کاوشگر فینیکس که در سال ۲۰۰۷ میلادی توسط ناسا پرتاب شد، یک فرودگر ثابت بر سطح مریخ بود که در منطقه قطبی شمالی این سیاره فرود آمد. این مأموریت، نخستین پروژه در برنامه اسکات ناسا به شمار میرفت و هدف آن کاوش تاریخچه آب در خاک یخزده قطبی مریخ و جستجو برای نشانههای احتمالی حیات میکروبی بود. فینیکس از قطعات و ابزارهای ساختهشده برای مأموریتهای لغوشده قبلی مانند مارس سورویور ۲۰۰۱ و مارس پولار لندر استفاده کرد و به همین دلیل، نمادی از احیای مجدد محسوب میشد. این کاوشگر در تاریخ ۲۵ مه ۲۰۰۸ میلادی (۴ خرداد ۱۳۸۷ خورشیدی) با موفقیت در دشتهای شمالی مریخ فرود آمد و بیش از پنج ماه فعالیت کرد، در حالی که مأموریت اصلی آن تنها سه ماه پیشبینی شده بود. فینیکس نخستین فرود موفق در منطقه قطبی مریخ بود و دادههای ارزشمندی درباره یخ آب زیرسطحی و شیمی خاک این سیاره ارائه داد.
کاوشگر فینیکس توسط دانشگاه آریزونا هدایت شد و مدیریت پروژه آن بر عهده آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) بود. شرکت لاکهید مارتین نیز مسئولیت ساخت بدنه اصلی را داشت. فینیکس با بودجهای حدود ۴۲۰ میلیون دلار، یکی از مأموریتهای مقرونبهصرفه ناسا به شمار میرفت و مشارکتهای بینالمللی از جمله آژانس فضایی کانادا، آلمان و سوئیس را در ابزارهای خود داشت.
معرفی کاوشگر فینیکس
کاوشگر فینیکس که نام کامل آن Phoenix Mars Lander است، در چهارم اوت ۲۰۰۷ میلادی (۱۳ مرداد ۱۳۸۶ خورشیدی) از پایگاه کیپ کاناورال فلوریدا با موشک دلتا II پرتاب شد. این کاوشگر پس از سفری حدود دهماهه، در ۲۵ مه ۲۰۰۸ میلادی در منطقهای به نام Vastitas Borealis در عرض جغرافیایی ۶۸.۲۲ درجه شمالی و طول جغرافیایی ۱۲۵.۷ درجه غربی فرود آمد. این مکان، معادل عرض جغرافیایی شمالی آلاسکا روی زمین است و نخستین بار بود که یک کاوشگر در چنین عرض بالایی مریخ فرود میآمد.
فینیکس از ساختار فرودگر مارس سورویور ۲۰۰۱ که در سال ۲۰۰۰ لغو شده بود، استفاده کرد و بسیاری از ابزارهای آن نیز از مأموریت ناموفق مارس پولار لندر در سال ۱۹۹۹ بازسازی شدند. این رویکرد، هزینهها را کاهش داد و امکان استفاده از فناوریهای آزمایششده را فراهم کرد. کاوشگر فینیکس حدود ۳۵۰ کیلوگرم وزن داشت و شامل یک بدنه اصلی سهپایه، دو پنل خورشیدی دایرهایشکل و یک بازوی رباتیک ۲.۳۵ متری بود. این بازو قادر به حفاری تا عمق نیممتری خاک بود و نمونهها را به ابزارهای تحلیلی روی عرشه کاوشگر منتقل میکرد.
مأموریت فینیکس بیش از انتظار اولیه دوام آورد و تا دوم نوامبر ۲۰۰۸ میلادی (۱۲ آبان ۱۳۸۷ خورشیدی) فعالیت کرد، زمانی که با کاهش نور خورشید در زمستان مریخی، انرژی پنلهای خورشیدی آن کافی نبود. این کاوشگر بیش از ۲۵ هزار تصویر ارسال کرد و کشفهای مهمی مانند وجود یخ آب زیرسطحی و نمک پرکلرات در خاک مریخ داشت. مشارکت بینالمللی در این مأموریت برجسته بود؛ برای مثال، ایستگاه هواشناسی آن توسط آژانس فضایی کانادا تأمین شد و شامل یک لیدار برای اندازهگیری گرد و غبار و ابرها بود.
