Il 26 novembre Il lander InSight della NASA completerà il suo viaggio di sei mesi e mezzo verso Marte, atterrando a Elysium Planitia, un'ampia pianura vicino all'equatore marziano che ospita la seconda regione vulcanica più grande del pianeta.

Là, Gli scienziati della NASA sperano di "fare al Pianeta Rosso il primo controllo approfondito da quando si è formato 4,5 miliardi di anni fa, " secondo il sito web della missione InSight. Le missioni precedenti hanno esaminato le caratteristiche sulla superficie, ma molte firme della formazione del pianeta, che possono fornire indizi su come si sono formati tutti i pianeti terrestri, possono essere trovate solo percependo e studiando i suoi "segni vitali" molto al di sotto della superficie.

Per controllare quei segni vitali, InSight sarà dotato di due pacchetti di strumenti principali:un sismometro per studiare come le onde sismiche (ad esempio, da terremoti e impatti di meteoriti) viaggiano attraverso il pianeta e una "talpa" che scaverà nel terreno, trascinando un cavo con sensori di temperatura dietro di esso per misurare come le temperature cambiano con la profondità del pianeta. Questi strumenti parleranno agli scienziati della struttura interna di Marte (simile al modo in cui un ultrasuono consente ai medici di "vedere" all'interno di un corpo umano) e anche del flusso di calore dall'interno del pianeta.

Gli ingegneri sperano che la talpa raggiunga una profondità compresa tra tre e cinque metri, abbastanza in basso da essere isolata dalle fluttuazioni di temperatura del giorno e della notte e dal ciclo annuale di Marte sulla superficie soprastante. I contatori potrebbero non sembrare molto, ma scavare così lontano utilizzando solo apparecchiature che possono essere lanciate su un veicolo spaziale e controllate da 55 milioni di miglia di distanza è una sfida tecnica che non è mai stata tentata prima.

Usando un peso scorrevole all'interno del suo corpo stretto, la Talpa, che è lungo 15,75 pollici (400 millimetri) e pesa solo 1,9 libbre (860 grammi), si conficca nel terreno, 1 mm alla volta, mentre trascina un cavo che è costellato di 14 sensori di temperatura lungo la sua lunghezza. Un trapano tradizionale che tenta di eseguire lo stesso compito dovrebbe essere lungo quanto il foro che stava tentando di perforare e avrebbe bisogno di una massiccia struttura di supporto. Se dovesse martellare continuamente, la talpa impiegherebbe da poche ore a qualche giorno per raggiungere la sua profondità finale, seconda delle caratteristiche del terreno. Però, la talpa si fermerà ogni 50 centimetri per misurare la conducibilità termica del suolo, un processo che richiede periodi di raffreddamento e riscaldamento della durata di diversi giorni. Con il tempo aggiuntivo necessario per valutare i progressi e inviare nuovi comandi, la talpa potrebbe impiegare sei settimane o più per raggiungere la sua profondità finale.

Quando si progetta la sonda, ingegneri presso JPL, che Caltech gestisce per la NASA, voleva essere certo che la talpa sarebbe stata in grado di raggiungere la profondità necessaria, e così hanno chiamato José Andrade del Caltech, George W. Housner Professore di Ingegneria Civile e Meccanica nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate ed esperto di fisica dei materiali granulari.

"Circa cinque anni fa, quando la talpa continuava a rimanere bloccata durante i test, il team di InSight ha riunito quello che viene chiamato un "team della tigre":un gruppo di specialisti di diverse aree che vengono chiamati per aiutare a risolvere un problema, " Dice Andrade. "Sono stato chiamato a far parte di questa squadra di tigri come esperto di meccanica del suolo".

Poiché il suolo è un materiale granulare, un conglomerato di particelle solide ciascuna più grande di un micrometro, presenta proprietà alquanto insolite. Per esempio, il terreno composto da particelle rotonde scorrerà facilmente mentre le particelle scivolano l'una sull'altra, come sabbia in una clessidra. Ma il terreno composto dalle stesse dimensioni di particelle ma con forme più frastagliate e angolari si unirà insieme come pezzi di un puzzle e non può fluire senza una significativa forza esterna.

