Uno strumento ambizioso per la missione ExoMars 2020 dell'ESA ha superato i test in condizioni simili a quelle del Pianeta Rosso. Ora sarà trasportato in Russia per la revisione dell'accettazione, seguita dall'integrazione sulla Kazachok Surface Platform, previsto per il lancio in questo periodo l'anno prossimo.

A circa 8 x 8 x 20 cm più un trio di antenne, L'esperimento Lander Radioscience dell'ESA, o LaRa in breve, è un po' più grande di un cartone del latte da 1 litro. Ma funziona come un transponder ad alte prestazioni, il compito di mantenere un collegamento a radiofrequenza diretto estremamente stabile tra la Terra e Marte per un intero anno marziano - due anni terrestri - una volta che ExoMars è atterrato.

Proposto dall'Osservatorio Reale del Belgio, LaRa è stato sviluppato attraverso il programma PRODEX dell'ESA, incentrato sullo sviluppo di esperimenti scientifici per lo spazio, e finanziato dall'Ufficio per la politica spaziale belga.

L'ultimo test di LaRa ha avuto luogo nel Laboratorio di Sistemi Meccanici (MSL) dell'ESA presso il centro tecnico ESTEC dell'Agenzia a Noordwijk, Paesi Bassi. Questa è una versione in scala ridotta dell'adiacente Centro Prove ESTEC, in grado di eseguire una vasta gamma di test di simulazione spaziale, ma servendo strumenti di astronavi, sottosistemi o mini-satelliti piuttosto che missioni a grandezza naturale.

A seguito di test di vibrazione su uno degli shaker MSL per simulare le dure condizioni di lancio, rientro in atmosfera, discesa e atterraggio su Marte, LaRa è stata quindi collocata all'interno di una camera termica a vuoto per quasi due settimane per eseguire test funzionali in condizioni di caldo e freddo.

Inizialmente è stato posto in alto vuoto per espellere i fumi che altrimenti avrebbero potuto creare problemi nello spazio e per testare il suo comportamento in condizioni simili a quelle del viaggio su Marte. LaRa è stata quindi sottoposta a condizioni marziane simulate, con 6 millibar di anidride carbonica aggiunti alla camera, allo stesso tempo la temperatura è stata ciclata su e giù.

La scatola elettronica di LaRa sarà mantenuta calda dal riscaldatore del lander ExoMars. Le antenne di LaRa, invece, sono installate al di fuori di questo ambiente termicamente controllato e dovranno sopportare cicli di temperature estreme:notti fredde fino a -90°C, con il giorno che raggiunge fino a 10°C relativamente confortevoli. Il nuovo design dell'antenna risultante è stato sviluppato in collaborazione tra l'ESA e l'Université Catholique de Louvain.

Al termine della prova è stata aperta la camera termica del vuoto. Gli ingegneri si sono avvicinati allo strumento indossando maschere per la bocca, camici e guanti sterili, simili a un'équipe chirurgica ospedaliera, quindi ha proceduto alla rimozione dei sensori e dei cavi predisposti per il test prima di posizionare lo strumento e le sue antenne in sacchetti sterili.

Come tutto l'hardware progettato per le missioni interplanetarie, LaRa è soggetta a rigidi protocolli di protezione planetaria per prevenire la contaminazione microbica.

"Le superfici dello strumento vengono regolarmente tamponate per verificare che i suoi livelli di "carica batterica" ​​rimangano accettabili, " spiega Lieven Thomassen di LaRa prime contractor Antwerp Space. "Il suo interno, composto da quattro livelli di circuiti stampati, ha già subito una pulizia completa. È tutto tranne che completamente sigillato lontano dal mondo esterno, con un foro di sfiato di soli 2 mm di diametro per evitare la sovrapressurizzazione una volta che LaRa raggiunge lo spazio."

LaRa è uno dei due strumenti ESA sulla piattaforma di superficie ExoMars di fabbricazione russa. Conosciuto come Kazachok, che significa "Piccolo cosacco", il primo ruolo della piattaforma è quello di portare se stessa e il rover Rosalind Franklin ExoMars fabbricato dall'ESA fino alle pianure di Oxia Planum su Marte. Quindi, una volta che il rover esce dalle sue rampe, Kazachok si dedicherà all'esecuzione di un totale di 13 pacchetti sperimentali a bordo. La piattaforma Surface è stata sviluppata da NPO

LaRa riceverà un segnale radio in banda X dalla Terra che poi ritrasmetterà. Misurando con attenzione lievi spostamenti Doppler in questo segnale bidirezionale nel tempo, i ricercatori saranno in grado di identificare piccoli cambiamenti periodici nella posizione della piattaforma di superficie nel tempo, aprendo una vista inestimabile nell'interno marziano.

