Wenn man in ferne Länder reist, packt man vorsichtig. Was Sie tragen, muss umfassend sein, aber nicht so sehr, dass es eine Belastung ist. Und wenn Sie ankommen, müssen Sie bereit sein, etwas Außergewöhnliches zu tun, damit sich die lange Reise lohnt.
Der vorherige Artikel des Space Magazine "Wie landest du auf einem Kometen?" beschrieb Philaes Landetechnik auf dem Kometen 67P / Churyumov-Gerasimenko. Aber was wird der Lander tun, wenn er ankommt und sich in seiner neuen Umgebung niederlässt? Wie Henry David Thoreau sagte: "Es lohnt sich nicht, um die Welt zu gehen, um die Katzen in Sansibar zu zählen." So ist es auch mit dem Rosetta Lander Philae. Mit dem Bühnenbild - einem ausgewählten Landeplatz und Landedatum am 11. November - ist der Philae-Lander mit einem sorgfältig durchdachten Satz wissenschaftlicher Instrumente ausgestattet. Umfassend und kompakt ist Philae wie ein Schweizer Taschenmesser, mit dem die erste Vor-Ort-Untersuchung (vor Ort) eines Kometen durchgeführt werden kann.
Betrachten Sie nun die wissenschaftlichen Instrumente zu Philae, die vor etwa 15 Jahren ausgewählt wurden. Wie bei jedem guten Reisenden mussten Budgets festgelegt werden, die als Einschränkungen für die Instrumentenauswahl fungierten, die gepackt und auf der Reise mitgenommen werden konnten. Es gab ein maximales Gewicht, maximales Volumen und maximale Leistung. Die Endmasse von Philae beträgt 100 kg. Sein Volumen beträgt 1 × 1 × 0,8 Meter (3,3 × 3,3 × 2,6 Fuß), ungefähr so groß wie ein Ofenofen mit vier Brennern. Philae muss jedoch bei der Ankunft mit einer kleinen Menge gespeicherter Energie arbeiten: 1000 Wattstunden (entspricht einer 100-Watt-Glühbirne, die 10 Stunden lang läuft). Sobald dieser Strom verbraucht ist, werden maximal 8 Watt Strom aus Sonnenkollektoren erzeugt, die in einer 130-Wattstunden-Batterie gespeichert werden.
Ohne die Gewissheit zu haben, dass sie zufällig landen und mehr Strom produzieren würden, stellten die Philae-Designer eine Batterie mit hoher Kapazität zur Verfügung, die nur einmal von den primären Solaranlagen des Raumfahrzeugs (64 Quadratmeter) vor dem Abstieg zum Kometen aufgeladen wird. Mit einer ersten wissenschaftlichen Befehlssequenz an Bord von Philae und der von Rosetta gespeicherten Batterieleistung wird Philae keine Zeit verlieren, um mit der Analyse zu beginnen - ähnlich wie bei einer forensischen Analyse -, um eine „Dissektion“ eines Kometen durchzuführen. Danach verwenden sie die kleinere Batterie, deren Aufladung mindestens 16 Stunden dauert, die es Philae jedoch ermöglicht, 67P / Churyumov-Gerasimenko möglicherweise Monate lang zu untersuchen.
Auf dem Philae-Lander befinden sich 10 Pakete für wissenschaftliche Instrumente. Die Instrumente verwenden absorbiertes, gestreutes und emittiertes Licht, elektrische Leitfähigkeit, Magnetismus, Wärme und sogar Akustik, um die Eigenschaften des Kometen zu untersuchen. Diese Eigenschaften umfassen die Oberflächenstruktur (die Morphologie und die chemische Zusammensetzung des Oberflächenmaterials), die innere Struktur von P67 sowie das Magnetfeld und die Plasmen (ionisierte Gase) über der Oberfläche. Zusätzlich hat Philae einen Arm für ein Instrument und der Philae-Hauptkörper kann um 360 Grad um seine Z-Achse gedreht werden. Der Pfosten, der Philae unterstützt und einen Aufpralldämpfer enthält.
CIVA und ROLIS Bildgebungssysteme. CIVA repräsentiert drei Kameras, die Hardware mit ROLIS teilen. CIVA-P (Panorama) besteht aus sieben identischen Kameras, die über den Philae-Körper verteilt sind, von denen jedoch zwei für die Stereobildgebung zusammenarbeiten. Jedes hat ein Sichtfeld von 60 Grad und wird als 1024 × 1024 CCD-Detektor verwendet. Wie die meisten Menschen sich erinnern können, haben sich Digitalkameras in den letzten 15 Jahren schnell weiterentwickelt. Die Imager von Philae wurden Ende der neunziger Jahre auf dem neuesten Stand der Technik entwickelt, aber heute werden sie von den meisten Smartphones zumindest in der Anzahl der Pixel übertroffen. Neben der Hardware hat sich auch die Bildverarbeitung in der Software weiterentwickelt, und die Bilder können verbessert werden, um ihre Auflösung zu verdoppeln.
