Budoucnost výzkumu sluneční soustavy kosmickými sondami VI (a trocha exobiologie) - ExoMars

O výzkum Marsu pomocí meziplanetárních sond byl velký zájem již od počátku 60. let minulého století. Po velkém množství více či méně (většinou spíše méně) úspěšných pokusů přistály na povrchu v polovině 70. let dva identické americké výsadkové moduly Viking 1 a 2. Jednalo se o landery, tedy bez možnosti pohybu. V červenci roku 1997 přistál na povrchu výsadkový modul Mars Pathfinder s malým roverem Sojourner a započal tak éru výzkumu Marsu pomocí pohyblivých aparátů.

Obr. 1: Orbiter s landerem ExoMArs na oběžné dráze Marsu. Kresba ESA. [5]

Obr. 2: Kresba roveru ExoMars, vidět je i vrtačka pro odběr vzorků z podpovrchových oblastí. Kresba ESA. [5]

V roce 2004 následovaly americké rovery MER Spirit a Opportunity. Vraťme se však ještě na chvíli k Vikingům. Ačkoliv se jednalo o nepohyblivé moduly, měly na palubě vybavení, které od té doby s sebou nenesla žádná sonda určená k průzkumu Marsu. Jak asi tušíte, šlo o biologické experimenty (více o nich viz [1]). Mezitím však došlo k velkému pokroku ve výzkumu rudé planety, a to jak zásluhou již zmíněných roverů tak zásluhou družic, umístěných na oběžné dráze (Mars Global Surveyor, Mars Odyssey, Mars Express, Mars Reconaissance Orbiter) – především byly nalezeny oblasti, ve kterých se pravděpodobně nalézá nebo v minulosti nalézala voda – buď kapalná nebo zmrzlá. V roce 2001 proto Rada pro vědu EU a Rada Evropské kosmické agentury (ESA) schválily strategii výzkumu vesmíru jejíž částí je program Aurora. Hlavními cíli strategie je výzkum sluneční soustavy a vesmíru jako celku, podpora nových technologií a inspirace mladých lidí k většímu zájmu o vědu. Program Aurora je dlouhodobým plánem ESA zaměřeným na výzkum Měsíce, Marsu a asteroidů pomocí robotických a případně i pilotovaných misí. Druhotným, nikoliv však nejméně ambiciózním cílem je hledání života mimo Zemi [2]. Tím se dostáváme k našemu tématu, a tím je mise ExoMars.

ExoMars je „vlajkovou lodí“ programu Aurora a zároveň první misí tohoto programu, start je naplánován na rok 2011. Bude se jednat o jakousi kombinaci landeru s roverem, podobně jako tomu bylo u již zmiňovaného Mars Pathfinderu/Soujourneru. Součástí ExoMarsu bude možná také orbiter, který po navedení na oběžnou dráhu bude sloužit jako retranslační stanice pro výsadek. Přistávací část bude sestávat ze základní stanice (Geophysics/Environment Package – GEP ), která bude mít za úkol studovat geofyzikální charakteristiky okolí důležité pro pochopení vývoje Marsu, obyvatelnost, identifikovat možná nebezpečí pro misi s lidskou posádkou a dále se zabývat studiem prostředí. Druhou součástí bude Rover nesoucí komplexní laboratoř určenou pro exobiologické a geologické výzkumy. Dříve než se blíže podíváme na jednotlivé experimenty a přiblížíme si design mise, poohlédněme se za tím, co o Marsu z hlediska zájmu exobiologie víme, jaké rizika hrozí lidem v případě pilotované mise, co zajímavého lze zjistit z hlediska geofyziky a jakou zvolit strategie při hledání známek života.

Vznik života

Nejprve se podívejme, co to exobiologie je. V nejširším slova smyslu je to disciplína věnující se studiu vzniku, vývoje a rozšíření života ve vesmíru. Jak je známo, život na Zemi vznikl poměrně brzy po jejím vzniku. K jeho velkému rozvoji došlo před 3,5 miliardami let a od té doby se rozšířil do všech možných částí světa, vyskytoval (a vyskytuje) se v místech s rozličnými teplotními a chemickými podmínkami. Co je ovšem pro pozemský život, tak jak ho známe, nezbytné, je voda. Bez ní by nemohly v buňkách probíhat žádné metabolické pochody a život by neexistoval.

Mars je však v současné době studený a suchý, jeho povrch je silně zoxidován a vystaven životu nepřátelskému ultrafialovému záření. Kapalná voda na Marsu prakticky není kvůli nízké teplotě a tlaku, její výskyt je pravděpodobně omezen jen na malé specifické oblasti, a i to jen sezónně. Množství povrchových útvarů, jako jsou dlouhé kanály, složité sítě údolí, rokle a sedimenty nasvědčují tomu, že v minulosti byla kapalná voda na Marsu přítomná, a to ve velkém množství.

