Poszukiwanie śladów życia na Marsie

Dnia 6 sierpnia 2012 roku spodziewane jest, po przebyciu 567 milionów kilometrów, lądowanie na Marsie, wewnątrz krateru Gale, łazika Curiosity (ciekawość). Łazik ten ma zbadać środowisko Czerwonej Planety, przede wszystkim pod względem możliwości istnienia na niej śladów prostych form życia. Stanowi on zasadniczą część sondy kosmicznej Marsjańskie Laboratorium Naukowe (Mars Science Laboratory – MSL).

Planeta Mars
Jak wiemy, Mars to czwarta, licząc od Słońca, planeta Układu Słonecznego. Średnica Marsa jest mniej więcej o połowę mniejsza od średnicy Ziemi oraz niemal dwukrotnie większa od średnicy Księżyca. Planeta ta jest pokryta skalistą, rdzawoczerwoną pustynią. Masa Marsa stanowi około 10 proc. masy Ziemi, a przyciąganie grawitacyjne na jej powierzchni to tylko 38 proc. przyciągania ziemskiego. Mars obecnie nie ma praktycznie pola magnetycznego, ponieważ – w odróżnieniu od Ziemi – nie posiada już płynnego metalicznego jądra. Atmosfera Marsa bardzo różni się od ziemskiej, gdyż składa się głównie z dwutlenku węgla. Ciśnienie atmosferyczne na powierzchni tej planety wynosi mniej niż 1 proc. ciśnienia atmosferycznego na powierzchni Ziemi. Temperatura na powierzchni Marsa waha się w granicach od minus 140 do plus 20 st. C. Średnia odległość Marsa od Słońca jest około półtora razy większa od odległości Ziemi od Słońca. W związku z tym rok marsjański jest prawie dwa razy dłuższy od roku ziemskiego. Długość marsjańskiej doby jest tylko o 2 proc. dłuższa od doby ziemskiej. Nachylenie osi obrotu Marsa do płaszczyzny jego heliocentrycznej orbity jest zbliżone do takiego nachylenia Ziemi, dzięki czemu Mars ma pory roku zbliżone do ziemskich. Pod wieloma względami Czerwona Planeta przypomina jednak Ziemię. Podobny był proces jej formowania, wczesna historia, zasoby wody. Podobnie jak Ziemia, Mars ma polarne pokrywy śnieżne, góry, kaniony, wiatry i burze pyłowe. Począwszy od 1964 roku, liczne sondy kosmiczne pokazały, że na Marsie istniały w przeszłości ogromne rzeki, czego dowodzą kształty pozostałości koryt, ujść i linii brzegowych. W roku 2011 odkryto wodę na południowej stronie Marsa. Na tej podstawie sądzi się, że w przeszłości istniały warunki na Marsie do powstania życia. Być może ślady życia na Marsie istnieją tylko w postaci biowskaźników, czyli drobnych skupisk substancji węglowych o cechach charakterystycznych dla związków chemicznych wytworzonych biologicznie. Dotychczasowe badania nie odnalazły jednak śladów życia na Marsie. Z tego właśnie powodu NASA, kosztem 2,5 miliarda dolarów, zbudowała zaawansowaną sondę kosmiczną MSL, której głównym zadaniem będzie poszukiwanie śladów życia na Marsie. Jest to istotny problem naukowy. Odkryto już bowiem setki układów planetarnych, co oznacza, że układy planetarne są zjawiskiem powszechnym i że w naszej Galaktyce znajdują się tysiące planet o zbliżonej do Ziemi wielkości. Jeżeli okaże się, że na Marsie istniało życie i jego ślady przetrwały w skrajnie trudnych warunkach, to będzie można wysunąć wniosek, że życie nie jest zjawiskiem wyjątkowym we wszechświecie.

