کاوشگر اینسایت ناسا؛ اولین کاوشگر لرزه‌نگار سیاره مریخ

کاوشگر اینسایت (InSight، کاوش ساختار داخلی با استفاده از تحقیقات لرزه‌نگاری، ژئودزی و انتقال حرارت) یکی از مأموریت‌های سازمان ملی هوانوردی و فضایی آمریکا (ناسا) برای بررسی ساختار داخلی سیاره مریخ بوده است. این کاوشگر ثابت، برخلاف کاوشگران متحرک پیشین، بر روی سطح مریخ فرود آمد تا با ابزارهای پیشرفته خود، نشانه‌های تشکیل سیاره‌های سنگی را در عمق زمین مریخ جستجو کند. هدف اصلی این مأموریت، اندازه‌گیری نبض (لرزه‌نگاری)، دما (جریان حرارتی) و رفلکس‌های (پیگیری دقیق چرخش) سیاره بود تا درک بهتری از فرآیندهای شکل‌گیری سیاره‌های داخلی منظومه شمسی به دست آید. این کاوشگر توسط آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL) ناسا مدیریت شد و با همکاری نهادهای اروپایی مانند مرکز ملی مطالعات فضایی فرانسه (CNES) و مرکز هوافضای آلمان (DLR) ساخته گردید. فرود موفق آن در دشت الیسیوم پلانیتیا، نقطه عطفی در اکتشافات مریخی به شمار می‌رود و داده‌های به‌دست‌آمده از آن، دانش بشری را درباره تکامل سیاره‌ها غنی ساخت.

ساختار کاوشگر اینسایت بر پایه طراحی کاوشگر فینیکس ناسا بود، اما با بهبودهایی برای مأموریت طولانی‌تر. پنل‌های خورشیدی بزرگ‌تر برای تأمین انرژی، بازوی رباتیک برای قرار دادن ابزارها روی سطح، و سپر حرارتی مقاوم در برابر ورود به جو مریخ، از ویژگی‌های کلیدی آن بودند. اینسایت نه تنها به بررسی لایه‌های زیرین مریخ پرداخت، بلکه فعالیت‌های لرزه‌ای و تأثیر شهاب‌سنگ‌ها را نیز ثبت کرد. با وجود چالش‌هایی مانند پوشش گرد و غبار بر پنل‌های خورشیدی که در نهایت به پایان مأموریت منجر شد، دستاوردهای علمی آن فراتر از انتظارات اولیه بود و اطلاعات ارزشمندی درباره هسته، پوسته و جبه مریخ ارائه داد.

اهداف کاوشگر اینسایت

کاوشگر اینسایت بخشی از برنامه دیسکاوری ناسا بود که بر مأموریت‌های متمرکز و کم‌هزینه تأکید دارد. پیشنهاد اولیه این مأموریت در سال‌های پیشین مطرح شد و پس از رقابت با دیگر طرح‌ها، در سال ۲۰۱۲ انتخاب گردید. پرتاب اولیه برای سال ۲۰۱۶ برنامه‌ریزی شده بود، اما به دلیل مشکلات فنی در ابزار لرزه‌نگار، به سال ۲۰۱۸ موکول شد. این تأخیر فرصت لازم برای رفع نقص‌ها را فراهم کرد و در نهایت، کاوشگر با موشک اطلس وی از پایگاه وندنبرگ در کالیفرنیا به فضا پرتاب گردید. سفر شش‌ماهه به مریخ با موفقیت طی شد و فرود در نوامبر ۲۰۱۸ انجام گرفت.

اهداف اصلی مأموریت، درک فرآیندهای تشکیل سیاره‌های سنگی مانند زمین، زهره، عطارد و مریخ بود. دانشمندان باور دارند که مریخ، به دلیل فعالیت زمین‌شناختی کم، رکوردهای اولیه تشکیل خود را بهتر حفظ کرده است. این کاوشگر با تمرکز بر ساختار داخلی، به سؤالاتی درباره اندازه هسته، ضخامت پوسته و جریان حرارتی پاسخ داد. همچنین، اندازه‌گیری فعالیت لرزه‌ای و نرخ برخورد شهاب‌سنگ‌ها، اطلاعات جدیدی درباره وضعیت فعلی سیاره ارائه کرد. این اهداف نه تنها به شناخت مریخ کمک کرد، بلکه مقایسه آن با زمین را ممکن ساخت و درک از تکامل سیاره‌های فراخورشیدی را افزایش داد.