هدف اصلی مأموریت فینیکس در مریخ
هدف اصلی مأموریت کاوشگر فینیکس، مطالعه تاریخچه آب در منطقه قطبی شمالی مریخ و ارزیابی پتانسیل زیستپذیری در مرز خاک و یخ بود. دانشمندان ناسا میخواستند بدانند آیا این منطقه در گذشته شرایط مناسبی برای حیات میکروبی داشته است یا خیر. برای این منظور، فینیکس بر جستجوی نشانههای آب مایع گذشته، مواد آلی پیچیده و شیمی خاک تمرکز کرد.
بر اساس دادههای مدارگرد مارس اودیسه در سال ۲۰۰۲، مشخص شده بود که در عرضهای بالا، یخ آب در عمق کمی زیر سطح وجود دارد. فینیکس طراحی شد تا این یخ را حفاری کند و نمونهها را تحلیل نماید. اهداف علمی دقیق شامل بررسی تاریخچه زمینشناختی آب، ارزیابی شرایط زیستپذیری در مرز یخ-خاک و نظارت بر آب و هوای قطبی بود. این مأموریت بخشی از برنامه گسترده ناسا برای “دنبال کردن آب” بود که کلیدی برای درک احتمال حیات در مریخ محسوب میشود.
فینیکس با ابزارهایی مانند TEGA (برای تحلیل گازهای تبخیرشده) و MECA (برای شیمی مرطوب و میکروسکوپ) نمونههای خاک و یخ را بررسی کرد و کشف کرد که خاک منطقه قلیایی است (pH بین ۸ تا ۹) و حاوی نمکهایی مانند پرکلرات که میتواند منبع انرژی برای میکروبها باشد. همچنین، وجود کربنات کلسیم نشاندهنده تماس گذشته با آب مایع بود. این یافتهها تأیید کرد که منطقه قطبی شمالی مریخ در گذشته ممکن است قابل سکونت بوده باشد، هرچند شرایط فعلی آن خشن است.
انتخاب منطقه فرود در قطب شمال مریخ
انتخاب منطقه فرود کاوشگر فینیکس بر اساس دادههای مدارگردهای قبلی مانند مارس اودیسه و مارس رکونایسانس اوربیتر انجام شد. مدارگرد اودیسه با طیفسنج نوترونی خود، وجود هیدروژن (نشانه یخ آب) در عرضهای بالا را کشف کرد و نشان داد که یخ آب در عمق چند سانتیمتری زیر سطح در منطقه قطبی شمالی فراوان است. این منطقه، Vastitas Borealis نامیده میشود و دشتهای صاف و نسبتاً بدون سنگ دارد که برای فرود ایمن مناسب است.
دانشمندان منطقهای در عرض ۶۵ تا ۷۲ درجه شمالی را هدف قرار دادند، جایی که ارتفاع کمتر از منفی ۳.۵ کیلومتر نسبت به سطح مرجع مریخ باشد تا فشار اتمسفری کافی برای فرود با چتر نجات وجود داشته باشد. تصاویر با رزولوشن بالا از دوربین HiRISE مدارگرد رکونایسانس، مناطق پر از سنگ را حذف کرد و منطقهای به نام “Green Valley” انتخاب شد که کمترین سنگهای بزرگ را داشت.
مکان نهایی در ۶۸.۲۲ درجه شمالی و ۱۲۵.۷ درجه غربی بود، جایی که زمین چندضلعی (polygonal terrain) شبیه به یخبندان دائمی زمینی دیده میشود. این انتخاب تضمین کرد که فینیکس به یخ آب دسترسی داشته باشد و همزمان خطر سنگها و شیبها حداقل باشد. منطقه قطبی شمالی به دلیل نور خورشید مداوم در تابستان مریخی (که انرژی پنلهای خورشیدی را تأمین میکند) و وجود یخ فراوان، ایدهآل بود.
فرآیند فرود کاوشگر فینیکس بر سطح مریخ
فرآیند فرود فینیکس که Entry, Descent and Landing (EDL) نامیده میشود، حدود هفت دقیقه طول کشید و یکی از حساسترین مراحل مأموریت بود. کاوشگر با سرعت حدود ۲۱ هزار کیلومتر بر ساعت وارد اتمسفر مریخ شد و سپر حرارتی آن دمایی بیش از ۱۴۰۰ درجه سلسیوس را تحمل کرد.