Některé pozorované geologické útvary na Marsu mohou být staré až 4,5 miliardy let, z velkého množství překrývajících se kráterů lze soudit, že vznik nejstarších útvarů spadá do doby před 4 miliardami let a nejmladších ne více než 100 milionů let. Velká část údolí je velmi stará (3 – 4 miliardy let), ale 25 – 35% jich je mnohem mladších. Dnes se voda na Marsu vyskytuje v okolí pólů ve formě ledu v hloubce jako permafrost a ve stopovém množství v atmosféře. Z hlediska biologie už samotný výskyt kapalné vody v minulosti evokuje otázku o přítomnosti dřívějšího života na Marsu: pokud byl povrch planety v prvních 500 milionech let teplejší a vlhčí, mohl zde vzniknout život víceméně ve stejné době jako na Zemi.

Jinou možností, jak by se na Marsu mohl život objevit, je přenos pozemských organismů na meteoroidu vyraženém při nějaké srážce meziplanetárního tělesa s naší planetou. Další možností, která připadá v úvahu, je vznik života pod povrchem. Tuto hypotézu podporuje objev prosperující biosféry kilometry hluboko pod povrchem Země. Nelze tedy vyloučit, že na Marsu mohl život vzniknout a vyvíjet se v dobách, kdy zde tekly řeky a nyní přežívá hluboko v podpovrchových vrstvách. Toto z Marsu činí nejnadějnějšího kandidáta při hledání mimozemského života ve sluneční soustavě [3].

Rizika pilotované mise

Před tím, než pošleme na Mars lidi, je potřeba znát a detailně pochopit rizika, která těmto lidem budou hrozit, abychom jim mohli předejít nebo alespoň minimalizovat jejich dopady. Mise ExoMars by mohla alespoň některá tato rizika pomoci odhalit.

Pravděpodobně nejpodstatnějším limitujícím faktorem pro pilotovaný meziplanetární výzkum je ionizující záření. Pro potřeby odhadnutí nebezpečí tohoto rizika je nutné měřit radiaci během přeletu od Země k Marsu, během pobytu na oběžné dráze a samozřejmě také během pobytu na samotném povrchu, což mohou provádět právě automatické sondy.

Jiné nebezpečí představuje marťanská půda, prachové částice se během vycházek mohou dostávat dovnitř přistávacího modulu (jak se stávalo během misí Apollo na Měsíci). Může tak docházet k vdechování prachu: jak už na Marsu, tak hlavní problémy by mohly být při návratu zpět na Zemi v podmínkách beztížného stavu. Vlastnosti půdních částic jako je tvar, velikost a chemické složení mohou být studovány přímo na Marsu pomocí automatů jako je ExoMars. Nicméně hlubší znalosti mohou být získány jen v komplexně vybavených laboratořích, a proto je nutné odebrat vzorky a dopravit je zpět na Zemi. K tomuto účelu plánuje ESA vyslání další sondy, Mars Sample Return, ne dříve než v roce 2011.

Vysoce reaktivní látky představují další riziko, které čeká na astronauty na povrchu Marsu: volné radikály, soli a oxidující látky jsou pro lidský organismus velmi nebezpečné, obzvláště např. pro plíce a oči. Další nebezpečí představují těžké kovy, organické sloučeniny a případné patogeny. Toto vše může způsobit zdravotní potíže a poškozovat vybavení kosmické lodi. Mnoho z těchto nebezpečí může být odhaleno pomocí přístrojů na ExoMarsu [3].

Geofyzikální výzkum

Procesy určující dlouhodobou obyvatelnost Marsu závisejí na geodynamice planety, jejím geologickém vývoji a aktivitě - přitom množství informací o těchto charakteristikách je pro nás stále záhadou. Například jaká je vnitřní struktura planety? Je na Marsu stále vulkanická aktivita? atd. Odpovědi na tyto otázky nám mohou pomoci extrapolovat do minulosti a pomoci pochopit jak Mars přišel o své magnetické pole a jaký vliv měla vulkanická činnost na ranou atmosféru. Pro tyto účely bude součástí mise stacionární platforma GEP [3].

Jak hledat stopy života?