برنامه‌ریزی مأموریت برای یک سال مریخی (نزدیک به دو سال زمینی) بود، اما با تمدید، بیش از چهار سال ادامه یافت. همکاری بین‌المللی در ساخت ابزارها، مانند لرزه‌نگار توسط فرانسه و پروب حرارتی توسط آلمان، نشان‌دهنده اهمیت جهانی این اکتشاف بود. داده‌های جمع‌آوری‌شده، پایه‌ای برای مأموریت‌های آینده مانند نمونه‌برداری از مریخ فراهم کرد. مأموریت همچنین به بررسی تأثیر جو نازک مریخ بر اندازه‌گیری‌ها پرداخت و ابزارهای هواشناسی برای تفکیک سیگنال‌های لرزه‌ای از نویزهای جوی تعبیه شد. در نهایت، اینسایت نخستین کاوشگری بود که به طور اختصاصی به بررسی فضای داخلی مریخ پرداخت و میراثی ماندگار از خود بر جای گذاشت.

طراحی و ساختار کاوشگر

طراحی کاوشگر اینسایت ناسا بر پایه تجربیات کاوشگر فینیکس بود که در سال ۲۰۰۸ با موفقیت فرود آمد. بدنه اصلی شامل صفحه‌ای برای ابزارها، پنل‌های خورشیدی قابل بازشدن و بازوی رباتیک بود. پنل‌های خورشیدی، با مساحت بیشتر نسبت به مدل‌های پیشین، برای تأمین انرژی در شرایط گرد و غباری مریخ طراحی شدند. سپر حرارتی و پاراشوت برای ورود ایمن به جو، و موتورهای کنترل فرود برای نشست نرم بر سطح، از اجزای کلیدی مرحله فرود بودند.

بازوی رباتیک، با طول حدود ۲.۴ متر، نقش حیاتی در قرار دادن ابزارها بر سطح داشت. این بازو مجهز به دوربین‌های رنگی برای تصویربرداری سه‌بعدی از محل کار بود و امکان جابه‌جایی دقیق ابزارها را فراهم می‌کرد. ساختار فرودگر شامل محفظه حرارتی برای حفاظت در برابر سرمای مریخ و سیستم ارتباطی برای ارسال داده‌ها به زمین از طریق مدارگردهای موجود بود.

وزن کلی کاوشگر حدود ۶۹۴ کیلوگرم بود و با سوخت پرتاب، به مریخ رسید. دو مکعب‌نشین کوچک همراه (MarCO) برای آزمایش فناوری ارتباطی در مسیر پرتاب شدند و نخستین انتقال داده از فرود را انجام دادند. این طراحی، تعادلی میان هزینه پایین و قابلیت‌های علمی بالا ایجاد کرد. ساخت کاوشگر اینسایت توسط شرکت لاکهید مارتین انجام شد و آزمایش‌های گسترده در اتاق‌های تمیز برای اطمینان از عملکرد در شرایط مریخی صورت گرفت. این ساختار مقاوم، کاوشگر را قادر ساخت تا بیش از چهار سال در محیط خشن مریخ دوام بیاورد.

ابزارهای علمی اصلی کاوشگر اینسایت

• لرزه‌نگار (SEIS، آزمایش لرزه‌نگاری برای ساختار داخلی): ابزار اصلی برای ثبت لرزه‌های مریخی، ساخته‌شده توسط فرانسه. این لرزه‌نگار بسیار حساس، قادر به تشخیص ارتعاشات کوچک بود و با پوشش محافظ در برابر باد و دما قرار گرفت.
• پروب جریان حرارتی (HP3، بسته جریان حرارتی و خواص فیزیکی): ساخته‌شده توسط آلمان، شامل میله خودکوبنده (معروف به خال) برای نفوذ به عمق پنج متری و اندازه‌گیری دما در لایه‌های زیرین. این ابزار برای محاسبه جریان حرارتی از هسته به سطح طراحی شد.
• آزمایش چرخش و ساختار داخلی (RISE): استفاده از آنتن‌های رادیویی برای اندازه‌گیری دقیق نوسانات چرخشی مریخ و تعیین ساختار هسته.
• سنسورهای هواشناسی (APSS): شامل فشارسنج، دماسنج، بادسنج و مغناطیس‌سنج برای کمک به تفکیک سیگنال‌های لرزه‌ای از نویزهای محیطی.
• دوربین‌ها (IDC و ICC): دوربین روی بازو برای تصویربرداری دقیق از محل قرارگیری ابزارها و دوربین زیر بدنه برای نظارت بر محیط اطراف.
• رادیومتر حرارتی: بخشی از HP3 برای اندازه‌گیری دمای سطح.

فرآیند پرتاب، سفر و فرود

پرتاب کاوشگر اینسایت ناسا در ماه می ۲۰۱۸ با موشک اطلس وی انجام شد و نخستین پرتاب بین‌سیاره‌ای از ساحل غربی آمریکا بود. سفر شش‌ماهه شامل تنظیم مسیر و آزمایش سیستم‌ها بود. دو مکعب‌نشین همراه برای آزمایش ارتباط مستقل استفاده شدند. فرود در دشت الیسیوم پلانیتیا، منطقه‌ای هموار برای ایمنی، صورت گرفت. فرآیند ورود، نزول و فرود (EDL) حدود هفت دقیقه طول کشید و شامل سپر حرارتی، پاراشوت و موتورهای فرود بود. پس از فرود، پنل‌های خورشیدی باز شدند و نخستین تصاویر ارسال گردید.