ابتدا، در ارتفاع حدود ۱۲۵ کیلومتری، کاوشگر با استفاده از موتورهای کوچک جهتگیری کرد. سپس، در سرعت حدود ۱.۷ کیلومتر بر ثانیه، چتر نجات باز شد و سرعت را به شدت کاهش داد. چتر نجات از نوع disk-gap-band بود و قطری حدود ۱۱.۸ متر داشت. پس از جدا شدن سپر حرارتی، پاها باز شدند و رادار ارتفاع و سرعت را اندازهگیری کرد.
در ارتفاع حدود یک کیلومتری، کاوشگر از چتر و پشتی جدا شد و با ۱۲ موتور هیدرازینی پالسی، فرود قدرتی انجام داد. این موتورها سرعت را به کمتر از ۸ کیلومتر بر ساعت رساندند و کاوشگر با سرعت عمودی ۲.۱ متر بر ثانیه بر سطح نشست. کل فرآیند بدون دخالت مستقیم زمین بود، زیرا سیگنالها ۱۰ دقیقه تأخیر داشتند. فرود در ۲۵ مه ۲۰۰۸ موفقیتآمیز بود و تصاویر مدارگرد HiRISE حتی چتر نجات را در حال باز شدن ثبت کرد. پس از فرود، فینیکس ۱۵ دقیقه صبر کرد تا گرد و غبار بنشیند، سپس پنلهای خورشیدی را باز کرد و تصاویر اولیه ارسال کرد.
ساختار کلی و اجزای اصلی کاوشگر
کاوشگر فینیکس ساختاری سهپایه داشت با عرشهای که ابزارهای علمی روی آن قرار گرفته بودند. ارتفاع آن از زمین تا نوک دکل هواشناسی حدود ۲.۲ متر بود. بدنه اصلی از آلومینیوم و تیتانیوم ساخته شده بود و شامل سیستمهای الکتریکی، باتریها و هیترها برای حفاظت در سرمای مریخ بود.
اجزای اصلی شامل دو پنل خورشیدی دایرهایشکل gallium arsenide با مساحت کل حدود ۷ متر مربع بودند که پس از فرود باز میشدند. بازوی رباتیک ۲.۳۵ متری با مفصل میانی، مجهز به بیلچه، rasp برای شکستن یخ و دوربین RAC بود. ابزارهای علمی روی عرشه شامل SSI (دوربین استریو)، TEGA (۸ کوره کوچک برای حرارت دادن نمونهها و تحلیل گازها)، MECA (شامل میکروسکوپ نوری و اتمی، آزمایشگاه شیمی مرطوب و پروب هدایت الکتریکی) و ایستگاه MET (با لیدار، سنسورهای دما، فشار و باد) بودند.
ارتباطات از طریق آنتن UHF با مدارگردها و آنتن X-band مستقیم با زمین انجام میشد. سیستم محرکه شامل ۱۲ موتور برای فرود و هشت موتور کوچک برای مسیر بود. فینیکس حدود ۳۵۰ کیلوگرم وزن داشت و طراحی آن بر پایه فرودگرهای وایکینگ اما سبکتر بود. ساختار امکان حفاری، نمونهبرداری و تحلیل مستقیم روی سطح را فراهم کرد و بیش از ۱۵۷ روز مریخی فعالیت داشت.
سیستم انرژی خورشیدی فینیکس
سیستم انرژی فینیکس بر پایه پنلهای خورشیدی gallium arsenide بود که کارایی بالایی در شرایط مریخ داشتند. دو پنل دایرهایشکل با مساحت کل حدود ۷ متر مربع (هر کدام تقریباً دایرهای با قطر قابل مقایسه با پنلهای بزرگ) پس از فرود باز میشدند و انرژی لازم برای عملیات روزانه را تأمین میکردند.
