Czy na Czerwonej Planecie występuje aktywność sejsmiczna?

Trzęsienia to wyraźny znak ruchu mas pod powierzchnią planety. Jest to dość młoda wiedza w świecie nauk przyrodniczych. Około 100 lat temu niemiecki geolog, Alfred Wegener, zaproponował teorię tektoniki płyt - teorię, która z początku została wyśmiana przez jego współpracowników. Obecnie nauka o płytach kontynentalnych, które unoszą się i przemieszczają na stopionym jądrze Ziemi, przekazywana jest uczniom w szkołach. Głębokie rowy tektoniczne i wysokie granie: ruch płyt kontynentalnych zmienia formacje geologiczne. Wiemy, że ma to miejsce na Ziemi. Co jednak dzieje się z sąsiadująca planetą, Marsem?

Czulszy niż pozostałe urządzenia

Nizina Górnoreńska w Niemczech rozciąga się na długości około 400 kilometrów. System kanionów Valles Marineris na Marsie jest dziesięć razy dłuższy a w niektórych miejscach osiąga siedem kilometrów głębokości. Czy kanion na sąsiedniej planecie również uformował się w wyniku ruchu płyt na jej skorupie? Oraz: czy proces ten zakończył się dawno temu, czy może nadal trwa? Odpowiedź na te pytania może przynieść pomiar fal sejsmicznych. Czy na Czerwonej Planecie występuje aktywność sejsmiczna? Misja NASA "InSight", która wystartowała 5 maja 2018 roku, powinna dać odpowiedź na to i pozostałe pytania. Lądownik osiądzie na Marsie pod koniec listopada. Wykorzystując ramię robota umieści sejsmometr na powierzchni planety. Przyrząd pomiarowy o nazwie SEIS jest tak czuły, że umożliwia wykrycie przemieszczeń pod powierzchnią odpowiadających średnicy pojedynczego atomu wodoru. NASA określa ten przyrząd jako "najczulszy sejsmometr, jaki kiedykolwiek zbudowano".

Kompensacja rozszerzalności materiałowej

Czułość i dokładność pomiarowa, wynikają, między innymi, z równoważenia termicznego mechanizmem sprężynowym. Równoważenie takie jest konieczne, ponieważ w trakcie różnych pór roku na Marsie występują znaczne wahania temperatur. Na Marsie obowiązują te same zasady co na Ziemi: różne temperatury powodują kurczenie się i rozszerzanie materiałów, mając wpływ na ich wytrzymałość - aspekt szczególnie ważny w mechanizmach sprężynowych. Trzy rodzaje silników krokowych AM 0820 od FAULHABER zainstalowano w komorze próżniowej SEIS w celu kompensacji zmian temperatury. Silniki o średnicy zaledwie ośmiu milimetrów współpracują z przekładniami planetarnymi serii 08/1 firmy FAULHABER. Zainstalowane w obudowie ze stali nierdzewnej przekładnie wyposażono w odpowiedni do pracy na Marsie wał oraz pokryte specjalną powłoką łożysko kulkowe.

Sejsmometr został w głównej mierze skonstruowany przez Sodern – oddział francuskiej grupy Ariane. Podczas dokonywania oceny technologii napędowej, Sodern poszukiwało najlepszego sprzętu technicznego. - Wymagało to wielu żmudnych poszukiwań. - Wspomina rzecznik prasowy, Rémy Lambertin. W końcu jego firma miała zbudować "jeden z najmniejszych przyrządów, jakie miały być wysłane na Marsa". A im mniejszy przyrząd, tym jest on delikatniejszy. Poprzeczka została zatem ustawiona niezwykle wysoko w odniesieniu do takich aspektów jak wytrzymałośc, trwałość oraz niezawodność ekspolatacyjna.

Rozwiązanie napędowe w postaci silnika krokowego, zaprojektowane wspólnie z francuskim oddziałem FAULHABER, ma za zadanie zrealizować co najmniej 160 cyklów korekcyjnych w ciągu dwóch lat. Testy wytrzymałościowe przeprowadzane na Ziemi obejmowały jednak symulację sześciu lat pracy i to w zakresie temperatur roboczych od -120 do +70 stopni Celsjusza. Silniki krokowe FAULHABER były już z powodzeniem eksploatowane w takich wymagających warunkach w trakcie innych misji NASA i ESA na Marsie.

Perfekcyjne smarowanie - prawdziwe wyzwanie

Według Rémy Lambertina, jednym z największych wyzwań związanych z wykorzystaniem sejsmometru było zagwarantowanie technologii napędowej charakteryzującej się skutecznym smarowaniem. Ponieważ średnie ciśnienie na powierzchni Marsa wynosi zaledwie 6,36 hPa, wymagany jest specjalny środek smarny. Na Ziemi odpowiada to mniej więcej ciśnieniu na wysokości 35 kilometrów n.p.m.. Niezawodne smarowanie łożysk kulkowych silnika oraz części ruchomych przekładni zapewnia Dicronite i jest to jeden z kluczowych czynników pozwalających na ustawienie SEIS z zerowym luzem oraz na zapewnienie jego wyjątkowej trwałości na powierzchni Marsa.

SEIS – Seismic Experiment for Interior Structure – składa się zasadniczo z dwóch trójosiowych czujników sejsmicznych wykrywających ruchy podłoża o różnym natężeniu i częstotliwości. Jeden czujnik dokonuje pomiarów częstotliwości od 0,01 do 10 hertzów a drugi częstotliwości w zakresie 0,1 do 50 hertzów. SEIS współpracuje z przyrządami dokonującymi pomiarów siły wiatru, ciśnienia powietrza, temperatury i pola magnetycznego. Celem tych pomiarów jest uzyskanie wiedzy, czy drgania mają pochodzenie sejsmiczne, czy są jedynie skutkiem czynników zakłócających na powierzchni Marsa. Generalnie przyrząd jest w stanie wykryć drgania, które przesuwają podłoże Czerwonej Planety o odległość mniejszą niż grubość atomu wodoru. Taki stopień precyzji możliwy jest wyłącznie dzięki temu, że system pozycjonowania napędzany elektrycznie przy pomocy silników krokowych FAULHABER przeprowadza złożony proces poziomowania. System ten został opracowany w Niemczech w Instytucie Maxa Plancka dla Badań Układu Słonecznego w Göttingen.

Mikronapędy z zerowym luzem

Po wylądowaniu w listopadzie osie napędowe pracować będą z dokładnością pozycjonowania o tolerancji mniejszej niż 0,1 stopnia. Luz zerowy sześciu osi napędowych FAULHABER gwarantuje trwałą dużą powtarzalność ruchu - i to dla masy netto poniżej 20 gramów. Tak zaawansowana technologia jest niezbędna, ponieważ SEIS będzie przebywać na Marsie samotnie. Sejsmometry na Ziemi natomiast pracują zwykle w ramach sieci - co w wymiarze ogólnym polepsza precyzję pomiarową. Mając to na uwadze, wysoce czuły sejsmometr na Czerwonej Planecie umieszczono w obudowie w postaci termicznie izolowanej skrzynki próżniowej mającej zabezpieczać przez zakłócającymi czynnikami środowiskowymi.

Thorsten Sienk
www.sienk.de