5. 9.10.2015 Sari Halonen Aapo Lokka Joni Pulkkinen Ilmari Uotila
1 Summary in English SAM (Sample Analysis at Mars) is a series of instruments on the Curiosity rover. SAM analyses organic compounds and gases from both solid and atmosphere samples. SAM is looking for chemical compounds which include carbon, for example methane. Those compounds are connected to the possibility of life on Mars. SAM is also collecting information about how carbon compounds are formed and deformed in Martial atmosphere. SAM includes three instruments for measuring: mass spectrometer, gas chromatograph and tunable laser spectrometer. The chemical subjects required for life are being searched on Mars. The research should show if there has ever been life on Mars, and also if there could some day be. The mass spectrometer separates different particles and compounds by mass for identification and measurements. The gas chromatograph heats rock and soil samples to vaporize them and then separates the gases for analysis. The laser spectrometer measures the concentrations of methane, carbon dioxide and water vapor in Mars atmosphere.
2 Sisällysluettelo 1. Mars 1.1 Marsin geologiaa 1.2 Marsin ilmakehä 1.3 Marsin tutkimuksen historiaa 2. Curiosity 2.1 Instrumentit 2.2 Laskeutuminen 2.3 Liikkuminen, löydöt ja tiedon välitys 3. SAM 3.1 Kvadrupoli massaspektrometri (QMS) 3.2 Viritettävä laserspektrometri (TLS) 3.3 Kaasukromatografi (GC) 4. Tulevaisuus 4.1. Mars mönkijä 2020 5. Lähdeluettelo
3 1. Mars Mars on aurinkokuntamme neljäs planeetta Auringosta laskettuna. Se on nimetty roomalaisesta mytologiasta peräisin olevan sodanjumala Marsin mukaan. Se on maan naapuriplaneetta ja monella tavalla maan kaltainen ja siksi lähin vertailukohta planeetallemme. Mars kiertää aurinkoa noin 1,5 kertaa kauempana Auringosta kuin Maa, sijaiten sellaisella etäisyydellä Auringosta, että elämä voisi olla mahdollista sen pinnalla. Kuva 1. Mars
4 1.1 Marsin geologiaa Marsin läpimitta on 6752,4 kilometriä päiväntasaajan kohdalla, mikä on hieman yli puolet Maan läpimitasta. Sen massa on n. 0,1 Maan massaa. Marsin pinta on kivistä ja pölyistä erämaata. Sen punainen väritys johtuu kiviaineksen sisältämästä rautaoksidista. Sen pinnanmuodot ovat meteoriittikraatterien, laavatasankojen, repeämälaaksojen, sammuneiden tulivuorien ja kuivuneiden joenuomien värittämät. Joenuomat ovat kauanaikaa sitten planeetalla virranneen veden luomia. Planeetalta löytyy aurinkokunnan korkein vuori, Olympus Mons, joka on noin 20 kilometriä korkeampi kuin sen ympäröivä alue. 1.2 Marsin ilmakehä Marsin ilmakehä koostuu pääasiassa hiilidioksidista. Se on ohut ja sen paine on Marsin pinnalla 3 12 millibaaria riippuen vuodenajasta ja leveyspiiristä. Planeetan pinnalla vallitsee 50 celsiusasteen keskilämpötila. Marsin korkeimmat lämpötilat voivat olla positiivisia päiväntasaajan tienoilla, tosin vain muutaman tunnin ajan. Lämpötilan suuret vaihtelut johtuvat ohuesta ilmakehästä, jossa ei ole kunnollista kasvihuoneilmiötä. Lämpö pääsee tästä johtuen säteilemään avaruuteen planeetan pinnalta. Marsin ilmakehän hiilidioksidi härmistyy talvisin planeetan napa alueille hiilidioksidijääksi ja sublimoituu keväisin takaisin kaasuksi. Tämä tapahtumaketju siirtää noin kolmasosan Marsin ilmakehän kaasun massasta edestakaisin napojen välillä. Ilmiö saa aikaan voimakkaita tuulia varsinkin jäätiköiden läheisyydessä ja muovaa Marsin planetaarisia tuulia.
