Nailing it:Caltech-ingeniører hjælper med at vise, at InSight-landersonden kan hamre sig selv ned i marsjord

Den 26. november NASAs InSight-lander vil fuldføre sin seks og en halv måneds rejse til Mars, lander ved Elysium Planitia, en bred slette nær Mars ækvator, der er hjemsted for den næststørste vulkanske region på planeten.

der, NASA-forskere håber at "give den røde planet dens første grundige kontrol, siden den blev dannet for 4,5 milliarder år siden, " ifølge InSight-missionens hjemmeside. Tidligere missioner har undersøgt funktioner på overfladen, men mange signaturer af planetens dannelse – som kan give fingerpeg om, hvordan alle jordiske planeter blev dannet – kan kun findes ved at fornemme og studere dens "vitale tegn" langt under overfladen.

For at kontrollere disse vitale tegn, InSight kommer udstyret med to hovedinstrumentpakker:et seismometer til at studere, hvordan seismiske bølger (f.eks. fra marskælv og meteoritnedslag) rejser gennem planeten og en "muldvarp", der vil grave sig ned i jorden, at trække en tøjring med temperatursensorer bagved for at måle, hvordan temperaturen ændrer sig med dybden på planeten. Disse instrumenter vil fortælle videnskabsmænd om Mars' indre struktur (svarende til den måde en ultralyd lader læger "se" inde i en menneskekrop) og også om varmestrømmen fra planetens indre.

Ingeniører håber, at muldvarpen når en dybde på mellem tre og fem meter - langt nok nede til, at den vil blive isoleret fra temperaturudsvingene i dag og nat og Mars' årlige cyklus på overfladen ovenover. Målere lyder måske ikke af meget, men at grave så langt ved kun at bruge udstyr, der kan opsendes på et rumfartøj og kontrolleres fra 55 millioner miles væk, er en teknisk udfordring, som aldrig er blevet forsøgt før.

Ved hjælp af en glidende vægt inde i dens smalle krop, muldvarpen, som er 15,75 tommer (400 millimeter) lang og vejer kun 1,9 pund (860 gram), hamrer sig i jorden, 1 mm ad gangen, mens du trækker en tøjring, der er besat med 14 temperatursensorer langs dens længde. En traditionel boremaskine, der forsøger at udføre den samme opgave, skal være lige så lang som det hul, den forsøgte at bore - og ville have brug for en massiv støttestruktur. Skulle det hamre konstant, muldvarpen ville tage mellem et par timer til et par dage at nå sin endelige dybde, afhængig af jordens egenskaber. Imidlertid, muldvarpen stopper hver 50 centimeter for at måle jordens termiske ledningsevne, en proces, som kræver perioder med afkøling og opvarmning af flere dage. Med den ekstra tid, der er nødvendig for at vurdere fremskridt og sende nye kommandoer, muldvarpen kunne tage seks uger eller mere at nå sin endelige dybde.

Når sonden designes, ingeniører hos JPL, som Caltech administrerer for NASA, ønskede at være sikker på, at muldvarpen ville være i stand til at nå den nødvendige dybde, og så de kaldte på Caltechs José Andrade, George W. Housner professor i civil- og maskinteknik i afdelingen for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab og en ekspert i fysik af granulære materialer.

"For omkring fem år siden, når muldvarpen blev ved med at sidde fast under test, InSight-teamet samlede det, der kaldes et 'tigerhold' - en flok specialister fra forskellige områder, som er hentet ind for at hjælpe med at løse et problem, " siger Andrade. "Jeg blev kaldet til at tjene på dette tigerhold som ekspert i jordmekanik."

Fordi jord er et granulært materiale - et konglomerat af faste partikler, der hver især er større end en mikrometer - udviser det noget usædvanlige egenskaber. For eksempel, jord bestående af runde partikler vil let flyde, når partiklerne glider forbi hinanden, som sand i et timeglas. Men jord, der består af samme størrelser af partikler, men med mere takkede og kantede former, vil låse sammen som puslespilsbrikker og kan ikke flyde uden betydelig ydre kraft.

