Hvorfor det er sværere at øse en asteroideprøve, end det ser ud

Når NASAs OSIRIS-REx-rumfartøj stiger ned mod Bennus overflade den 20. oktober, det vil være første gang, at en amerikansk ledet mission forsøger at samle en prøve af uberørt materiale fra en asteroide. Bennu er sandsynligvis en udenjordisk ophobning af de oprindelige rester fra dannelsen af ​​vores solsystem.

Den University of Arizona-ledede mission for at prøve en asteroide mange millioner kilometer fra Jorden er alt andet end en gåtur på stranden. Faktisk, Bennu "er ikke nær den sandstrand, vi håbede og forventede, " sagde Thomas Zurbuchen, associeret administrator for Science Mission Directorate hos NASA, under en mediebegivenhed den 24. september. Da rumfartøjet rykkede tættere på og begyndte at sende de første detaljerede billeder tilbage af Bennus overflade, det overraskede både missionsholdet og offentligheden ved at afsløre en stenet overflade fyldt med kampesten i husstørrelse.

Siden ankomsten den 3. dec. 2018, OSIRIS-REx rumfartøjet har brugt sin tid på at flyve rundt om asteroiden under scanning, fotografering, måle og studere mørket, stenet murbrokker nedenunder - først på afstand, så tæt på. Ved hjælp af dets laserhøjdemålerinstrument, eller OLA, kombineret med data fra billeder taget med rumfartøjets PolyCam-instrument, missionen har produceret kort med hidtil usete detaljer, bedre end dem af nogen planetarisk krop besøgt af rumfartøjer. Missionens primære eksempelsted, som sidder inde i et krater kaldet Nightingale, blev valgt ud fra disse kort.

"Vi valgte Nightingale fordi, langtfra, det har det mest finkornede materiale af alle de fire prøvesitekandidater, " sagde Dante Lauretta, missionens hovedefterforsker og professor ved UArizona Lunar and Planetary Laboratory, under pressebegivenheden. "Vi brugte begyndelsen af ​​2020 på at lave rekognosceringspas i lav højde over dette sted, i sidste ende billeddannelse ved omkring en ottendedel af en tomme pr. pixel. Vi har dybest set utroligt detaljerede billeder, der dækker hele krateret, og vi talte alle de sten."

Kort før kl. 11 Arizona tid den 20. okt. thrustere på rumfartøjet vil skyde og forsigtigt skubbe OSIRIS-REx ud af sin bane omkring Bennu og styre den ned mod den robuste overflade. Denne forbrænding vil sætte gang i en sekvens af begivenheder, som er blevet nøje planlagt af missionsholdet.

Hvad sker der, hvis alt går som planlagt? Og hvis det ikke gør?

Når rumfartøjet er startet på nedstigningen til sit mål, det vil stole på, hvad missionsholdet kalder et "farekort" - en detaljeret repræsentation af områder inden for prøvestedet, der kan udgøre en risiko for rumfartøjet på grund af tilstedeværelsen af ​​store sten eller ujævnt terræn.

Lige før du rører ved overfladen, rumfartøjet vil sammenligne billeder fra et af dets kameraer med farekortet, der er gemt i rumfartøjets hukommelse. Hvis nedstigningsstien ville resultere i, at rumfartøjet rører ned på et potentielt usikkert sted, systemet ville automatisk få rumfartøjet til at bakke væk, et scenario, der har en sandsynlighed på mindre end 6 % baseret på simuleringer.

Hvis alt går godt, rumfartøjet vil udvide sin Touch-and-Go Sample Acquisition Mechanism, eller TAGSAM, som er ophængt i spidsen af ​​en 11 fod lang arm. Minder om et luftfilter brugt i en ældre bil, den er designet til at indsamle finkornet materiale, men er i stand til at indtage materiale op til omkring tre fjerdedele af en tomme.

Prøven vil blive indsamlet under en "touch-and-go" manøvre, eller TAG, hvorunder prøveudtagningshovedet vil komme i kontakt med Bennus overflade i omkring 10 sekunder. Når rumfartøjet registrerer kontakt, den vil affyre en af ​​tre nitrogengasflasker, og meget som en omvendt støvsuger, røre overflademateriale op - kaldet regolith - inde i prøvetagningshovedet, før rumfartøjet bakker.

Som backup, prøveudtagningshovedet har en række små diske designet til at opsamle støv som klæbrige puder, i tilfælde af at noget skulle gå galt med den gasdrevne prøveudtagningsproces.

