اولین لیدار سیاره‌ای ناسا

ناسا در توسعه‌ی واسط جدید خود، فناوری لیدار* بادی را برای مطالعه‌ی بادهای مریخ تطبیق داده است.

دانشمندان ناسا در جهت ساخت یک واسطه‌ی جدید، راهی برای تطبیق مجموعه‌‌ای از فناوری‌های توسعه‌یافته پیدا کرده‌اند، هدف آن‌ها کشف جزئیاتی در مورد بادهای مریخ و همین‌طور تیتان (بزرگ‌ترین قمر زحل) است.

به‌گفته‌ی مایک اسمیت، دانشمند سیاره‌ای مرکز پرواز فضای گودارد ناسا، عملکرد آن‌ها در بهبود فناوری جدید موفقیت‌آمیز بوده است. اسمیت با دانشمندی به نام جیم ابشایر برای ساخت یک مدل تست نمایشی یا تجربی از MARLI همکاری می‌کند، این واژه کوتاه‌شده‌ی عبارت لیدار مریخی برای اندازه‌گیری‌های آب و هوای جهانی از مدار است. اسمیت این پرسش را مطرح می‌کند: چرا باید برای تطبیق فناوری‌های جدید، از صفر شروع کنیم؟

اولین لیدار سیاره‌ای ناسا

تیم پژوهشی معتقد است MARLI آزمایشی به‌اندازه‌ی کافی برای ارائه‌ی یک مأموریت مداری در چندسال آینده بالغ شده است، در نتیجه می‌تواند به اولین لیدار بادی سیاره‌ای ناسا تبدیل شود. وظیفه‌ی این واسطه، تنظیم توزیع عمودی گازهای جوی از جمله گردوغبار و ذرات یخ است و برای شناسایی نحوه‌ی تغییر شرایط در طول زمان، مکان و فصل به اندازه‌گیری مستقیم سرعت اولیه‌ی باد می‌پردازد.

این اطلاعات برای درک هر چیزی از جمله انتقال عناصر زیستی مثل متان تا فراهم کردن ورودی برای مدل‌های چرخش جهانی جوی ضروری هستند و به شناسایی موقعیت‌های فرودی دقیق و ایمن سفینه‌ی فضایی هم کمک می‌کنند.

تیم پژوهشی، MARLI را به‌عنوان واسطه‌ی بالقوه‌ی نسل بعدی برای بررسی جو رقیق مریخ در نظر گرفته است و از طریق برنامه‌ی PICASSO (راه‌کارهای واسطه‌ی سیاره‌ای ناسا برای رصدهای منظومه‌ی شمسی) به توسعه‌ی این راهبرد می‌پردازد. به گفته‌ی ابشایر، می‌توان از یک نسخه‌ی تغییریافته هم برای بررسی تیتان استفاده کرد. ابشایر و تیم او اخیرا برنده‌ی سرمایه‌گذاری توسعه و پژوهش در مورد واسطه‌های ناسا به‌منظور اکتشافات منظومه‌ی شمسی (برنامه‌ی MatISSE) شده‌اند، هدف آن‌ها توسعه‌ی بیشتر MARLI و تطبیق‌های لازم برای بررسی آینده‌ی تیتان است. اسمیت می‌گوید:

پس از بیست سال پیاده‌سازی مدارپیما و مریخ‌نوردهای مختلف،  نکات زیادی در مورد شرایط محیطی مریخ از جمله دما و گازهای جوی آموختیم.  با این حال اندازه‌گیری‌های مستقل در دسترس دانشمندان بسیار کم هستند، بعضی مریخ‌نوردها بادهایی با سرعت ۷۲ کیلومتر بر ساعت یا سریع‌تر ثبت کرده‌اند. اگرچه جو مریخ تراکم پایینی دارد، قدرت بادها برای افزایش گردوغبار در سیاره کافی است. اگر بخواهیم فهرستی از عوامل ناشناخته در مریخ را بنویسیم، بادهای مریخ در صدر لیست قرار می‌گیرند.

ابشایر اضافه کرد اگر دانشمندان اطلاعات کمی از بادهای مریخی داشته باشند، اطلاعات اندکی هم از عناصر  جوی و متغیر تیتان به دست خواهند آورد؛ زیرا تیتان تنها قمر با جو متراکم است و در کنار زمین، تنها جرمی است که بدنه‌های پایداری از مایعات در سطح آن دیده می‌شود.

بعضی از مؤلفه‌های واسطه‌ی MARLI در اینجا همراه با تیم توسعه‌دهنده‌ی واسطه نشان داده شده‌اند. ردیف جلو از چپ به راست: دنیل کرمونز و گراهان آلن. ردیف عقب از چپ به راست: مایک اسمیت، جیم آبشیایر، هریس ریریس و زیائولی سان.

راه حل

توسعه‌دهندگان MARLI معتقدند که می‌توانند راه‌ حلی برای این مشکل ارائه دهند. شعاع این واسطه از مدار  آن حول مریخ یا تیتان، دقیقا در زاویه‌ی ۳۰ درجه‌ی حضیض (دقیقا زیر سفینه) قرار دارد. در این جهت، واسطه درست مثل رادار داپلر عمل می‌کند، رادار دوپلر یک نوع رادار ویژه است که به اندازه‌گیری سرعت اولیه می‌پردازد. این رادار  با بازتاب یک سیگنال مایکروویو از هدف دلخواه به ثبت سرعت اولیه می‌پردازد و سپس بررسی می‌کند که حرکت جسم چگونه می تواند منجر به تغییر فرکانس سیگنال بازگشتی شود. با این حال MARLI  به‌جای موج‌های مایکروویو یا رادیویی، با لیزر به انتشار ضربه‌ای نور مادون قرمز به سمت سطح می‌پردازد.