5 1.3 Marsin tutkimuksen historiaa Marsin tutkimus alkoi jo 1000 vuosituhannella eaa, kun Egyptiläiset astronomit alkoivat kirjaamaan havaintojaan Marsista ylös. Kiinalaiset astronomit kirjasivat ylös Marsin liikkeitä Zhou dynastian aikaan 1045 eaa lähtien. Babylonialaiset astronomit kehittivät aritmeettisia tekniikoita, joilla voitiin ennustaa Marsin sijainti tulevaisuudessa. Nämä olivat ensimmäisiä täsmällisiä ennustuksia planeetan liikkeestä. Hellenistiset astronomit ja Kreikkalaiset filosofit kehittivät maakeskeisen mallinnuksen planeetan liikkeistä. Intialaiset astronomit arvioivat Marsin koon ja etäisyyden Maasta. Nikolaus Kopernikus ehdotti 1500 luvulla mallia aurinkokunnasta, jossa planeetat kiertävät Aurinkoa ympyräradalla, koskien myös käsitystä Marsin liikkeestä. Johannes Kepler päivitti tämän käsityksen ehdottaen Marsille ellpitistä kiertorataa, jota havainnot sen liikkeestä tukivat paremmin. Galileo Galilei oli vuonna 1610 ensimmäinen Marsia teleskoopilla tutkinut henkilö. Kymmenen seuraavan vuoden aikana astronomit havaitsivat Marsin eri tavalla aurinkoa heijastavat pinnan piirteet. Tästä pystyttiin päättelemään planeetan kallistuskulma ja kierrosaika. 1800 luvulla kehitetyt paremmat teleskoopit mahdollistivat näiden piirteiden entistä tarkemman kartoituksen. Ensimmäinen karkea kartta julkaistiin vuonna 1840. Parempia, tarkempia karttoja, on julkaistu vuodesta 1877 lähtien. Yleinen ja popularisoitunut idea, että Marsissa olisi elämää sai alkunsa, kun astronomit ajattelivat virheellisesti havainneensa veden spektroskooppisen jäljen Marsin ilmakehässä. Yhdysvaltalainen astronomi Percival Lowell luuli nähneensä keinotekoisia kanavia planeetan pinnalla.
6 Tämä oli todistetusti optinen harha. Myöhemmin havaittiin myös, että Marsin ilmakehä on liian ohut, jotta se voisi ylläpitää Maan kaltaisia olosuhteita. Kuva 2. Curiosity:llä otettu panoraamakuva marsin pinnasta
7 2. Curiosity 2.1 Instrumentit RAD/Radioation Assessment Detector Mittaa ihmiselämälle haitallisen säteilyn määrää kierrättämällä ilmassa olevia partikkeleita mittauslaitteistonsa läpi. Mastercam Camera Ottaa korkeasoluutioisia väri ja mustavalkokuvia, sekä 10 fps HD videota Marsin pinnalta ja kykenee muodostamaan kuvista panoraamakuvia. Kykenee tallentamaan tuhansia kuvia ja tunneittain videota lähetättäväksi maahan pakatussa muodossa. MEDLI/MSL Entry, Descent and Landing Instrumentation Laskeutumiseen liittyvien tietojen mittaamiseen tarkoitettu ryhmä sensoreita, joka kerää tietoja lämpötilasta ja paineesta. Mittaa myös lämpösuojan palamiseen liittyviä arvoja. ChemCam Analyysilaaseri, joka mittaa haihtuvien materiaalien rakenteita. Laitteen spektografi mittaa plasmaa, jota saadaan laseroimalla maaperää ja sen jälkeen analysoi sen geologista rakennetta. Saatuja tietoja ovat esimerkiksi ihmiselle haitallisten aineiden pitoisuudet ja mahdollisen veden/jään määrä. Laser pystyy myös poistamaan pölyä, mikä mahdollistaa parempien valokuvien ottamisen. MAHLI/Mars Hand Lens Imager Tarkoitettu lähi ja pintakuvien ottamiseen Marsin pinnalta löydetyistä materiaaleista. Pienimmillään kuvien koko voi olla 12.5 mikrometriä, mikä on ihmisen hiuksen paksuutta pienempi mitta. Voi käyttää kuvien valaisemiseen