CIVA-P wird im Rahmen der anfänglichen autonomen Befehlssequenz die unmittelbare Aufgabe haben, den gesamten Landeplatz zu überwachen. Dies ist für den Einsatz anderer Instrumente von entscheidender Bedeutung. Es wird auch die Rotation der Z-Achse des Philae-Körpers zur Vermessung verwendet. CIVA-M / V ist ein mikroskopischer 3-Farben-Imager (Auflösung von 7 Mikron) und CIVA-M / I ist ein Nahinfrarotspektrometer (Wellenlängenbereich von 1 bis 4 Mikron), das jede der gelieferten Proben untersucht die COSAC & PTOLEMY Öfen, bevor die Proben erhitzt werden.
ROLIS ist eine einzelne Kamera, ebenfalls mit einem 1024 × 1024 CCD-Detektor, mit der Hauptaufgabe, den Landeplatz während der Abstiegsphase zu überwachen. Die Kamera ist fest und zeigt mit einem fokussierbaren Objektiv mit 1: 5 (f-Verhältnis) und einem Sichtfeld von 57 Grad nach unten. Während des Abstiegs ist es auf unendlich eingestellt und nimmt alle 5 Sekunden Bilder auf. Die Elektronik komprimiert die Daten, um die Gesamtdaten zu minimieren, die gespeichert und an Rosetta übertragen werden müssen. Der Fokus wird kurz vor dem Aufsetzen angepasst, danach arbeitet die Kamera im Makromodus, um den Kometen unmittelbar unter Philae spektroskopisch zu überwachen. Durch die Drehung des Philae-Körpers entsteht ein „Arbeitskreis“ für ROLIS.
Das Mehrrollen-Design von ROLIS zeigt deutlich, wie Wissenschaftler und Ingenieure zusammengearbeitet haben, um Gewicht, Volumen und Stromverbrauch insgesamt zu reduzieren, Philae zu ermöglichen und zusammen mit Rosetta die Nutzlastgrenzen der Trägerrakete und die Leistungsbeschränkungen der Solaranlage zu erreichen Zellen und Batterien, Einschränkungen des Befehls- und Datensystems und der Funksender.
APXS. Das ist ein Alpha-Protonen-Röntgenspektrometer. Dies ist ein Muss für das Schweizer Taschenmesser des Weltraumwissenschaftlers. APXS-Spektrometer sind zu einem festen Bestandteil aller Mars Rover-Missionen geworden, und Philae ist eine aktualisierte Version von Mars Pathfinder. Das Erbe des APXS-Designs sind die frühen Experimente von Ernest Rutherford und anderen, die zur Entdeckung der Struktur des Atoms und der Quantennatur von Licht und Materie führten.
Dieses Instrument verfügt über eine kleine Quelle für Alpha-Partikelemissionen (Curium 244), die für seinen Betrieb unerlässlich ist. Die Prinzipien der Rutherford-Rückstreuung von Alpha-Partikeln werden verwendet, um das Vorhandensein leichterer Elemente wie Wasserstoff oder Beryllium (solche, die einem Alpha-Partikel in der Masse nahe stehen, einem Heliumkern) nachzuweisen. Die Masse solcher leichteren Elementarteilchen absorbiert während einer elastischen Kollision eine messbare Energiemenge vom Alpha-Teilchen; wie in Rutherford Rückstreuung in der Nähe von 180 Grad. Einige Alpha-Partikel werden jedoch eher absorbiert als von den Kernen des Materials reflektiert. Die Absorption eines Alpha-Teilchens bewirkt die Emission eines Protons mit einer messbaren kinetischen Energie, die auch für das Elementarteilchen, aus dem es stammt (im Kometenmaterial), einzigartig ist. Dies wird verwendet, um schwerere Elemente wie Magnesium oder Schwefel zu erfassen. Schließlich können Elektronen der inneren Hülle in dem interessierenden Material durch Alpha-Teilchen ausgestoßen werden. Wenn Elektronen von Außenschalen diese verlorenen Elektronen ersetzen, emittieren sie einen Röntgenstrahl spezifischer Energie (Quanten), der für dieses Elementarteilchen einzigartig ist. Somit sind schwerere Elemente wie Eisen oder Nickel nachweisbar. APXS ist die Verkörperung der Teilchenphysik des frühen 20. Jahrhunderts.