I materiali granulari possono essere descritti come oggetti singolari che si deformeranno in base al loro stato critico di plasticità:un modello idealizzato di come i gruppi di grani si forzeranno l'uno sull'altro quando viene applicato loro uno stress. Quella plasticità è governata dalla pressione dell'aria e dalla forza di gravità. Come tale, è difficile simulare in laboratorio la plasticità allo stato critico di un materiale granulare su Marte, che ha un terzo della gravità e lo 0,6 percento della pressione atmosferica della Terra a livello del mare.

"Abbiamo continuato a cercare di estrapolare come la plasticità dello stato critico si sarebbe tradotta su Marte, " Dice Andrade. "Senza saperlo, non siamo riusciti a modellare in modo efficace quanta resistenza dovrebbe affrontare la talpa di InSight quando tenta di perforare il suolo di Marte, e se potesse raggiungere la profondità desiderata. Così, questo ha suscitato un chiaro bisogno di maggiore comprensione".

Per aiutare a studiare la penetrazione della talpa in un materiale granulare, Andrade e il team di InSight hanno assunto il ricercatore post-dottorato Ivan Vlahinic, che aveva recentemente completato un dottorato di ricerca presso la Northwestern University. Vlahinic ha messo a punto dei test in cui i primi modelli della talpa sono stati monitorati e analizzati matematicamente mentre si facevano strada attraverso una colonna di vetro riempita di sabbia.

Andrade, Vlahinico, e i loro colleghi hanno scoperto che la minore pressione di sovraccarico di Marte, rispetto alla Terra, renderà effettivamente più difficile per la talpa penetrare nel suolo di Marte. La pressione di sovraccarico è la pressione su uno strato di roccia o sabbia esercitata dal materiale accatastato sopra di esso. Ad ogni data profondità, la pressione di sovraccarico su Marte è un terzo di quella terrestre, corrispondente alla gravità inferiore del Pianeta Rosso. Per la stessa frazione di imballaggio - la quantità di spazio riempito dal materiale - la bassa pressione consente ai materiali granulari di esistere in uno stato più sciolto che aumenta effettivamente il numero di contatti individuali che ogni grano ha con i suoi vicini, e questo aumenta la resistenza complessiva del materiale alla penetrazione.

La ricerca di Vlahinic fu infine rilevata da Jason Marshall, che ha conseguito un dottorato di ricerca presso la Carnegie Mellon University nel 2014 e ha lavorato come ricercatore post-dottorato al Caltech dal 2015 al 2018.

"Non abbiamo studiato solo la penetrazione, ma anche come il calore si muove attraverso il suolo, " dice Marshall. "Una delle cose che InSight cerca di capire è come la temperatura del pianeta cambia con la profondità. Quello che abbiamo scoperto è che mentre deformiamo la sabbia, le particelle sono ovviamente in fase di riarrangiamento, e questo influenzerà le misurazioni della conduttività termica." Man mano che i materiali granulari si deformano, la quantità di spazio tra i singoli grani cambia, regolare la quantità di spazio attraverso il quale il calore si irradierà o condurrà attraverso la sottile atmosfera del pianeta. Aumenta anche il numero di contatti da grano a grano poiché il terreno è più compatto.

Con questa conoscenza, Andrade è stato in grado di sviluppare nuovi modelli al computer che hanno aiutato il team del JPL a prevedere l'efficacia della talpa nel suolo marziano. A meno che la talpa non incontri un ostacolo, è sicuro che avrà successo.

"I test mostrano che questa cosa può andare molto più in profondità di due metri. Un rompicapo potrebbe essere una grande formazione di roccia che blocca il percorso della talpa, ma il team di selezione del sito di atterraggio di InSight ha scelto una posizione su Marte il più possibile priva di rocce, " dice. Inoltre, armati delle informazioni di Marshall sull'effetto del riarrangiamento delle particelle sulla conduttività termica, InSight dovrebbe essere in una buona posizione non solo per raggiungere la profondità desiderata, ma anche restituire informazioni accurate sulla temperatura a quella profondità, dice Andrade.

Per adesso, Andrade e i suoi ex dottori di ricerca possono solo guardare e aspettare. "Abbiamo fatto tutto il possibile qui sulla Terra. Ora tocca a InSight, " lui dice.