8 valkoista valoat sekä ultraviolettivaloa. Ultraviolettivaloa voidaan käyttää myös ChemCamin laserin tavoin. REMS/The Rover Environmental Monitoring Station Lähettää tiedemiehille tietoja ilmakehän paineesta, kosteudesta, UV säteilystä, tuulen nopeudesta ja suunnasta, ilman lämpötilasta ja maan lämpötilasta päivittäisinä ja kausittaisina raportteina. APSX/Alpha Particle X Ray Spectrometer Analysoi mistä elementeistä kivestä tai maaperästä otetut näytteet koostuvat. Laite ampuu alfahiukkasia näytteeseen ja muodostuneet röntgensäteet virittävät atomeja. Sensorit mittaavat tästä vapautuneen energian, josta laite laskee aineen koostumuksen. CheMin/Chemistry and Mineralogy X Ray Diffraction Instrument Etsii mineraaleja, joiden avulla voidaan selvittää Marsin historiaa. Voi esimerkiksi etsiä mineraaleja, jotka voisivat osoittaa laavan virranneen jollain tietyllä alueella. DAN/Dynamic Albedo of Neutrons Kykenee havaitsemaan maaperästä vettä, jonka osuus on kymmenesosa prosentista. DAN ampuu neutroneita Marsin pintaan ja laskee niiden nopeuden perusteella veden esiintymismahdollisuutta, sillä vedessä ja jäässä olevat vetyatomit hidastavat neutroneita.
9 Kuva 3. Curiosity mönkijän instrumentit 2.2 Laskeutuminen Curiosityn matka Marsiin alkoi marraskuun 26. päivänä vuonna 2011 ja se koostui monista vaiheista. Kun Curiosityä kuljettava alus oli laukaistu avaruuteen, alkoi kuukausia kestävä matka avaruuden halki kunnes lähestymisvaiheen aikana, 45 päivää ennen Marsin ilmakehään saapumista, insinöörit aloittivat valmistelut. Laskeutuminen koostui kolmesta osasta; saapumisesta Marsin ilmakehään, laskeutumisesta ja pintakosketuksesta. Alus saavutti Marsin ilmakehän noin 125 kilometrin korkeudessa planeetan pinnasta. Laskeutumisessa hyödynnettiin NASAn vanhoista operaatioista tuttua mutta sen lisäksi myös uudenlaista teknologiaa.
10 Curiosityä ei laskettu perinteisten ilmatyynyjen avulla Marsin pinnalle, sillä 900 kiloa painava mönkijä ei olisi selvinnyt vahingoittumatta laskeutumisesta. Laskeutumisessa käytettiin apuna raketteja, jotka vakauttivat laskeutumiseen käytettävän laitteiston sen jälkeen, kun laskuvarjo oli hidastanut putoamisnopeutta. Curiosity laskettiin suoraan renkailleen Marsin pinnalle 5. elokuuta 2012, josta se oli valmis lähtemään heti keräämään näytteitä planeetan pinnalta. Curiosityn laskeutumispaikka oli etukäteen suunniteltu ellipsin muotoiselle alueelle, jonka mitat olivat 20 ja 7 kilometriä. Se oli pienempi kuin yksikään suunniteltu laskeutumispaikka aiemmille NASAn operaatioille Marsissa. Curiosity laskeutui alle 2,4 kilometriä suunnitellun ellipsin muotoisen laskeutumispaikan keskustasta. 2.3 Liikkuminen, löydöt ja tiedon välitys Liikkuminen Curiosityllä on kuusi rengasta, joilla jokaisella on erillinen moottorinsa. Kahdella etummaisella ja takimmaisella renkaalla on myöskin jokaisella oma ohjaamiseen tarkoitettu moottorinsa. Nämä sallivat mönkijän kääntyä täyden 360 asteen käännöksen paikallaan, väistää, kaartua sekä tehdä kaarimaisia käännöksiä. Energiansa liikkumiseen sekä instrumenttiensa käyttämiseen mönkijä saa mukanaan kantamastaan laitteesta, joka tuottaa sähköä lämmöstä, jota plutoniumin radioaktiivinen hajoaminen tuottaa. Tämä takaa mönkijälle vähintääkin yhden Marsin vuoden ajaksi energiaa, mikä vastaa 687 Maan vuorokautta.
