NASA-forskere ser asteroide gennem øjnene på en robot

Det er ingen nem opgave at hente en asteroideprøve. At udføre arbejdet med bind for øjnene er endnu mere udfordrende. Det er derfor, forskerne udstyrede OSIRIS-REx-rumfartøjet med et sæt øjne til at se det hele udfolde sig.

NASAs oprindelse, Spektral fortolkning, Ressourceidentifikation, Security-Regolith Explorer (OSIRIS-REx) lanceret 8. september, 2016, og rejser til en jordnær asteroide kendt som Bennu, at høste en prøve af overflademateriale, og returnere den til Jorden for at studere. En trio af kameraer vil fange det hele.

OSIRIS-REx kamerasuite, eller OCAMS, består af tre kameraer. PolyCam er et højopløsningskamera, der vil tage de første billeder af Bennu og udføre en indledende kortlægning af asteroiden. MapCam er et kamera med medium opløsning, der vil kortlægge asteroiden i farver og søge efter satellitter og støvfaner. SamCam vil dokumentere prøveudtagningsprocessen. Rumfartøjet vil gemme billederne taget af OCAMS og sende dem til OSIRIS-REx-teamet med få dages mellemrum.

Forskere designede kamerapakken til at være funktionelt redundant, hvilket betyder, at hvis et af kameraerne fejler under missionen, de to andre kameraer kan stå i.

"Når man har en kritisk mission som denne, du ønsker redundans, " sagde Christian d'Aubigny, OCAMS stedfortrædende instrumentforsker ved University of Arizona, Tucson. "Kameraerne har en vis mængde overlap i deres muligheder. De er ikke nøjagtige kopier af hinanden, men hvis man fejler, de kan stadig få arbejdet gjort."

Det første kamera, der så Bennu, hedder PolyCam. I lighed med en polymat – et menneske, der er dygtig til at gøre flere forskellige ting – kan PolyCam udføre en lang række optiske opgaver.

PolyCam har en fokusmekanisme, der gør det muligt at genfokusere fra uendeligt til omkring 500 fod (0,15 kilometer), som giver PolyCam muligheden for at skifte fra at detektere stjerner og asteroider langt væk til at løse små småsten på overfladen af ​​asteroiden.

PolyCam har bedre synsstyrke, eller skarphed i synet, end en ørn. Flere ørnearter kan se små genstande som byttedyr fra så langt som 2 miles væk. Men med sin høje opløsning, PolyCam kan tage billeder af objekter af samme størrelse på Bennu i en rækkevidde på omkring 30 til 60 miles (48,2 til 96,5 kilometer) for at bestemme dens form og finde ud af, hvordan forskerne kan manøvrere rumfartøjet rundt om asteroiden.

Når PolyCam udfører en indledende kortlægning af asteroiden, videnskabsmænd vil bruge kameraet til at identificere et sted, hvor rumfartøjet kan indsamle en prøve af Bennus overflade, der er så fri for farer som muligt, såsom kampesten og dramatiske skråninger.

"Allerede, omkring 2 miles (3,5 kilometer), vi opdeler overfladen af ​​asteroiden i 'go' og 'no go' steder, " sagde Bashar Rizk, OCAMS instrument videnskabsmand ved University of Arizona. "Hvis et sted er dækket af farer, vi vil bare ikke tage dertil, fordi vi ikke vil risikere at beskadige rumfartøjet."

Det andet kamera, der får et glimt af Bennu, hedder MapCam. Dette kamera har et bredere synsfelt end PolyCam og er udstyret med en række farvefiltre i filterhjulet for at hjælpe forskerne med at identificere steder på asteroiden, hvor specifikke mineraler af interesse kan være til stede, især dem, der engang kan have været i kontakt med flydende vand.

MapCam vil også lede efter satellitter og støvfaner, som kan udgøre en fare for rumfartøjet. Der er en række mistænkte mekanismer for fanedannelse, såsom sublimering, hvor et frosset stof overgår direkte til en gas uden først at passere gennem væskefasen, og elektromagnetisk levitation på grund af elektrisk opladning fra solvinden, når asteroiden kommer tættere på solen.

"Asteroider er udsat for meget solstråling, fordi de ikke har nogen atmosfære, " sagde Rizk. "De bliver bare nådesløst tortureret af solen, hver gang de går rundt om den."

På grund af mangel på vand på overfladen, forskerne forudsiger, at Bennus regolit - et lag af løst materiale, inklusive støv, jord og knust sten - er meget tør, ligner månens overflade. Overfladematerialet kan nemt klæbe til ting, øger risikoen for at kontaminere OSIRIS-REx rumfartøjet under prøvetagning.

Støvforurening er særligt bekymrende for rumfartøjets tredje kamera - SamCam. Dette kamera er en lav opløsning, vidvinkelkamera designet til at komme helt tæt på asteroiden for at dokumentere prøvetagningen. Når det er tid til at hente en prøve, SamCam skal være i stand til at bevare sin funktionalitet i op til tre forsøg.

For at bekæmpe denne potentielle trussel, holdet ved University of Arizona forsynede SamCam med flere kopier af det samme filter, som er placeret foran kameraoptikken for at fungere som et cover. Filtrene er med til at sikre, at kameraet har en støvfri, uhindret visning af prøvetagningshændelsen i tilfælde af, at prøvetagningen skal gentages.

Holdet skulle også redegøre for stråling fra gammastråler og røntgenstråler, når de designede OCAMS. Forskere anbragte kameraerne i en rustning lavet af massivt titanium og aluminium. Disse materialer kan blokere den stråling, OSIRIS-REx vil støde på under missionen. Linserne er lavet af materialer, såsom siliciumdioxid, som er strålingsbestandige, samt en række andre glastyper, der er infunderet med cerium, som forhindrer glasset i at blive uigennemsigtigt, når det udsættes for høje niveauer af stråling.

"Vi forsøgte at tænke på alt, hvad rumfartøjet kunne blive udsat for og redegøre for det, " sagde Rizk. "Det er en flertrinsproces af simuleringer, test og design for at sikre, at kameraerne fungerer korrekt, og at vi får de bedste billeder, vi kan."

Et samarbejdende team af ingeniører og forskere ved University of Arizonas Lunar and Planetary Laboratory og College of Optical Sciences og Utah State Universitys Space Dynamics Laboratory brugte fire et halvt år på at designe og bygge OCAMS.

"Til sidst, University of Arizona OCAMS-teamet gjorde et fremragende stykke arbejde med at designe, opbygning og test af kamerapakken, sagde Brent Bos, OSIRIS-REx optikdisciplin leder ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

OSIRIS-REx' øjne er en kritisk del af at hente en asteroideprøve, som vil hjælpe videnskabsmænd med at undersøge, hvordan planeter blev dannet, og hvordan livet begyndte, samt forbedre vores forståelse af asteroider, der kan påvirke Jorden.