Medusa
Il progetto MEDUSA prevede lo sviluppo di uno strumento per la misura diretta e in situ delle proprietà del vapor acqueo e della polvere sospesa nella bassa atmosfera di Marte. Lo strumento è stato disegnato per essere inserito nel carico scientifico di un lander o un rover di una missione spaziale verso Marte. Attualmente ha superato diverse selezioni per essere inserito a bordo della prossima missione ESA ExoMars, programmata per il 2013.
Lo studio della bassa atmosfera
La polvere
La presenza della polvere incide notevolmente sul clima del pianeta ed ha probabilmente rivestito un ruolo chiave nella sua evoluzione. La sua abbondanza e la sua distribuzione influenzano la struttura termica e la circolazione atmosferica su scale di tempi giornaliere, stagionali ed annuali. In particolare la polvere influenza il comportamento termico della troposfera (che si estende fino a circa 45 km dal suolo) attraverso l’assorbimento e lo scattering della radiazione solare e riduce le escursioni termiche diurne incrementando l’inerzia termica. Il ciclo della polvere è anche fortemente correlato alle variazioni stagionali dell’anidride carbonica (componente principale dell’atmosfera Marziana) e del vapor acqueo.
Quindi, la conoscenza delle caratteristiche della polvere atmosferica Marziana e dei meccanismi attraverso i quali la polvere precipita o entra in sospensione è importante per lo studio dell’evoluzione del clima e della superficie di Marte.
Inoltre, il ruolo della polvere su Marte (e nell’atmosfera, in particolare) deve anche essere considerato da un altro punto di vista. La polvere può interferire drammaticamente con ogni strumento/sistema rilasciato sulla superficie di Marte per attività in situ. La polvere può infatti ridurre l’efficienza dei pannelli solari depositandosi sulle celle solari ed interferire con il funzionamento di bracci meccanici, elementi ottici, ecc. Inoltre, in prospettiva di future missioni spaziali che prevedono la presenza dell’uomo su Marte, è di notevole importanza valutare il fattore di rischio legato alla presenza di polvere in prossimità della superficie del pianeta.
Valutare quindi l’abbondanza, la distribuzione dimensionale e le proprietà elettriche della polvere in differenti condizioni atmosferiche risulta essenziale per valutare le condizioni di rischio per le missioni spaziali future verso la superficie di Marte.
Ad oggi, le informazioni in nostro possesso sulla distribuzione dimensionale delle polveri marziane sono state ottenute essenzialmente attraverso misure di scattering della radiazione solare. Tuttavia tali risultati sono soggetti a diverse fonti di errore: ad esempio la presenza variabile di nebbia a bassa quota o della foschia a quote più elevate (Pollack et al., 1977; Colburn et al., 1989; Leovy et al., 1972; Anderson and Leovy 1978; Jaquin et al., 1986; Kahn, 1990). Inoltre, le misure di telerilevamento effettuate in diverse parti dello spettro sono sensibili a diversi intervalli dimensionali delle particelle e campionano a differenti profondità dell’atmosfera, anche per i geometrie di osservazione simili e condizioni climatiche costanti.
Risulta quindi evidente che solo attraverso misure dirette e in situ è possibile compiere un salto di qualità nella misura della distribuzione dimensionale e dell’abbondanza della polvere sospesa.
Il vapor acqueo
Nonostante il vapor acqueo sia un costituente minore dell’atmosfera (circa 0.03% in volume) il suo ruolo è di fondamentale importanza principalmente per due aspetti:
- come indicatore di variazioni climatiche stagionali.
- in relazione all’esistenza di possibili forme di vita su Marte.
Le variazioni stagionali nell’abbondanza di vapor acqueo sono dovute all’effetto congiunto dello scambio di H2O tra atmosfera e sorgenti d’acqua superficiali (calotte polari, regolite) ed il trasporto in atmosfera.
La misura diretta e in situ dell’abbondanza del vapor acqueo in prossimità della superficie è essenziale sia per indagare i cambiamenti climatici stagionali che per sondare l’esistenza di un possibile humus favorevole all’esistenza della vita.
Lo strumento MEDUSA
MEDUSA è uno strumento multisensore e multistadio per la caratterizzazione dell’ambiente di polvere e vapore acqueo in prossimità della superficie di Marte, l’obiettivo delle misure in situ interessa le seguenti quantità fisiche:
Distribuzione dimensionale delle particelle di polvere atmosferica;
- Densità numerica delle particelle in funzione della dimensione;
- Tasso di deposizione della polvere;
- Proprietà elettriche della polvere;
- Abbondanza del vapore acqueo nell’atmosfera;
- Evoluzione temporale delle quantità precedenti, in funzione delle variazioni a lungo termine (stagioni) e a breve termine /eventi locali (ad esempio vento, tempeste di polvere).