11 Löydöt Yksi merkittävimmistä löydöistä jonka Curiosity on tutkiessaan Marsia tehnyt on muinainen joenuoma, jossa vesi on joskus virrannut noin polvensyvyisenä. Tästä voi olettaa, että Mars on saattanut olla asutettavissa oleva planeetta miljardeja vuosia sitten, sillä elämä Maassa menestyy lähes kaikkialla, missä on saatavilla nestemäistä vettä. Curiosity on löytänyt myös joitain elämän kannalta avainasemassa olevia aineita poraamastaan maa aineksesta; rikkiä, typpeä, vetyä, happea, fosforia ja hiiltä. Hienorakeinen kivi sisälsi myös savi mineraaleja, jotka viittaisivat vesiperäiseen ympäristöön, kenties järveen, joka on ollut neutraali ph arvoltaan. Lisäksi Curiosity on hankkinut paljon tietoja Marsin maaperästä, ilmakehästä, säteilyarvoista ja ylipäätään Marsin elinkelpoisuudesta. Tiedon välitys Curiosityllä on kolme antennia, jotka toimivat sen lähettiminä sekä vastaanottimina ja ne sijaitsevat mänkijän varustuksen kannella. Useammat antennit takaavat varavaihtoehdon mikäli tarve ilmenee. Useimmiten Curiosity lähettää radioaaltoja erittäin korkean taajuuden antennillaan (noin 400 megahertsiä) kommunikoidakseen NASAn Mars Odyssey ja Mars reconnaissance luotainten avulla. Luotainten avulla tiedon lähettäminen on maahan paljon nopeampaa, kuin mönkijästä suoraan tiedon lähettäminen. Lisäksi luotaimillä on näköyhteys Maahan pidempään kuin Curiosityllä Marsin pinnalla. Maassa Curiosityltä saatava tieto otetaan vastaan NASAn Deep Space Network antenneilla, jotka muodostavat kansainvälisen antenniverkon. Ne huolehtivat
12 Maassa olevien tiedemiesten ja insinöörien kommunikaatioväylästä tehtäviin avaruudessa ja Marsissa. Verkkoon kuuluu kolme kommunikaatiolaitosta, jotka on sijoitettu noin 120 asteen päähän toisistaan ympäri planeetan; yksi sijaitsee Kaliforniassa Mojaven aavikolla, Espanjassa lähellä Madridia ja Australiassa lähellä Canberraa. Laitosten sijoittaminen tasaisesti planeetan ympärille takaa jatkuvan kommunikaation avaruudessa olevan laitteiston kanssa, kun Maa pyörii oman akselinsa ympäri. Kuva 4. Curiosity kerää näytteitä Kuva 5. Porausreikä, josta näytteet otettu
13 3. SAM SAM (Sample Analysis at Mars) on massa ja laserspektromertistä sekä kaasukromatografiasta koostuva työkalusarja Marsia tutkivassa Curiosity mönkijässä. SAM analysoi orgaanisia yhdisteitä ja kaasuja sekä kiinteistä maaperän näytteistä että ilmakehästä. Ympäri maailmaa eri tieteellisissä laboratoriossa valmistettuja kemiallisia välineitä kuuluu SAM:iin. Se kattaakin yli puolet mönkijän tieteellisestä hyötykuormasta. SAM etsii kemiallisia yhdisteitä joissa on alkuaine hiiltä, kuten metaania. Laitteisto voi havaita myös esimerkiksi vettä ja klooriyhdisteitä.. Kyseiset yhdisteet liittyvät elämän mahdollisuuksiin Marsissa. Laitteisto tutkii myös kuinka hiiliyhdisteet syntyvät sekä hajoavat Marsin ilmakehässä. SAM sisältää kolme mittauslaitetta: massaspektrometrin, kaasukromatografin ja viritettävän laserspektrometrin. SAM etsii ja tutkii myös muita kevyitä, elämälle välttämättömiä, alkuaineita kuten vetyä, happea ja typpeä, sekä niiden runsautta maan pinta aineksessa ja ilmakehässä. (Elämälle välttämättömien kemiallisten aineiden runsautta tutkitaan Marsissa, jotta saataisiin selville onko Marsissa ollut tai voisiko sinne joskus syntyä elämää.)