KONSERT. COmet Nucleus Sounding Experiment durch Funkwellenübertragungüberträgt, wie der Name schon sagt, Radiowellen in den Kern des Kometen. Der Rosetta-Orbiter sendet 90-MHz-Funkwellen und gleichzeitig steht Philae an der Oberfläche, um mit dem zwischen ihnen befindlichen Kometen zu empfangen. Folglich ist die Reisezeit durch den Kometen und die verbleibende Energie der Radiowellen eine Signatur des Materials, durch das er sich ausbreitet. Viele Funkübertragungen und -empfänge von CONSERT über eine Vielzahl von Winkeln sind erforderlich, um die innere Struktur des Kometen zu bestimmen. Es ist ähnlich, wie man die Form eines vor Ihnen stehenden schattigen Objekts wahrnimmt, indem man den Kopf nach links und rechts schwenkt, um zu beobachten, wie sich die Silhouette ändert. Insgesamt nimmt Ihr Gehirn die Form des Objekts wahr. Bei CONSERT-Daten ist ein komplexer Entfaltungsprozess unter Verwendung von Computern erforderlich. Die Präzision, mit der das Innere des Kometen bekannt ist, verbessert sich mit mehr Messungen.
MUPUS. Mehrzwecksensor für Oberflächen- und Untergrundforschung ist eine Reihe von Detektoren zur Messung der Energiebilanz sowie der thermischen und mechanischen Eigenschaften der Oberfläche und des Untergrunds des Kometen bis zu einer Tiefe von 30 cm. MUPUS besteht aus drei Hauptteilen. Da ist der PEN, der das Penetratorrohr ist. Der PEN ist an einem Hammerarm befestigt, der sich bis zu 1,2 Meter vom Körper entfernt erstreckt. Es wird mit ausreichender Kraft nach unten eingesetzt, um PEN unter der Oberfläche zu durchdringen und zu vergraben. mehrere Hammerschläge sind möglich. An der Spitze oder dem Anker des PEN (dem Penetratorrohr) befinden sich ein Beschleunigungsmesser und ein Standard-PT100 (Platinum Resistance Thermometer). Zusammen werden die AnkersensorenBestimmen Sie das Härteprofil am Landeplatz und die Wärmeleitfähigkeit in der Endtiefe [ref]. Wenn es die Oberflächen durchdringt, deutet eine mehr oder weniger lange Verzögerung auf härteres oder weicheres Material hin. Der PEN enthält eine Anordnung von 16 Wärmemeldern entlang seiner Länge, um die Untergrundtemperaturen und die Wärmeleitfähigkeit zu messen. Der PEN verfügt auch über eine Wärmequelle, um Wärme auf das Kometenmaterial zu übertragen und dessen thermische Dynamik zu messen. Bei ausgeschalteter Wärmequelle überwachen Detektoren im PEN die Temperatur- und Energiebilanz des Kometen, wenn er sich der Sonne nähert und sich erwärmt. Der zweite Teil ist das MUPUS TM, ein Radiometer auf dem PEN, das die thermische Dynamik der Oberfläche misst. TM besteht aus vier Thermopile-Sensoren mit optischen Filtern für einen Wellenlängenbereich von 6 bis 25 µm.
SD2 Das Probenbohr- und Verteilungsgerät dringt bis zu einer Tiefe von 20 cm in die Oberfläche und den Untergrund ein. Jede entnommene Probe hat ein Volumen von einigen Kubikmillimetern und wird auf 26 auf einem Karussell montierte Öfen verteilt. Die Öfen erwärmen die Probe, wodurch ein Gas entsteht, das an die Gaschromatographen und Massenspektrometer COSAC und PTOLEMY abgegeben wird. Beobachtungen und Analysen von APXS- und ROLIS-Daten werden verwendet, um die Probenahmestellen zu bestimmen, die sich alle auf einem „Arbeitskreis“ von der Drehung des Körpers von Philae um seine Z-Achse befinden.
COSAC Kometenprobenahme und Zusammensetzung Experiment. Der erste Gaschromatograph (GC), den ich sah, befand sich in einem College-Labor und wurde vom Laborleiter für forensische Tests zur Unterstützung der örtlichen Polizei verwendet. Die Absicht von Philae ist nichts weniger als forensische Tests an einem Kometen durchzuführen, der hundert Millionen Meilen von der Erde entfernt ist. Philae ist praktisch Sherlock Holmes 'Spionageglas und Sherlock sind alle Forscher auf der Erde. Der COSAC-Gaschromatograph enthält ein Massenspektrometer und misst die Mengen an Elementen und Molekülen, insbesondere komplexen organischen Molekülen, aus denen Kometenmaterial besteht. Während dieser erste Labor-GC, den ich sah, näher an der Größe von Philae lag, sind die beiden GCs in Philae ungefähr so groß wie Schuhkartons.