این اندازه‌گیری‌ها  یک نمای سه‌بعدی از ساختار بادی و غباری مریخ را نشان می‌دهند

به‌د لیل وجود ذرات یخ و گردوغبار در جو، بعضی از نورها قبل از رسیدن به سطح منحرف می‌شوند و بعضی از نورها به سمت تلسکوپ MARLI باز می‌گردند. این تلسکوپ سیگنال‌های بازگشتی را جمع‌آوری می‌کند و آن‌ها را به آشکارسازهای واسطه بازمی‌گرداند. داده‌های حاصل نه‌تنها سرعت بادها بلکه توزیع غبار و یخ را در آن قسمت از جو نمایش می‌دهند. این اندازه‌گیری‌ها  یک نمای سه‌بعدی از ساختار بادی و غباری مریخ و نحوه‌ی تغییر آن با زمان، مکان و فصل را نمایش می‌دهند. ابشایر می‌گوید:

این روش با احتمال بالای موفقیت روبه‌رو است و لیزر کلیدی و فناوری‌های گیرنده‌ی مأموریت‌های گذشته‌ی لیدار و توسعه‌های دیگر را بهبود می‌بخشد که شامل بعضی از شاخصه‌های سطح یا توپوگرافی‌ مریخ، عطارد و ماه هستند. دشوارترین قسمت اندازه‌گیری‌های مریخ است.

تطبیق روش‌های اندازه‌گیری و فناوری‌ها

لیزر MARLI که توسط شرکت هرندون واقع در ویرجینیا ساخته شده است، بر اساس یکی از دستگاه‌های گذشته‌ی این شرکت تطبیق یافت و کاربرد آن سیستم، انتقال گازهای معلق گودارد (CATS) بود. CATS یک واسطه‌ی وابسته به فضاپیما است که توسعه‌دهندگان آن را تغییر دادند و در سال ۲۰۱۵ روی ایستگاه فضایی بین‌المللی نصب کردند. وظیفه‌ی این واسطه جمع‌آوری اطلاعات جهانی دقیق از ابرهای زمین و عناصر جوی بود. پس از ۳۳ ماه کار در مدار، فعالیت آن در اواخر سال ۲۰۱۷ به پایان رسید.

علاوه بر این، تلسکوپ MARLI بر اساس تلسکوپ آلتیمتر (ارتفاع سنج) لیزری مدارپیمای مریخ تطبیق یافته است؛ واسطه‌ای که روی فضاپیمای Mars Global Suerveyor پرواز می‌کند و روش اندازه‌گیری بادی آن مشابه واسطه‌ی هوابرد معروف به TwiLiTE (مخفف آزمایش فناوری لیدار بادی تروپوسفری) است.

فناوری آشکارساز، ساخت زائولی سان و شریک صنعتی آن دالاس، DRS، (فناوری جدید تطبیق‌یافته برای اندازه‌گیری باد) را ارائه می‌دهد. این آشکارساز اولین واسطه‌ی شمارنده‌ی فوتونی حساس به طول موج میانی مادون قرمز  است. این طول موج نقطه‌ی مناسبی برای کاربردهای حسگر ریموت از جمله کشف یخ است.

این آشکارساز مجهز به یک مبدل است که سیگنال‌های بازگشتی را به شماره‌ی فوتون تبدیل می‌کند و در نوع خود منحصربه‌فرد است. هر آشکارساز در اندازه‌ی هسته، هر فوتون تبدیل‌شده در سیگنال بازگشتی را ثبت می‌کند و حساسیت بی‌سابقه‌ای به آن می‌دهد. علاوه بر این، فناوری آشکارساز در دو واسطه‌ی لیزری هوابرد کاربرد دارد که ابشایر و هریس ریریس آن را برای اندازه‌گیری کربن دی‌اکسید و متان موجود در جو طراحی کرده‌اند. به گفته‌ی ابشایر:

MARLI یک نمونه‌ی منحصربه‌فرد است که همراه با یک واسطه‌ی مستقل می‌تواند به سؤال‌های مهم علمی پاسخ دهد. در نتیجه می‌توانیم به درک بهتری از رویدادهای جوی از جمله انتقال ذرات غبار و یخ و پیدایش طوفان‌های غباری برسیم. 

*لیدار
لیدار (به انگلیسی: Lidar) یکی از فناوری‌های سنجش از راه دور است که از طریق روشن کردن هدف با لیزر و تجزیه و تحلیل نور منعکس‌شده، فاصله‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. فناوری لیدار مشابه اصول رادار کار می‌کند که بعضی اوقات نیز رادار لیزری نامیده می‌شود. اختلاف اصلی بین لیدار و رادار در واقع نوع طول موج‌های تابشی مورد استفاده‌است. رادار از طول موج‌هایی در ناحیه رادیویی استفاده می‌کند در حالی که لیدار طول موج‌های لیزری بکار می‌برد.