14 3.1 Kvadrupoli massaspektrometri (QMS) Massaspektrometriä käytetään erottamaan eri massan omaavia varattuja hiukkasia toisistaan. Laitteella saadaan erotettua eri alkuaineiden lisäksi saman alkuaineen eri isotooppeja ja niiden runsautta näytteessä. Massaspektrometrin toiminta perustuu siihen, että ionien radat sähkö ja magneettikentässä riippuvat ionien varauksesta ja massasta. Ionit ohjataan kiihdyttävään sähkökenttään, jossa ne saavat massasta ja varauksesta riippuvan nopeuden. Kiihdytyksen jälkeen ionit tulevat magneettikenttään, jossa ne kaartuvat puoliympyrän muotoisia ratoja eri säteillä, riippuen niiden massasta, varauksesta, nopeudesta sekä magneettivuon tiheydestä. Puoliympyrän kuljettua ionit osuvat tietokoneeseen kytkettyyn ilmaisimeen, josta havaitaan niiden kulkemat säteet ja voidaan tunnistaa eri alkuaineet ja niiden eri isotoopit. Marsissa massaspektrometrillä mitataan sekä maasta että sen ilmakehästä eri alkuaineita sekä niiden isotooppeja. 3.2 Viritettävä laserspektrometri (TLS) Marsin tiedelaboratorio (MSL) arvioi onko Marsissa ikinä ollut tai onko vielä tälläkin hetkellä mahdollinen ympäristö mikrobeille. TLS tekemät mittaukset metaanista ja hiilidioksidista tuovat ainutlaatuista ja välttämätöntä tietoa tähän kysymykseen. Laite pystyy tekemään erittäin tarkkoja mittauksia metaanin ja sen eri isotooppien runsaudesta.
15 Marsin ilmakehän evoluution tutkiminen riippuu erittäin tarkoista aineiden runsauksien mittauksista sekä isotooppien suhteista ilmakehän kaasuissa. Mittaamalla valon absorboitumista tietyillä aallonpituuksilla, TLS mittaa metaanin, hiilidioksidin ja vesihöyryn konsentraatioita Marsin ilmakehässä. Laite sisältää kammion nimeltä Herriottin solu (Herriott cell), jossa tarkasti tietylle aaltopituudelle viritetty lasersäde heijastetaan kahden peilin väliin heijastumaan edestakaisin. Lasersäde heijastuu peileistä yhteensä 81 kertaa ja kulkee 16.8 metrin matkan. Peilien välissä on analysoitavana olevaa kaasua, jonka absorboitumista on huomattavasti helpompi ja tarkempi mitata Herriottin solussa kuin vapaassa ympäristössä. Eri molekyylit absorboivat eri aallonpituuksia, minkä seurauksena eri hiukkaset voidaan tunnistaa. 3.3 Kaasukromatografi (GC) Kaasukromatografi erottelee haihtuvia yhdisteitä toisistaan. Kaasukromatografiassa erottuminen perustuu aineen jakaantumiseen kaasumaisen olomuodon, kantajakaasun ja paikallaan pysyvän olomuodon eli kiinteän faasin välillä. Erottelun jälkeen haihtuneet kaasut voidaan tunnistaa. Erottuminen tapahtuu lämpötilakontrolloidussa uunissa olevassa ohuessa putkessa, kolonnissa, jonka sisällä paikallaan pysyvä faasi eli stationäärifaasi on. Eri yhdisteet reagoivat eritavalla eri stationäärifaaseihin, minkä seurauksena ne kulkevat eri nopeuksilla kolonnin läpi. Näin yhdisteet erottuvat toisistaan ja kukin yhdiste voidaan tunnistaa ja sen pitoisuus määrittää. Näytteet tunnistetaan ajasta, joka niillä kuluu kulkiessa koko laitteen läpi. Kulunutta aikaa kutsutaan retentioajaksi, joka on jokaiselle yhdisteelle ominainen. Curiosityssä kaasukromatografiin kerätään näytteitä maaperästä, minkä jälkeen näytteet höyrystetään ja kaasut erotellaan analysointia varten.