Holdet vil undersøge optagelser taget af rumfartøjets prøvetagningskamera, eller SamCam, af prøveudtagningshovedet, når det kommer i kontakt med overfladen. SamCam er et af tre kameraer ombord på rumfartøjet, der blev bygget ved UArizona.

"Vi vil være i stand til at fortælle, om vi var vippet, hvis gas blæste ud til siden, hvis materialet var tilstrækkeligt omrørt, " sagde Lauretta. "Vi vil også have en meget god indikation af den nøjagtige placering i Nightingale, hvor vi tog kontakt, og vi kan sammenligne det med vores samplingskort, for at vurdere, om vi landede i et område, hvor der er rigeligt med prøvemateriale, eller en af ​​de mere stenede steder."

SamCam vil også være i stand til at tage billeder af prøveudtagningshovedet, efter at rumfartøjet har forladt Nightingale-krateret og er en sikker afstand fra asteroiden. Fordi prøveudtagningshovedet er monteret på et håndledsled, holdet vil være i stand til at undersøge det i en anden orientering i forhold til solen og prøvetagningskameraet. Holdet vil også se støv eller materiale på ethvert andet område af TAGSAM, på armen eller på tæppet over gasflaskerne, Lauretta forklarede.

"Dette vil fortælle os, om vi flyttede nok materiale rundt, da vi tog kontakt, og måske, bare måske, vi vil være i stand til at se nogle af partiklerne i det indre af TAGSAM, hvis partiklerne er det rigtige sted inde i hovedet, og hvis vi får de rigtige belysningsforhold."

Efter TAG, holdet vil derefter bruge en uge på at vurdere, hvor meget prøve der blev indsamlet. Det vil bruge flere metoder til at estimere mængden af ​​prøve, begyndende med billeddannelse af prøveopsamlingshovedet til visuel inspektion. Holdet vil også udføre checkouts af rumfartøjet og instrumenterne for at verificere, at det ikke resulterede i nedbrydning til enten.

En pirouette i rummet

Næste, rumfartøjet er klar til at udføre en manøvre designet til at give forskerne på jorden et skøn over, hvor meget prøve der blev indsamlet. Med prøvetagningsarmen strakt ud, den vil langsomt dreje rundt om en akse vinkelret på TAGSAM for at måle ændringen i masse, der kan tilskrives den indsamlede prøve, sammenlignet med en tidligere måling taget med prøveudtagningshovedet tomt.

På grund af usikkerhed i teknikken, resultatet af målingen skal overstige den påkrævede prøvemasse for at have høj sikkerhed for, at en passende prøve er til stede.

"Vi leder efter en 90 % chance for, at vi har 60 faktiske gram eller mere, " sagde Lauretta. "Alt under det, vi vil have samtaler med NASA for at vurdere status for rumfartøjet, dens evne til at gå ind for et andet TAG, og beslutte, om vi vil vende tilbage med det, vi har, eller gå til et andet TAG-forsøg."

Rumfartøjet kan lave flere prøvetagningsforsøg, da den er udstyret med tre flasker nitrogengas. For eksempel, hvis det skulle lande et sikkert sted, men ikke kunne komme med en god prøve, holdet har udviklet beredskabsforanstaltninger for at sikre, at missionen stadig opfylder dets primære videnskabelige mål:indsamle mindst 60 gram (lige under 2 ounce) overflademateriale og returnere det til Jorden.

"Hvis beslutningen bliver truffet, er vi nødt til at gå ind igen, vi er nødt til at få rumfartøjet tilbage i kredsløb og udføre en række forbrændinger for at rette dets position i kredsløb til næste tag-forsøg, " sagde Mike Moreau, stedfortrædende projektleder ved NASAs Goddard Space Flight Center i Maryland.

Mens Nightingale blev identificeret som det bedste sted at få en prøve på hele Bennu, det giver stadig en masse udfordringer, sagde Lauretta.

"Langt med, det mest sandsynlige resultat, vi vil have den 20. oktober, er, at vi vil kontakte overfladen og kom derfra med en stor prøve, der overstiger vores krav. Men Bennu har allerede kastet os en række kurvebolde, Derfor er vi fuldt ud parate til at mærke Osprey (backupstedet), hvis det bliver nødvendigt, " han sagde.

Når først beslutningen er truffet om at opbevare prøven, holdet vil fortsætte med at placere hovedet inde i prøve-returkapslen og forsegle den for at vende tilbage til Jorden i 2023. Og når den tid kommer, chancerne er, at det vil bringe endnu mere tilbage end minimum 60 gram, da TAGSAM blev designet til at fange mindst 150 gram, og under optimale forhold op til 4 pund - nok til at holde generationer af forskere beskæftiget i laboratorier på Jorden.