PTOLEMIE. Ein Evolved Gas Analyzer [ref], eine andere Art von Gaschromatograph. Der Zweck von Ptolemäus besteht darin, die Mengen spezifischer Isotope zu messen, um die Isotopenverhältnisse abzuleiten, beispielsweise 2 Teile Isotop C12 zu einem Teil C13. Per Definition haben Isotope eines Elements die gleiche Anzahl von Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen in ihren Kernen. Ein Beispiel sind die 3 Isotope von Kohlenstoff, C12, C13 und C14; Die Zahlen sind die Anzahl der Neutronen. Einige Isotope sind stabil, während andere instabil sein können - radioaktiv und zerfallen in stabile Formen desselben Elements oder in andere Elemente. Für Ptolemäus-Forscher ist das Verhältnis der stabilen Isotope (natürlich und nicht diejenigen, die vom radioaktiven Zerfall betroffen sind oder daraus resultieren) für die Elemente H, C, N, O und S, insbesondere aber Kohlenstoff, von Interesse. Die Verhältnisse sind verräterische Indikatoren dafür, wo und wie Kometen erzeugt werden. Bisher wurden spektroskopische Messungen von Kometen zur Bestimmung von Isotopenverhältnissen aus der Ferne durchgeführt, und die Genauigkeit war unzureichend, um eindeutige Schlussfolgerungen über den Ursprung von Kometen und die Verbindung von Kometen mit der Entstehung von Planeten und der Entwicklung des Sonnennebels zu ziehen Geburtsort unseres Planetensystems um die Sonne, unseren Stern. Ein weiterentwickelter Gasanalysator erwärmt eine Probe (~ 1000 ° C), um die Materialien in einen gasförmigen Zustand umzuwandeln, in dem ein Spektrometer Mengen sehr genau messen kann. Ein ähnliches Instrument, TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer), war ein Instrument auf dem Mars Phoenix Lander.
SESAM Experiment zur elektrischen Oberflächenbeschallung und akustischen ÜberwachungDieses Instrument umfasst drei einzigartige Detektoren. Der erste ist der SESAME / CASSE, der akustische Detektor. Jeder Landefuß von Philae hat akustische Sender und Empfänger. Jedes der Beine überträgt abwechselnd Schallwellen (100 Hertz bis KiloHertz) in den Kometen, den die Sensoren der anderen Beine messen. Wie diese Welle durch das Kometenmaterial, das sie durchläuft, abgeschwächt, dh geschwächt und transformiert wird, kann zusammen mit anderen Kometeneigenschaften, die mit Philae-Instrumenten gewonnen wurden, verwendet werden, um tägliche und saisonale Schwankungen der Kometenstruktur bis zu einer Tiefe von etwa 2 zu bestimmen Meter. In einem passiven (Hör-) Modus überwacht CASSE außerdem Schallwellen von Knarren und Stöhnen im Kometen, die möglicherweise durch Belastungen durch solare Heizung und Entlüftungsgase verursacht werden.
Als nächstes kommt der SESAME / PP-Detektor - die Permittivitätssonde. Die Permittivität ist das Maß für den Widerstand eines Materials gegen elektrische Felder. SESAME / PP liefert ein oszillierendes elektrisches Feld (Sinus) in den Kometen. Die Füße von Philae tragen die Empfänger - Elektroden und Wechselstrom-Sinusgeneratoren, um das elektrische Feld zu emittieren. Der Widerstand des Kometenmaterials bis zu einer Tiefe von etwa 2 Metern wird somit gemessen, was eine weitere wesentliche Eigenschaft des Kometen darstellt - die Permittivität.
