na realidade.
Tentativas posteriores de aterragem por parte dos Soviéticos em 1971 e 1973, também terminaram em fracasso (ou apenas com sucesso parcial): a sonda Mars 2 colidiu com a superfície de Marte, após uma entrada na atmosfera num ângulo muito íngreme, enquanto a sonda Mars 3 retornou 20 segundos de dados a partir da superfície antes de concluir.
A sonda Mars 6 enviou alguns dados úteis na entrada e descida da sonda na atmosfera aquando da chegada a Marte em 1974, mas o sinal foi perdido pouco antes da aterragem. A sonda Mars 7 falhou o planeta por 1300 km devido a problemas eletrónicos, impedindo-a de adquirir a trajetória correta.
As primeiras aterragens em Marte totalmente bem-sucedidas tiveram de esperar até à chegada do módulo de aterragem americano Viking 1 a 20 de julho de 1976, seguido pela sonda Viking 2 a 3 de setembro. Desde então, houve mais cinco aterragens bem-sucedidas no Planeta Vermelho - todas por sondas americanas -, bem como uma série de tentativas fracassadas. Com o lançamento da ExoMars 2016, a ESA está agora a tentar juntar-se à NASA e tornar-se a segunda potência espacial a levar uma sonda e completar uma missão bem-sucedida na superfície marciana.
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Modelo do módulo de aterragem Viking.
Crédito: NASA/JPL-Caltech/Universidade do Arizona
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Descida e Aterragem
A fim de minimizar a probabilidade de uma falha catastrófica, os engenheiros espaciais passam uma grande parte do tempo de trabalho a definir uma estratégia para assegurar que o seu veículo de alta tecnologia completa uma entrada na atmosfera e descida seguras, culminando numa aterragem segura.
O primeiro problema a ser superado é uma navegação precisa. Espaços de lançamento adequados ocorrem a cada 26 meses ou mais, quando a Terra e Marte estão relativamente próximos nas suas órbitas. Uma vez que a sonda com destino Marte esteja a caminho, a viagem dura geralmente cerca de 6 meses.
Assumindo que a sua trajetória cruza a órbita de Marte no tempo correto, a sonda será capaz de começar a sua fase de entrada e descida atmosférica. A maioria das sondas de Marte - incluindo a entrada da Schiaparelli e do módulo de descida da missão ExoMars 2016 - fazem uma entrada balística a alta velocidade na atmosfera.
Normalmente são libertadas da sua nave espacial transportadora nos dias finais da viagem interplanetária. As exceções foram os módulos de aterragem Viking, que foram colocados em órbita marciana e só depois libertados das suas sondas orbitais após identificação de locais de aterragem adequados.
O ângulo de entrada é importante - muito íngreme e a sonda pode superaquecer e queimar-se, muito raso e pode saltar para fora da atmosfera, falhando o planeta completamente.
A sequência inteira de entrada e controle de descida atmosférica é pré-programada no computador da sonda espacial, uma vez que não há tempo para enviar os comandos uma vez que a fase final de voo comece. No entanto, a sequência nem sempre corre de acordo com o plano. No caso da missão "Mars Polar Lander" da NASA, os retrofoguetes parecem ter começado prematuramente, fazendo com que a sonda espacial colidisse com o solo.
A trajetória de descida é modificada pela variação da densidade atmosférica, por turbulência e velocidade do vento, bem como pequenas incertezas na trajetória de chegada, por isso, o local de aterragem é relativamente impreciso e tipicamente definido por uma grande elipse. No caso da Schiaparelli, a elipse de aterragem mede 100 km por 15 km. A possibilidade de tempestades regionais ou poeiras globais antes da chegada também podem afetar as condições atmosféricas e levar a incertezas na trajetória de descida.
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Local de aterragem da ExoMars 2016 Schiaparelli.
Crédito: IRSPS/TAS-I
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Entrar na atmosfera superior a uma velocidade de quase de 21.600 km/h (6 km/s), uma sonda espacial demora normalmente 6 a 7 minutos a chegar à superfície. Em primeiro lugar, tem de suportar dois a três minutos de aquecimento extremo, causado pela fricção atmosférica. Protegido por um escudo térmico, a sonda é capaz de sobreviver a uma temperatura que atinja vários milhares de graus Celsius e embates pelas ondas de choque atmosféricas.