در مرحله سفر، پنلهای کوچکتر روی مرحله کروز انرژی فراهم میکردند، اما روی سطح، پنلهای اصلی فعال بودند. این پنلها در تابستان مریخی شمالی، با نور مداوم خورشید، انرژی کافی تولید میکردند، اما با نزدیک شدن زمستان و کاهش ارتفاع خورشید، تولید انرژی کاهش یافت. باتریهای lithium-ion با ظرفیت ۲۵ آمپرساعت برای ذخیره انرژی و عملیات در شب استفاده میشدند.
فینیکس برای حداکثر انرژی، پنلها را شرقی-غربی جهتگیری کرد. گرد و غبار روی پنلها مشکل بود، اما بادهای مریخی گاهی آن را پاک میکرد. در نهایت، کاهش نور خورشید در پاییز مریخی باعث پایان مأموریت شد، زیرا انرژی برای هیترها و ابزارها کافی نبود.
بازوی رباتیک و سیستم حفاری
بازوی کاوشگر فینیکس حدود ۲.۳۵ متر طول داشت و از چهار مفصل اصلی تشکیل شده بود که آزادی حرکت بالایی در فضای کاری شمالی کاوشگر ایجاد میکرد. بازو مجهز به یک بیلچه (scoop) در انتها بود که ظرفیت حدود ۱ لیتر خاک را داشت و همچنین ابزاری به نام rasp برای ساییدن و شکستن لایههای سخت یخدار تعبیه شده بود. طراحی بازوی رباتیک فینیکس بر پایه تجربیات مأموریتهای قبلی ناسا ساخته شد و توسط آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL) توسعه یافت. این بازو قادر بود گودالهایی تا عمق نیممتری ایجاد کند و نمونهها را به ابزارهای تحلیلی روی عرشه کاوشگر منتقل نماید. در روزهای اولیه مأموریت، بازو با موفقیت باز شد و نخستین حفاریها در منطقهای به نام “Dodo-Goldilocks” انجام گرفت که منجر به کشف یخ آب شد.
سیستم حفاری شامل سنسورهایی برای اندازهگیری نیرو و دما بود که اطلاعات ارزشمندی درباره خواص مکانیکی خاک مریخ ارائه داد. خاک منطقه قطبی شمالی چسبنده و سخت بود، اما بازو توانست چندین گودال عمیق مانند “Snow White” و “Cupboard” ایجاد کند. دوربین رباتیک (RAC) در انتهای بازو تصاویر نزدیک از خاک، گودالها و حتی زیر کاوشگر را ثبت کرد که به درک بهتر زمینشناسی منطقه کمک کرد.
این بازو نه تنها نمونهبرداری کرد، بلکه آزمایشهایی مانند تراشیدن و ریختن خاک برای بررسی چسبندگی انجام داد. در مجموع، بازوی رباتیک بیش از ۱۰۰ عملیات حفاری و نمونهبرداری انجام داد و پایهای برای طراحی بازوهای مأموریتهای بعدی مانند پرسیویرنس شد.
ابزار TEGA و تحلیل حرارتی خاک مریخ
ابزار Thermal and Evolved Gas Analyzer (TEGA) یکی از پیشرفتهترین تجهیزات علمی کاوشگر فینیکس بود که برای تحلیل حرارتی و گازی نمونههای خاک و یخ طراحی شده بود. این ابزار شامل هشت کوره کوچک بود که هر کدام قادر به حرارت دادن نمونه تا دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس بودند و گازهای آزادشده را به یک طیفسنج جرمی منتقل میکردند.
TEGA ترکیبی از کالریمتر اسکن differential و تحلیلگر گاز تکاملیافته بود که امکان شناسایی مواد فرار مانند آب، دیاکسید کربن و مواد آلی را فراهم میکرد. نمونهها توسط بازوی رباتیک به کورهها تحویل داده میشدند و با افزایش تدریجی دما، گازها آزاد و تحلیل میشدند. این روش به شناسایی ترکیبات معدنی مانند پرکلرات، کربنات کلسیم و فازهای هیدراته کمک کرد.
یافتههای TEGA نشان داد که خاک مریخ حاوی حدود ۰.۴ تا ۰.۶ درصد پرکلرات است که میتواند توضیحدهنده شرایط اکسیدکننده قوی باشد. همچنین، آزاد شدن دیاکسید کربن در دماهای بالا نشانه وجود کربنات بود که دلالت بر تماس گذشته با آب مایع دارد. تحلیل ایزوتوپی نیز اطلاعات درباره چرخه آب و جو مریخ ارائه داد. چالش اصلی TEGA چسبندگی خاک بود که تحویل نمونه را دشوار کرد، اما در نهایت چهار نمونه موفق تحلیل شدند. این ابزار نخستین بار مستقیماً شیمی خاک قطبی مریخ را بررسی کرد و پایهای برای درک پتانسیل زیستپذیری شد.