Der dritte Detektor heißt SESAME / DIM. Dies ist der Kometenstaubzähler. Es wurden mehrere Referenzen verwendet, um diese Instrumentenbeschreibungen zusammenzustellen. Für dieses Instrument gibt es, wie ich es nennen würde, eine schöne Beschreibung, die ich hier einfach mit Bezug zitieren werde. „Der DIM-Würfel (Dust Impact Monitor) auf dem Lander-Balkon ist ein Staubsensor mit drei aktiven orthogonalen (50 × 16) mm-Piezosensoren. Aus der Messung der transienten Spitzenspannung und der halben Kontaktdauer können Geschwindigkeiten und Radien von aufprallenden Staubpartikeln berechnet werden. Es können Partikel mit Radien von ca. 0,5 µm bis 3 mm und Geschwindigkeiten von 0,025 bis 0,25 m / s gemessen werden. Wenn das Hintergrundrauschen sehr hoch ist oder die Rate und / oder die Amplituden des Burst-Signals zu hoch sind, schaltet das System automatisch in den sogenannten Average Continuous-Modus. es wird nur das durchschnittliche Signal erhalten, das ein Maß für den Staubfluss gibt. " [ref]
ROMAP Rosetta Lander Magnetometer und Plasma Der Detektor umfasst auch einen dritten Detektor, einen Drucksensor. Mehrere Raumschiffe sind von Kometen geflogen, und ein intrinsisches Magnetfeld, das vom Kern des Kometen (dem Hauptkörper) erzeugt wurde, wurde nie entdeckt. Wenn ein intrinsisches Magnetfeld vorhanden ist, ist es wahrscheinlich sehr schwach und eine Landung auf der Oberfläche wäre notwendig. Eine zu finden wäre außergewöhnlich und würde Theorien über Kometen auf den Kopf stellen. Tief und siehe da, Philae hat ein Fluxgate-Magnetometer.
Das uns umgebende Erdmagnetfeld (B) wird in Zehntausenden von Nano-Teslas (SI-Einheit, Milliardstel Tesla) gemessen. Jenseits des Erdfeldes sind die Planeten, Asteroiden und Kometen in das Magnetfeld der Sonne eingetaucht, das in der Nähe der Erde in einstelligen 5 bis 10 Nano-Tesla gemessen wird. Der Detektor von Philae hat eine Reichweite von +/- 2000 nanoTesla; Ein Bereich für alle Fälle, der von Fluxgates leicht angeboten wird. Es hat eine Empfindlichkeit von 1/100 eines NanoTesla. Also kamen ESA und Rosetta vorbereitet. Das Magnetometer kann ein sehr kleines Feld erkennen, wenn es dort ist. Betrachten wir nun den Plasmadetektor.
Ein Großteil der Dynamik des Universums besteht in der Wechselwirkung von plasmaionisierten Gasen (in denen im Allgemeinen ein oder mehrere Elektronen fehlen und somit eine positive elektrische Ladung tragen) mit Magnetfeldern. Kometen beinhalten auch solche Wechselwirkungen und Philae trägt einen Plasmadetektor, um die Energie, Dichte und Richtung von Elektronen und positiv geladenen Ionen zu messen. Aktive Kometen setzen im Wesentlichen ein neutrales Gas sowie kleine feste (Staub-) Partikel in den Weltraum frei. Die ultraviolette Strahlung der Sonne ionisiert das Kometengas des Kometenschwanzes teilweise, erzeugt also ein Plasma. In einiger Entfernung vom Kometenkern, je nachdem wie heiß und dicht das Plasma ist, besteht ein Abstand zwischen dem Magnetfeld der Sonne und dem Plasma des Schwanzes. Das B-Feld der Sonne hängt wie ein weißes Laken über einem Halloween-Trick-or-Treater, aber ohne Augenlöcher, um den Schwanz des Kometen.
An der Oberfläche des P67 messen der ROMAP / SPM-Detektor von Philae, elektrostatische Analysegeräte und ein Faraday-Cup-Sensor freie Elektronen und Ionen im nicht so leeren Raum. Ein "kaltes" Plasma umgibt den Kometen; SPM erfasst ionenkinetische Energie im Bereich von 40 bis 8000 Elektronenvolt (eV) und Elektronen von 0,35 eV bis 4200 eV. Last but not least enthält ROMAP einen Drucksensor, der einen sehr niedrigen Druck messen kann - ein Millionstel oder ein Milliardstel oder weniger als der Luftdruck, den wir auf der Erde genießen. Es wird ein Penning-Vakuummeter verwendet, der das hauptsächlich neutrale Gas in der Nähe der Oberfläche ionisiert und den erzeugten Strom misst.
Philae wird 10 Instrumentensuiten an die Oberfläche von 67P / Churyumov-Gerasimenko bringen, aber insgesamt repräsentieren die zehn 15 verschiedene Detektortypen. Einige sind voneinander abhängig, dh um bestimmte Eigenschaften abzuleiten, benötigt man mehrere Datensätze. Die Landung von Philae auf der Kometenoberfläche bietet die Möglichkeit, viele Eigenschaften eines Kometen zum ersten Mal und andere mit deutlich höherer Genauigkeit zu messen. Insgesamt werden die Wissenschaftler dem Verständnis der Ursprünge von Kometen und ihres Beitrags zur Evolution des Sonnensystems näher kommen.