16 Kuva 6. Curiosity:ssä oleva SAM instrumentti ja sen osat Kuva 7. SAM:lla saatuja tuloksia
17 4. Tulevaisuus 4.1. Mars mönkijä 2020 Curiosityn yli 800 päivää kestänyt Mars missio on kuluttanut mönkijää. Se on peittynyt pölystä ja hiekasta, ja sen renkaisiin on tullut lommoja ja reikiä. NASA on julkistanut uuden robottikulkijan, jonka on lähdössä Marsiin vuonna 2020. Kulkija vie mukanaan esimerkiksi pienen laitteen, joka testaa, voidaanko planeetan kaasukehän hiilidioksidia muuntaa hapeksi, sillä lähes 96 prosenttia Marsin kaasukehästä koostuu nimittäin hiilidioksidista. Jos koe onnistuu, Nasa voi perustaa happitehtaan, joka voi tuottaa tulevaisuuden Mars lentojen miehistön tarvitseman hapen. Uusi kulkija muistuttaa nykyistä Curiosity mönkijää, mutta se on painoltaan vain suunnilleen puolet siitä ja se pystyy varastoimaan jopa 30 näytettä Marsista. Edeltäjänsä tavoin sen on tarkoitus raivata tietä miehitetyille Mars lennoille. Uuteen mars mönkijään tulevia varusteita: MOXIE, tarkoituksena testata voidaanko planeetan kaasukehän hiilidioksidia muuntaa hapeksi. Lasertykki, muuttaa kiven kaasuksi. Mastossa oleva laite ampuu lasersäteen, joka muuttaa osan kiveä ionisoituneeksi kaasuksi. Sitten spektrometri määrittää kaasun säteilemästä valosta kiven koostumuksen.tuo enemmän tehoa ja tarkkuutta vanhaan verrattuna.
18 Maatutka, etsii vettä. Pinnan alle näkevä tutka kartoittaa 5 20 senttimetrin kokoiset kohteet ja muodot maaperässä 500 metrin syvyyteen asti. Se voi löytää muun muassa mahdolliset vesiesiintymät. Uutuutena entistä tarkempi kuva. UV spektrometri, etsii elämän jälkiä. Spektrometri selvittää ultraviolettivaloa ampuvan laserin avulla maaperän koostumuksen. Näin saadaan selville muun muassa, onko maaperässä orgaanisia yhdisteitä. Mittauslaite on kokonaan uusi. Röntgenspektrometri, analysoi alkuaineita. Robottikäsivarteen kiinnitetty spektrometri tutkii maaperää röntgensäteillä. Röntgentutkimus selvittää, mistä alkuaineista maaperä koostuu. Uutuutena se, että löytää mikrobien jäljet. Kuva 8. Suunnitelma uudesta mars mönkijästä
19 5. Lähdeluettelo ( http://ssed.gsfc.nasa.gov/sam/adventure/ ) http://mars.nasa.gov/msl/mission/mars rover curiosity mission updates/ https://en.m.wikipedia.org/wiki/sample_analysis_at_mars http://mars.nasa.gov/msl/mission/instruments/spectrometers/sam/ http://ssed.gsfc.nasa.gov/sam/ http://www.space.com/16902 mars rover curiosity life building blocks.html http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2009/pdf/1088.pdf http://www.miklu.fi/tiedekoulu/latmos2014/tutkielmat_files/sam2014.pdf https://www.nasa.gov/mission_pages/mars/missions/index.html http://ilmatieteenlaitos.fi/mars http://www.mars one.com/ http://www.universetoday.com/22580/why is mars red/ https://en.wikipedia.org/wiki/history_of_mars_observation http://www.popsci.com/technology/article/2012 07/tools mars rover curiosity will use unco ver history water and life?image=3 http://www.space.com/20396 mars rover curiosity big discoveries.html http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2013 205