انتخاب محل فرود بر پایه ایمنی و نزدیکی به استوا برای انرژی خورشیدی بود. این فرآیند، مشابه کاوشگر فینیکس، با موفقیت کامل انجام شد و کاوشگر آماده عملیات سطحی گردید. داده‌های اولیه تأیید سلامت سیستم‌ها را نشان داد و مرحله استقرار ابزارها آغاز شد.

استقرار ابزارها و عملیات اولیه

پس از فرود، بازوی رباتیک ابزارها را از صفحه کاوشگر برداشت و بر سطح قرار داد. نخستین ابزار، لرزه‌نگار بود که در فاصله مناسبی از بدنه قرار گرفت تا نویز کمتری دریافت کند. پوشش محافظ بر روی آن نصب شد تا از تغییرات دمایی و باد محافظت کند. پروب حرارتی بعدی قرار گرفت، اما چالش‌هایی در نفوذ آن به وجود آمد. عملیات اولیه شامل تصویربرداری از محیط و آزمایش ابزارها بود. تیم زمینی با برنامه‌ریزی دقیق، ابزارها را در موقعیت بهینه قرار داد. این مرحله چند ماه طول کشید و نیازمند هماهنگی دقیق بود. داده‌های اولیه از سنسورهای هواشناسی، اطلاعات ارزشمندی درباره جو مریخ ارائه داد.

پروب حرارتی اینسایت، معروف به خال، برای نفوذ به عمق پنج متری طراحی شده بود، اما با خاک چسبنده و غیرمنتظره مریخ مواجه شد. این خاک، برخلاف پیش‌بینی‌ها، اصطکاک کافی برای پیشرفت خال فراهم نکرد و آن را به عقب رانده می‌شد. تیم مهندسی با استفاده از بازوی رباتیک، تلاش‌های خلاقانه‌ای برای کمک به خال انجام داد، مانند فشار دادن به دیواره گودال یا ریختن خاک بر روی آن. این تلاش‌ها خال را تا عمق حدود ۴۰ سانتی‌متر برد، اما به هدف اصلی نرسید. با وجود شکست در رسیدن به عمق کامل، داده‌های به‌دست‌آمده درباره خواص فیزیکی خاک مریخ ارزشمند بود و درس‌هایی برای مأموریت‌های آینده ارائه داد.

دستاوردهای لرزه‌نگاری

لرزه‌نگار اینسایت بیش از ۱۳۰۰ رویداد لرزه‌ای ثبت کرد که بسیاری از آن‌ها لرزه‌های مریخی بودند. بزرگ‌ترین آن‌ها با بزرگی تقریبی ۵ بود و ارتعاشات طولانی‌مدتی ایجاد کرد.

داده‌ها ساختار سه‌لایه پوسته، جبه و هسته را تأیید کرد و نشان داد هسته مایع و بزرگ‌تر از انتظار است. ثبت برخورد شهاب‌سنگ‌ها، نرخ تأثیرات را مشخص کرد و اطلاعات درباره پوسته ارائه داد. این نخستین اندازه‌گیری مستقیم لرزه‌های یک سیاره دیگر بود.

داده‌های کاوشگر اینسایت نشان داد پوسته مریخ نازک‌تر از انتظار، حدود ۲۵ تا ۴۰ کیلومتر، و در سه لایه داخلی است. جبه دارای قطعات پراکنده از تأثیرات باستانی است و هسته مایع با شعاع حدود ۱۸۰۰ کیلومتر. جریان حرارتی، هرچند کامل اندازه‌گیری نشد، از داده‌های جزئی تخمین زده شد. این کشف‌ها مریخ را به عنوان سیاره‌ای با تاریخچه پرتلاطم نشان داد. مقایسه با زمین، تفاوت‌های تکاملی را روشن کرد و به درک تشکیل سیاره‌های سنگی کمک نمود.

پایان مأموریت کاوشگر اینسایت و میراث علمی

گرد و غبار انباشته بر پنل‌های خورشیدی، انرژی را کاهش داد و مأموریت در دسامبر ۲۰۲۲ پایان یافت. آخرین تماس در اواسط دسامبر بود و ناسا آن را رسماً خاتمه داد. با وجود پایان، داده‌ها برای سال‌ها تحلیل خواهند شد و میراثی ماندگار برجای گذاشت. این مأموریت کتاب‌های درسی را درباره ساختار مریخ بازنویسی کرد. درس‌های مهندسی برای مأموریت‌های آینده مفید است و همکاری بین‌المللی را تقویت کرد. کاوشگر اینسایت دریچه‌ای به عمق سیاره سرخ گشود و بشریت را به درک بهتر خانه خود نزدیک‌تر ساخت.