Budowa sondy kosmicznej MSL
Sonda MSL ma masę całkowitą 3,893 tony, średnicę 4,5 m i wysokość 3 m. Składa się z czterech podstawowych elementów: członu przelotowego, kapsuły (osłony aerodynamicznej), członu lądującego i łazika Curiosity. Głównym zadaniem członu przelotowego jest utrzymywanie sondy na właściwej trajektorii z Ziemi do Marsa, za pomocą odpaleń silników korekcyjnych. Sam człon zapewnia sondzie energię elektryczną podczas przelotu i służy do komunikacji z Ziemią. Jest on przymocowany do osłony aerodynamicznej w formie kapsuły, w której jest umieszczony łazik. Człon przelotowy zostanie odrzucony tuż przed wejściem w atmosferę Marsa. Zbudowany jest w większości z aluminium i ma kształt płaskiego walca. Wyposażony jest w radiator i ułożone w kształcie pierścienia baterie słoneczne. System napędowy tworzy 8 silników korekcyjnych zasilanych hydrazyną. Nawigację MSL zapewniają: czujnik światła słonecznego, szukacz gwiazd i system kontroli bezwładnościowej. Kolejnym zadaniem członu jest kontrola temperatury wewnątrz sondy. Zostanie to osiągnięte dzięki termostatom zamontowanym wewnątrz członu przelotowego i radiatorowi głównemu wraz z radiatorami pomocniczymi na zewnątrz obudowy. Łączność z Ziemią zapewni antena działająca w paśmie X częstości. Głównym zadaniem kapsuły będzie zapewnienie osłony termicznej członu lądującego i łazika przy przechodzeniu z dużą prędkością przez atmosferę Marsa i aerodynamiczna redukcja tej prędkości z 6000 m/s do 400 m/s. Dodatkowo kapsuła jest wyposażona w spadochron, który ma za zadanie wyhamować statek przed ostatnią fazą lądowania. Kapsuła dzieli się na dolną osłonę termiczną i osłonę górną ze spadochronem. Osłona górna zawiera łącznik z modułem przelotowym i układy elektroniczne. Oprócz funkcji ochronnej osłona termiczna zbierze dane o atmosferze marsjańskiej. Kapsuła jest też wyposażona w 8 silników, które mają utrzymać wymagany kąt natarcia w czasie przelotu przez atmosferę. Kapsuła jest także wyposażona w anteny komunikacyjne. Całość zbudowana została z aluminiowych płyt pokrytych kompozytem grafitowo-epoksydowym. Osłonę termiczną pokryto specjalnym ablatorem z impregnowanych włókien węglowych. Zadaniem członu lądującego, w ostatnich minutach lotu, będzie wyhamowanie prędkości przez 8 silników rakietowych rozmieszczonych parami i postawienie łazika za pomocą opuszczanych lin na powierzchni planety. Gdy silniki ustalą stały poziom zniżania, trzy wypuszczane liny, do których przyczepiony jest łazik Curiosity, zaczną go stopniowo obniżać, aż do miękkiego osadzenia na gruncie marsjańskim. Łazik Curiosity jest najważniejszym modułem sondy. Ma on postać sześciokołowego pojazdu wielkości małego samochodu, z zamontowanym oprzyrządowaniem badawczym, ramieniem roboczym, systemami nawigacyjnymi i komunikacyjnymi, awioniką, oprogramowaniem i autonomicznym źródłem zasilania – plutonowym generatorem termoelektrycznym. Łazik wyposażony został w bogaty zestaw przyrządów naukowych, takich jak: – kamera do stereoskopowej fotografii i filmu; – urządzenie do zdalnej detekcji składu chemicznego i mikrofotografii powierzchni próbek; – kamera mikroskopowa; – spektrometr do badania składu chemicznego gruntu; – instrument do analiz mineralogicznych metodą dyfrakcji i fluorescencji rentgenowskiej; – detektor radiacji na powierzchni Marsa ustalający zagrożenia dla przyszłych astronautów; – kamera wysokiej rozdzielczości działająca w fazie opadania i lądowania; – zintegrowany zespół przyrządów do analiz minerałów i atmosfery; – detektor wody lub lodu na powierzchni Marsa; – stacja meteorologiczna.