A sonda espacial desacelera rapidamente e quando a velocidade diminui para cerca de 1700 km/h (0,47 km/s), a uma altitude de cerca de 10 km, é capaz de abrir um para-quedas supersónico. Pouco tempo depois, a velocidade abrandou o suficiente para permitir que o escudo de calor seja descartado.
Na maioria das missões é usado um radar para medir a altura (e, por vezes, acelerar em relação à superfície) e decidir quando e como comandar os propulsores ou retrofoguetes para encaminhar a velocidade de descida para alguns metros por segundo; a fina atmosfera marciana faz com que seja muito difícil com que isso seja alcançado apenas com um para-quedas.
O procedimento adotado durante a fase final da descida varia de acordo com o tamanho e complexidade do módulo de aterragem. As bem-sucedidas sondas Viking, cada uma pesando cerca de 600 kg, dispararam três motores de impulso variável durante os 1200 m finais da sua descida. Schiaparelli também irá disparar propulsores para retardar a sua descida final, seguida de uma breve queda livre para a superfície assim que os motores parem de funcionar.
Uma sonda espacial mais pequena, a "Mars Pathfinder" de 360 kg, introduziu um novo sistema de descida que envolveu baixar o módulo de aterragem no final de um longo cabo de 20 m (conhecido como um "freio"). Cerca de 10 segundos antes da aterragem, os airbags enchem-se de ar para formar uma "bola" de proteção em torno da sonda. Quatro segundos depois, a uma altitude de 98 m, três foguetes sólidos, montados na parte posterior, disparam para desacelerar a descida, e cerca de 2 segundos mais tarde o freio é cortado a 21,5 m acima do solo, libertando o módulo de aterragem. O veículo Pathfinder embateu no chão a uma velocidade de 14 m/s e saltou cerca de 12 m para o ar, ressaltando pelo menos mais 15 vezes antes de parar cerca de 2,5 minutos após o impacto e a cerca de 1 km do local de impacto inicial.
Um sistema similar de para-quedas, retrofoguetes e airbags foi utilizado nos grandes "Mars Exploration Rovers", que chegaram à superfície em 2004. O Beagle 2 da Grã-Bretanha, também equipado com airbags, mas sem propulsores, parece ter desembarcado, mas foi incapaz de comunicar de volta depois de algumas das suas "pétalas" falharem ao abrir.
O maior módulo de aterragem de Marte construído até agora é o Laboratório de Ciência de Marte (MSL), que levou o rover Curiosity para a cratera Gale em Agosto de 2012. O MSL pesava cerca de 900 kg e media três metros de comprimento, de modo que o sistema de airbag não era viável e um novo "guindaste" foi desenvolvido. Embora a equipa da missão tenha sido incapaz de testar a tecnologia inovadora antes do lançamento como um sistema integrado, o MSL operou perfeitamente.
A sonda foi capaz de orientar-se durante a entrada na atmosfera de Marte com uma série de manobras em "S", semelhantes às usadas pelos astronautas que pilotam naves espaciais da NASA. Durante os três minutos antes da aterragem, a nave desacelerou a sua descida com um para-quedas, depois dispararam os retrofoguetes montados ao redor da borda do seu estrado superior. Nos segundos finais, o estrado superior agiu como um guindaste, baixando o módulo na posição vertical sobre uma corda, a fim de este pousar nas suas rodas.
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Aterragem do rover Curiosity, sob o estrado de descida que operou como um guindaste.
Crédito: NASA/JPL-Caltech
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Atmosfera Esparsa e Terreno Acidentado
Como são selecionados os locais de aterragem em Marte? Em 1960 e 1970, mapas de Marte detalhados e precisos não estavam disponíveis, de modo que a natureza da superfície de Marte era pouco conhecida. Como resultado, a equipa Viking decidiu jogar pelo seguro, obtendo imagens de potenciais locais de aterragem com as duas sondas antes de fazer uma seleção final de onde direcionar as suas preciosas máquinas.