Pokud život na Marsu vznikl, stalo se tak nejspíše v první 0,5 – 1 miliardě let když byl Mars teplejší a vlhčí než dnes. Podmínky zde byly podobné jako na Zemi v té době: činné sopky vyvrhující plyny, dopady meteorických těles, kapalná voda a mírně reduktivní atmosféra; existuje tedy jistá šance že nalezneme přesvědčivé důkazy o existenci starobylého mikroskopického života.

Zemský povrch byl vystaven účinkům tekoucí vody, kyslíku, slunečnímu ultrafialovému záření a účinkům života samotného což vedlo k rychlému zničení stop vyhynulého života. Jediná šance jak nalézt jejich zbytky je v horninách, nicméně horotvorné procesy změnily geologické podmínky Země natolik, že je velmi obtížné nalézt horniny starší než 3 miliardy let v dobrém stavu. Na Marsu však neprobíhala tak intenzivní tektonická činnost a je tedy možné, že nalezneme starší oblasti, ve kterých se mohly fosilie zachovat.

Největší obtíž při hledání primitivního života spočívá, stejně jako na Zemi, v tom, že pátráme po zbytcích miniaturních forem života jejichž fosilie mohou být snadno zaměněny za nerosty. Je potom obtížné rozhodnout, zda nějaký znak typický pro život (např. struktura připomínající třeba bakterii, zajímavá organická látka, poměr izotopů) skutečně spolehlivě ukazuje na biologický původ. Proto je třeba dát dohromady několik nezávislých důkazů. ExoMars bude tedy usilovat o co nejcelistvější pohled, zkoumat problém z několika různých hledisek, zahrnujících geologický průzkum a průzkum prostředí, morfologii a spektrální chemickou analýzu složení [3] (o výsledcích sond Viking a o tom, proč byly jejich výsledky matoucí a nakonec většina vědců došla k závěru, že nedokazují přítomnost života na Marsu viz [1]).

Nyní již přistupme k popisu mise a především toho nejzajímavějšího: stanice GEP a především roveru s „balíkem“ biologických experimentů Pasteur Exobiology Instrument.

Kosmická sonda bude sestávat ze dvou hlavních součástí: „nosiče“ – jakási přeletová část, která bude zajišťovat navigaci, druhou součástí je lander, přistávací část skládající se z GEP a roveru. Odstartuje z jihoamerického kosmodromu ESA Kourou pomocí nosné rakety Sojuz-2b (následují 2 roky pro odložený start pro případ výskytu planetárních bouří). Přistávací modul dorazí po hyperbolické dráze a přistane pomocí airbagů a rozmístí GEP a rover, data budou k Zemi přenášena pomocí sondy MRO. Existuje i alternativní plán, který počítá s použitím nosné rakety Ariane 5 ECA. V tomto případě by byl „nosič“ nahrazen orbiterem (tj. družicí), který by zajišťoval přenos z povrchu místo MRO, nesl by také vědecké přístroje a prováděl vlastní výzkumný program.

Geophysics/Environment Package (GEP)

Cílem stanice GEP je iniciovat založení stálé, dlouhodobé sítě nepohyblivých stanic, které by měly pracovat po dobu několika let. Stanice bude s vysokým rozlišením sledovat seismickou aktivitu a rotaci planety, magnetické pole a jeho změny. Dále bude měřit tepelné toky, sledovat a studovat prostředí (meteorologické prvky, atmosférické elektrické pole) a podpovrchové oblasti (vodu a led, porozitu a vlhkost). Výsledkem těchto měření bude množství unikátních dat, která nám pomohou, jak bylo uvedeno výše, v odhalení nebezpečí pro případné lidské posádky.

GEP bude pro splnění těchto úkolů vybaven širokou škálou přístrojů [4], které jsou většinou dědictvím zrušených (NetLander) a neuskutečněných misí případně pocházejí z jiných projektů (Beagle 2). Budou jimi:

• SEIS – sada seismometrů (krátko i dlouhoperiodických), z dat bude možno usoudit na vnitřní strukturu planety
• ATM – sada meteorologických přístrojů (měření proudění vzduchu, tlaku, teploty, vlhkosti...)
• AEP – měření atmosférické elektřiny, elektrické vodivosti atd.
• HP3 – „krtkovací“ sonda, která bude schopna proniknout až do hloubky 5 metrů pod povrch, bude provádět měření tepelné vodivosti, tepelné kapacity, toky tepla atd.
• MAG – tříosý přesný magnetometr
• GPR – radar, který bude sledovat podzemní vrstvy, hledat vodu a led a studovat strukturu pod povrchem, spolupracuje s obdobným zařízením GPR2 na roveru
• Radioscience – geodetický výzkum a studium ionosféry
• SEIS – SP – středněperiodický seismometr
• HUM – senzor pro sledování vlhkosti
• MEDUSA – měření proudění prachových částic, měření fyzikálních vlastností a distribuce velikosti částic
• IRAS – detektor ionizovaných částic

Pro úplnost dodejme, že celková hmotnost těchto přístrojů bude okolo 7 kg a příkon 1,3 W, jako zdroj energie bude vzhledem k plánované dlouhé životnosti (>6 let) pravděpodobně použit radioizotopový termoelektrický generátor (RTG) [3].