Przebieg misji marsjańskiej
Start sondy MSL nastąpił 26 listopada 2011 roku ze stanowiska startowego SLC-41 mieszczącego się na przylądku Canaveral na Florydzie. Sonda została wyniesiona przez rakietę nośną Atlas V 541, dostarczoną przez firmę United Launch Alliance. Konfiguracja tej rakiety charakteryzuje się owiewką o średnicy 5 metrów, czterema rakietami pomocniczymi na paliwo stałe i jednym silnikiem w drugim stopniu. Pierwszy stopień jest napędzany paliwem węglowodorowym i ciekłym tlenem. Silnik drugiego stopnia natomiast jest zasilany ciekłym wodorem i ciekłym tlenem. Przelot z Ziemi na Marsa po orbicie heliocentrycznej będzie trwał 255 dni. Ostatnia faza lotu rozpocznie się, gdy kapsuła przekroczy granicę atmosfery Marsa. Potrwa ona kilkanaście minut i będzie krytyczna dla powodzenia całej misji. Na 10 minut przed wejściem do atmosfery kapsuła odłączy się od członu przelotowego. Kapsuła wejdzie w atmosferę Marsa na wysokości ok. 130 km nad jego powierzchnią z prędkością około 6 km/s. Po separacji kapsuły od członu przelotowego uruchomią się przewidziane na tę fazę lądowania instrumenty pomiarowe. Następnie silniczki orientacyjne kapsuły ustawią ją pod odpowiednim kątem natarcia, umożliwiającym bezpieczne wejście w atmosferę. Kolejnym etapem będzie otwarcie spadochronu, które nastąpi na wysokości 11 km, gdy statek będzie spadał z prędkością 400 m/s. Tuż po jego otwarciu odrzucona zostanie osłona termiczna mieszcząca się na spodzie kapsuły. W tym momencie włączą się urządzenia radarowe i termiczne kontrolujące wysokość. Następnie człon lądujący z łazikiem odłączy się od kapsuły ze spadochronem i zostaną uruchomione silniki rakietowe członu lądującego. Silniki te, zaczynając od wysokości 1 km, będą stopniowo redukowały prędkość i pozwolą na bezpieczne zniżanie. W trakcie tego zniżania od członu lądującego na linach zostanie opuszczony łazik. Gdy tylko dotknie on gruntu (z prędkością 75 cm/s), człon lądujący odłączy się od łazika i odleci na bezpieczną odległość. Ten sposób lądowania stanowi nowość techniczną wymuszoną przez fakt, że łazik Curiosity ma dużą masę wynoszącą 900 kg, co nie pozwala na wykorzystanie techniki lądowania zastosowanej wcześniej dla znacznie mniejszych łazików marsjańskich, takich jak Spirit i Opportunity.

Cele naukowe misji
Badania naukowe łazika Curiosity będą skupione głównie wokół następujących zadań: – ocena możliwości występowania potencjalnych warunków do życia w przeszłości; – badanie możliwości utrzymania się życia organicznego na Marsie; – wykonanie pomiarów meteorologicznych; – poszukiwanie pierwiastków „życia”; – poszukiwanie wody oraz związków mineralnych z nią związanych; – pomiary widma wysokoenergetycznego promieniowania naturalnego; – badanie składu skał i gleby; – charakterystyka możliwych cyklów hydrologicznych. Badania, które mają być przeprowadzone przez łazik Curiosity, w zamierzeniu mogą być, w pewnym sensie, testem darwinizmu. Znaczenie koncepcji Karola Darwina polega na wprowadzeniu idei doboru naturalnego wyjaśniającej, że złożone organizmy biologiczne mogły powstać w naturalny sposób, przez mutacje genetyczne. Biolodzy zazwyczaj uważają, że wszystkie istoty żyjące na Ziemi są potomkami jednego pierwotnego organizmu jednokomórkowego. Problem jednak w tym, że ten pierwotny organizm nie mógł powstać na drodze darwinowskiego doboru naturalnego, ponieważ dla jego funkcjonowania konieczne jest, by istniało już życie, to znaczy samoreprodukujące się organizmy zdolne do genetycznego przekazywania swych cech. Badania pokazały, że minimalna struktura jednokomórkowego organizmu samoreprodukującego się musi mieć nader skomplikowaną budowę, np. posiadać wiele różnych białek i kod genetyczny mieszczący dziesiątki tysięcy bitów informacji. Przypadkowe powstanie takiej struktury wydaje się więc niemożliwe. Dlatego można przypuszczać, że istnienie życia na Ziemi jest czymś wyjątkowym i niepowtarzalnym w obserwowalnym wszechświecie. Ewentualne wykrycie śladów życia na Marsie przez łazik Curiosity przeczyłoby tej tezie i byłoby silnym argumentem przemawiającym na korzyść darwinowskiej teorii ewolucji biologicznej, chyba że prymitywne formy życia zostały w przeszłości przeniesione z Ziemi na Czerwoną Planetę, na przykład w wyniku uderzenia w Ziemię dużej asteroidy.