Granulære materialer kan beskrives som enkeltstående genstande, der vil deformeres baseret på deres kritiske tilstands plasticitet - en idealiseret model for, hvordan grupper af korn vil tvinge sig vej forbi hinanden, når stress påføres dem. Den plasticitet er styret af lufttrykket og tyngdekraften. Som sådan, det er svært i et laboratorium at simulere den kritiske tilstands plasticitet af et granulært materiale på Mars, som har en tredjedel af tyngdekraften og 0,6 procent af Jordens lufttryk ved havoverfladen.

"Vi blev ved med at forsøge at ekstrapolere, hvordan kritisk tilstands plasticitet ville oversætte til Mars, " siger Andrade. "Uden at vide det, vi kunne ikke effektivt modellere, hvor meget modstand InSights muldvarp ville møde, når de forsøgte at bore gennem Mars' jord, og om den kunne nå den ønskede dybde. Så, dette udløste et klart behov for mere forståelse."

For at hjælpe med at undersøge muldvarpens penetration i et granulært materiale, Andrade og InSight-teamet hyrede postdoc-forsker Ivan Vlahinic, som for nylig havde afsluttet en ph.d. ved Northwestern University. Vlahinic opstillede tests, hvor tidlige mock-ups af muldvarpen blev overvåget og matematisk analyseret, mens de arbejdede sig gennem en glaskolonne fyldt med sand.

Andrade, Vlahinic, og deres kolleger fandt ud af, at Mars' lavere overbelastningstryk, sammenlignet med Jorden, vil faktisk gøre det sværere for muldvarpen at trænge ind i Mars' jord. Overbelastningstryk er trykket på et lag af sten eller sand, der udøves af materialet, der er stablet over det. I enhver given dybde, overbelastningstrykket på Mars er en tredjedel af Jordens, svarende til den røde planets lavere tyngdekraft. For den samme pakningsfraktion - mængden af ​​plads fyldt med materiale - tillader det lave tryk granulære materialer at eksistere i en løsere tilstand, der faktisk øger antallet af individuelle kontakter, som hvert korn har med sine naboer, og dette øger materialets samlede modstand mod indtrængning.

Vlahinics forskning blev til sidst overtaget af Jason Marshall, som opnåede en ph.d. fra Carnegie Mellon University i 2014 og arbejdede som postdoc-forsker ved Caltech fra 2015 til 2018.

"Vi studerede ikke kun penetration, men også hvordan varmen bevæger sig gennem jorden, " siger Marshall. "En af de ting, som InSight søger at forstå, er, hvordan planetens temperatur ændrer sig med dybden. Det, vi fandt, er, at mens vi deformerer sandet, partiklerne bliver tydeligvis omarrangeret, og det kommer til at påvirke målingerne af termisk ledningsevne." Når granulære materialer deformeres, mængden af ​​mellemrum mellem de enkelte korn ændrer sig, justering af mængden af ​​rum, hvorigennem varme enten vil udstråle eller lede via planetens tynde atmosfære. Det øger også antallet af korn-til-korn-kontakter, da jorden pakkes tættere.

Med denne viden, Andrade var i stand til at udvikle nye computermodeller, der hjalp JPL-teamet med at forudsige muldvarpens effektivitet i Mars jord. Medmindre muldvarpen støder på en forhindring, han er overbevist om, at det vil lykkes.

"Testene viser, at denne ting kan gå meget dybere end to meter. En dealbreaker kan være en stor formation af sten, der blokerer for muldvarpens vej, men InSight-teamet til valg af landingssted har valgt en placering på Mars, der er så stenfri som muligt, " siger han. Desuden bevæbnet med Marshalls information om effekten af ​​partikelomlejring på termisk ledningsevne, InSight skal være i en god position til ikke kun at nå den ønskede dybde, men også sende nøjagtige oplysninger tilbage om temperaturen i den dybde, siger Andrade.

For nu, Andrade og hans tidligere postdocs kan kun se - og vente. "Vi har gjort alt, hvad vi kunne her på jorden. Nu er det op til InSight, " han siger.