Rover (Pasteur Exobiology Instrument)

Plánovaná životnost roveru je asi 180 solů (marťanských dnů), tedy asi 6 měsíců. Tato doba je dost dlouhá na to, aby rover urazil několik kilometrů, přičemž napájen bude solárními články.

Nejdůležitější součástí roveru je komplex zařízení určených pro hledání známek minulého nebo současného života pojmenovaný po francouzském mikrobiologovi Luisi Pasteurovi. Vybavení je rozděleno do 4 kategorií podle určení, jedná se o panoramatické nástroje (kamery, radar, IR spektrometr,...), kontaktní nástroje (kamera pro snímání zblízka, Mőssbauerův spektrometr,...), podpůrné nástroje (vrtačka,...), analytické nástroje (IR mikroskop, RTG difraktometr,...) a nástroje pro výzkum prostředí ( UV spektrometr,...). Protože se jedná o stěžejní část mise, projdeme si jednotlivá zařízení podrobněji [3].

Panoramatické nástroje

• panoramatický kamerový systém – 2 širokoúhlé stereoskopické kamery a jedna s vysokým rozlišením, určeny k charakterizaci okolí a geologických podmínek, důležité také pro navigaci roveru
• infračervený spektrometr – pro dálkovou identifikaci minerálů, které souvisejí s výskytem vody, důležitý pro vytipování cílů výzkumu
• „podzemní“ radar – spolupráce s GPR na GEP, stejné cíle

Kontaktní nástroje

• kamera pro snímání zblízka – optický průzkum skal, submilimetrové rozlišení
• Mőssbauerův spektrometr – mineralogický výzkum železonosných skal a půd
• vnější část Ramanova spektrometru – určení organického obsahu a atomového složení pozorovaných minerálů

Podpůrné nástroje

• podpovrchová vrtačka – je schopná získat vzorky z hloubky 0 – 2 metry pod povrchem, kde se můžou vyskytovat zachovalé organické látky, je také vybavena teplotními senzory a IR spektrometrem pro mineralogický výzkum
• systém přípravy a distribuce vzorků – přijímá vzorky z vrtačky, upravuje je do formy vhodné pro analýzy a rozděluje mezi jednotlivé analytické přístroje

Analytické nástroje (laboratoř)

• IR mikroskop – zkoumá nasbírané vzorky za účelem určení jejich struktury a složení na úrovni velikosti zrn. Výsledky těchto měření budou také použita pro výběr vzorků, které budou následně podrobeny analýze pomocí Ramanova spektrometru
• Ramanův spektrometr – určení organického obsahu a atomového složení pozorovaných minerálů, vnitřní část
• rentgenový difraktometr (XRD) – určení mineralogického složení v krystalických fázích vzorků
• Urey – skládá se ze dvou součástí – MOD (Mars organics detector) a MOI (Mars oxidants instrument). První z nich je velmi citlivý detektor pro hledání aminokyselin, nukleotidových bází a polykondenzovaných aromatických uhlovodíků (PAH). MOI bude určovat reaktivitu oxidantů a volných radikálů v půdě a atmosféře
• plynový chromatograf s hmotnostním spektrometrem (GCMS) – velmi citlivý analytický nástroj pro zjišťování a určování organických molekul v odebraných vzorcích, rovněž bude použit analýzu atmosféry
• LMC – citlivý nástroj pro detekci přítomného života

Nástroje pro výzkum prostředí

• detektor prachu – bude určovat distribuci velikosti prachových zrn a rychlost jejich usazování, rovněž s velkou přesností bude schopen detekovat vodu
• UV spektrometr – měření ultrafialového záření (analýza spektra)
• detektor ionizujícího záření – měření množství ionizujícího záření (kosmické paprsky, sluneční vítr)
• meteorologická stanice

Závěrem si dovolme menší propagační vsuvku. Po úspěšných amerických roverech, evropském Mars Expressu, doufejme úspěšných následujících sondách Phoenix a Mars Science Laboratory (MSL), po úspěchu se svým modulem Huygens, ESA doufá, že ExoMars jí dá další příležitost ukázat, že je schopna provádět planetární výzkum světové třídy.