Lo strumento è un collettore di polvere con stadi separati per il monitoraggio del vapor acqueo e per la misura della deposizione e dell’elettrificazione della polvere. L’esperimento è costituito da uno Stadio Ottico (OS), posizionato subito al di sotto dell’ugello di ingresso dello strumento e da uno stadio collettore di polvere basato su una microbilancia (MBd). Una pompa, disposta all’estremità della catena di acquisizione, garantisce il flusso di polvere e gas attraverso il sistema. Questa configurazione permette un’ottima copertura in sensibilità, permettendo la misura delle dimensioni di grani di polvere che spazia su più di 3 ordini di grandezza.
Una microbilancia separata, equipaggiata con un dispositivo Peltier per il raffreddamento e la stabilizzazione termica, è esposta all’atmosfera per condensare il vapore acqueo atmosferico (MBwv). Un altro stadio separato include 6 laser e superfici caricabili elettricamente per la misura della deposizione nel tempo e dell’elettrificazione delle particelle di polvere (DDES = Dust Deposition and Electrification Stage).
Il sistema ottico
I grani di polvere in arrivo dall’atmosfera sono illuminati da un fascio laser: parte della radiazione è assorbita, parte ritrasmessa e parte diffusa. La diffusione e l’assorbimento della luce da parte delle particelle danno informazioni sulla concentrazione, la distribuzione dimensionale e la composizione dell’Aerosol.
Caratteristiche OS:
- Primo strumento di misurazione lungo il percorso delle particelle (non influenza le proprietà della polvere)
- Sensibilità fino a 0.2 micron
- Misurazione della velocità
- Indicazione sulle proprietà ottiche (mineralogia)
Lo stadio collettore di polvere
E’ costituito da una microbilancia al quarzo (MB) che si basano su trasduttori piezoelettrici, la cui frequenza è proporzionale alla massa depositata sul sensore. Tale sensore permette quindi la misura della massa della polvere che si accumula su di esso nel tempo.
Stadio di rivelazione vapor d’acqua
Anche questo stadio è costitutito da una microbilancia. Questa è equipaggiata con un dispositivo Peltier che ne permette il raffreddamento e il riscaldamento in maniera controllata. Tale dispositivo misura la massa di vapor acqueo depositato sul sensore. La misura viene eseguita raffreddando il cristallo sotto il punto di gelo e monitorando la curva di deposizione. Il segnale di condensazione associato ad una certa temperatura del cristallo, permette di ottenere il valore della pressione parziale di vapore atmosferico e l’umidità relativa al momento della misura.
- Il vapor d’acqua è rilevabile fino ad una concentrazione di 10 parti per miliardo ad una pressione atmosferica di 6.1 mbar.
- La velocità di deposizione (evaporazione) dipende dalla temperatura operativa al di sotto (al di sopra) del punto di congelamento.
- Le microbilance possono anche misurare la deposizione (evaporazione) naturale del vapore atmosferico senza utilizzare un controllo in temperatura.
Lo stadio per la misura della deposizione e dell’elettrificazione della polvere
Sviluppato al Mars Simulation Laboratry presso l’Università di Aarhus in Danimarca, è costituito da un accumulatore di polvere, in grado di misurare anche l’elettrificazione dei grani depositati, e da un anemometro laser.
Il tasso di deposizione della polvere viene misurato a partire dalla radiazione diffusa dalla polvere accumulata su una superficie trasparente. Applicando, successivamente, un campo elettrico a tale superficie, si misura l’elettrificazione delle particelle a partire dall’osservazione dell’aumento o riduzione delle particelle depositate.
La misura della velocità e della direzione del vento viene poi misurata a partire dalla misura della velocità dei grani di polvere sospesi in atmosfera e intercettati attraverso la radiazione laser da essi diffusa.
Ricerca
Le tecnologie dei singoli sottosensori sono state adoperate con successo per lo strumento GIADA sulla missione spaziale Rosetta per lo studio della cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Lo studio per l’adattamento al nuovo ambiente ed alle differenti proprietà fisico/dinamiche dei grani marziani è stato finanziato da ESA. Il progetto MEDUSA ha partecipato con successo all’Announcement for Opportunity ESA (AO4141) ed è stato presentato al centro ESA ESTEC (Noordwijk, Olanda) nei giorni 10-12 Dicembre 2002. In seguito è stato firmato un contratto ESA No.16205/02/NL/LVH per lo studio di fattibilità. MEDUSA è stato proposto come payload del rover Pasteur o del pacchetto geofisico (GEP) all’interno della futura missione ExoMars di ESA.
Il contratto ESA (scadenza Marzo 2007) ha avuto come obiettivo finale la progettazione, l’assemblaggio, il controllo via S/W e i test di un prototipo dello strumento MEDUSA. Il prototipo è stato completato e testato con successo ed è attualmente ubicato nei laboratori dell’INAF-OAC.
E’ attualmente in corso uno studio di ottimizzazione delle prestazioni dello strumento che condurrà ad una configurazione finale da volo.