"LaRa rivelerà i dettagli della struttura interna del pianeta, e consentono misurazioni precise della sua rotazione e orientamento, " commenta Véronique Dehant dell'Osservatorio Reale del Belgio, ricercatore principale dello strumento.

"Rileverà anche le variazioni del momento angolare dovute alla ridistribuzione delle masse, come il trasferimento di massa stagionale nell'anidride carbonica quando parte dell'atmosfera si congela in ghiaccio. Ultimo ma non meno importante, LaRa consentirà anche la determinazione accurata della precisa posizione di atterraggio".

Come un analogo terrestre, immagina un uovo che gira:puoi dire solo guardando il suo movimento traballante se il suo interno è liquido o sodo.

Ma la sfida è mantenere il collegamento radio diretto ultra stabile durante il programma operativo pianificato di LaRa di due sessioni di 1 ora a settimana, specialmente quando Marte orbita al massimo a 401 milioni di km dalla Terra.

"Dal lato terrestre, useremo antenne giganti di classe 70 m del Deep Space Network della NASA o l'equivalente russo a Kalyazin o Bear Lakes, trasmettere il segnale radio in banda X verso Marte e raccogliere la sua replica ritardata trasmessa da LaRa e "segnata Doppler" da Marte, tutto questo con appena 5 W di potenza radio generata da LaRa, " spiega l'ingegnere a microonde dell'ESA Václav Valenta, gestione del progetto LaRa.

"Ma LaRa su Marte avrà bisogno di una sensibilità sufficiente per rilevare segnali radio a partire da pochi attowatt, trilionesimi di watt. Quando Marte e la Terra si avvicineranno, al loro punto più vicino a soli 54,6 milioni di km, allora le stazioni di terra europee di Estrack saranno in grado di chiudere il collegamento anche con LaRa.

"Tali scenari sono stati testati con successo durante due campagne di test di compatibilità delle radiofrequenze nel centro di controllo della missione ESOC dell'ESA a Darmstadt, Germania."

La scarsa atmosfera marziana è un fattore complicante. Tra i lati positivi, la sua presenza consente alla convezione di portare via il calore di scarto. Ma mentre è più di cento volte più sottile dell'aria terrestre, il funzionamento a radiofrequenza al suo interno lascia ancora il rischio di effetti corona:ionizzazione di gas locali che possono causare interferenze e scariche potenzialmente dannose simili a fulmini.

"Per eliminare qualsiasi rischio corona, LaRa è stato precedentemente sottoposto ad analisi e test rigorosi presso il Laboratorio di radiofrequenze ad alta potenza dell'ESA a Valencia, Spagna, "aggiunge Vaclav.

"È stato anche sottoposto a test all'interno della camera Maxwell di ESTEC per la compatibilità elettromagnetica, per verificare che tutti i suoi elementi funzionino correttamente insieme. Inoltre, un modello di shock dedicato di LaRa è stato sviluppato e testato presso l'ESTEC Test Center per verificare la robustezza di LaRa contro gli shock meccanici indotti dalla separazione del modulo portante e dal getto dello scudo termico."

Una volta completato il test di LaRa nell'MSL, lo strumento è stato trasferito al Laboratorio di metrologia dell'ESA, per misurazioni di precisione della sua planarità superficiale. Deve essere preciso fino a una scala di poche decine di micrometri, millesimi di millimetro, per un adattamento ottimale e un contatto termico con l'interfaccia del lander, contribuendo a mantenere una buona temperatura operativa su Marte.

Da ESTEC LaRa sarà trasportato all'Istituto di ricerca spaziale dell'Accademia delle scienze russa, IKI, per il collaudo finale di accettazione. Sarà poi spostato a Cannes in Francia dove sarà integrato sulla Surface Platform con il resto del lander e testato a livello di full-assembly.

"L'opportunità di volare si è aperta alla fine del 2015 e gli effettivi sviluppi verso il modello di volo sono iniziati solo un anno dopo, quindi il team di LaRa ha dovuto lavorare molto duramente per arrivare a questo punto, " aggiunge Václav. ExoMars 2020 dovrebbe essere lanciato dal lanciatore russo Proton da Baikonur in Kazakistan nel luglio 2020.