Desde então, numerosas sondas em órbita mapearam o Planeta Vermelho em grande detalhe, por isso a ênfase agora é tanto sobre o interesse científico do local como sobre a natureza e segurança relativa do terreno. O Mars Pathfinder, por exemplo, tinha como alvo um antigo leito de rio, enquanto os Exploration Rovers e MSL dirigiram-se para locais onde se acreditava ter existido água à superfície e ambientes potencialmente habitáveis.
Contudo, um mapa dos locais de aterragem em Marte mostra que cerca de metade do planeta, até agora, tem sido evitado. Não é por acaso que todas as aterragens de sucesso em Marte ocorreram numa região dominada por terras baixas, em vez de áreas mais acidentadas, como as terras altas com muitas crateras encontradas a sul do equador. Embora as planícies quase equatoriais e do Norte sejam frequentemente marcadas por pequenas crateras de impacto, pedras de vários tamanhos e dunas empoeiradas, as probabilidades de danos à chegada são muito pequenas.
A maioria das aterragens foram a baixas latitudes, sendo a única exceção até à data o módulo Phoenix, uma sonda estacionária que sobreviveu durante cinco meses no ártico marciano antes de concluir como resultado do extremo frio e falta de luz solar.
Outro factor que influencia a escolha do local de aterragem é a espessura da atmosfera marciana. Na Terra, a sonda pode abrir o para-quedas ou deslizar de volta através da manta densa de ar na conclusão da sua missão orbital. No entanto, a atmosfera marciana é 150 vezes mais fina que a da Terra e a pressão do ar sofre alterações de 20% de estação para estação. A pressão à superfície é mais espessa ao longo dos desfiladeiros profundos e mais fina acima dos vulcões gigantes.
Não surpreendentemente, os planificadores da missão têm optado por direcionar a sua sonda para as áreas de planície onde a maior profundidade e espessura da atmosfera permitem que a fricção atmosférica e a abertura dos para-quedas reduzam a velocidade de descida da sonda espacial em toda a sua extensão.
As missões ExoMars da ESA não são exceção. Schiaparelli tem como alvo Meridiani Planum, uma região relativamente plana e lisa perto do equador marciano e bastante perto da atual localização do rover Opportunity da NASA. Três locais perto do equador estão atualmente a ser investigados para a missão ExoMars de 2020, que vai levar primeiro o rover planetário da ESA.
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Locais de aterragem em Marte.
Crédito: imagem de fundo - Equipa Científica MOLA; mapa - ESA
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Fornecimento de Energia
Quase todas as sondas e veículos levados para Marte, desde o Pathfinder em 1997, foram alimentadas por painéis solares. Schiaparelli é incomum por apenas levar pilhas não-recarregáveis, pelo que a sua vida ativa será limitada a apenas alguns dias Marcianos. Isto porque o seu principal objetivo é demonstrar tecnologias de entrada, descida e aterragem. A outra exceção é o MSL movido a energia nuclear, o qual é capaz de operar independentemente da quantidade de luz solar.
O sucesso e a duração das missões de superfície com energia solar dependem da disponibilidade da luz solar para iluminar as células solares.
Uma vez que Marte tem estações e períodos de luz do dia semelhantes aos da Terra, os orçamentos de energia dos módulos de aterragem têm de ser geridos cuidadosamente para que eles possam sobreviver aos dias mais curtos de inverno - uma outra razão para o desembarque perto do equador. Os veículos itinerantes móveis têm a vantagem de serem capazes de estacionar num local relativamente ensolarado para que as baterias possam ser recarregadas.
A acumulação de depósitos de poeira nos painéis solares também pode reduzir a produção elétrica do veículo - embora rajadas ocasionais de vento possam varrer grande parte do revestimento acastanhado. Embora a ExoMars 2020 vá chegar fora da principal época de tempestades de poeira, a equipa da missão está ciente de que a sonda e o rover movidos a energia solar poderem ocasionalmente ter que encerrar as operações devido à poeira escurecer o céu.
Links:
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ESA (comunicado de imprensa)
Marte:
Núcleo de Astronomia do CCVAlg
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