شناسایی یخ آب در زیر سطح مریخ
یکی از برجستهترین دستاوردهای کاوشگر فینیکس، شناسایی مستقیم یخ آب در عمق کم زیر سطح مریخ بود که در خرداد ۱۳۸۷ خورشیدی (ژوئن ۲۰۰۸ میلادی) اعلام شد. در گودال “Dodo-Goldilocks”، تکههای سفیدرنگی پس از حفاری ظاهر شدند که در تصاویر چهار روز بعد ناپدید شده بودند و به بخار تبدیل شدند، پدیدهای که تنها برای یخ آب ممکن است. این یخ در عمق تنها چند سانتیمتری خاک قرار داشت و لایهای نسبتاً خالص تشکیل میداد. تصاویر دوربین استریو و رباتیک تأیید کردند که این ماده نه نمک و نه یخ دیاکسید کربن است، بلکه آب یخزده است. کشف یخ آب مستقیماً اهداف مأموریت “دنبال کردن آب” ناسا را محقق کرد و نشان داد که منابع آب در عرضهای بالا فراوان است.
تحلیلهای بعدی با ابزارهایی مانند TEGA آزاد شدن آب در دماهای پایین را تأیید کرد. این یافته دلالت بر این دارد که منطقه قطبی شمالی مریخ در گذشته ممکن است دارای آب مایع بوده باشد، هرچند شرایط فعلی خشک و سرد است. کشف یخ آب همچنین پتانسیل منابع برای مأموریتهای آینده انسانی را برجسته کرد. فینیکس نخستین کاوشگری بود که مستقیماً یخ آب را لمس و نمونهبرداری کرد و دادههای آن درک ما از تاریخچه هیدرولوژیکی مریخ را دگرگون ساخت.
بررسی شرایط آبوهوایی مریخ توسط فینیکس
ایستگاه هواشناسی (MET) کاوشگر فینیکس که با مشارکت آژانس فضایی کانادا ساخته شد، نخستین اندازهگیریهای مداوم آب و هوا در منطقه قطبی مریخ را انجام داد. این ایستگاه شامل سنسورهای دما در سه ارتفاع، سنسور فشار و یک لیدار برای بررسی گرد و غبار و ابرها بود. دادههای MET نشان داد که دما در سطح از منفی ۲۰ تا منفی ۹۰ درجه سلسیوس متغیر است و فشار جو حدود ۸ میلیبار است. بادها معمولاً آرام بودند اما گاهی به ۱۰ متر بر ثانیه میرسیدند. لیدار برای نخستین بار برف یخ آب را از ابرها تشخیص داد که در جو نازک مریخ به سطح نمیرسید و تبخیر میشد.
مشاهدات چرخه روزانه و فصلی آب و هوا را روشن کرد و نشان داد که رطوبت جو کم است اما چرخهای از یخ و بخار وجود دارد. ایستگاه همچنین گرد و غبار و مه صبحگاهی را ثبت کرد که به مدلسازی جو مریخ کمک کرد. دادههای MET بیش از پنج ماه جمعآوری شد و درک ما از آب و هوای قطبی را بهبود بخشید، که برای برنامهریزی مأموریتهای آینده ضروری است.
تفاوت کاوشگر فینیکس با مریخنوردها
کاوشگر فینیکس یک فرودگر ثابت (stationary lander) بود، در حالی که مریخنوردها مانند اسپریت، سوجورنر، کیوریاسیتی و پرسیویرنس خودروهای متحرک هستند که میتوانند مسافتهای طولانی را طی کنند. فینیکس در یک مکان ثابت ماند و بر کاوش عمیق یک نقطه تمرکز داشت، در مقابل مریخنوردها که سطح وسیعی را بررسی میکنند.
کاوشگر فینیکس از پنلهای خورشیدی استفاده کرد و به دلیل موقعیت قطبی، نور مداوم تابستانی داشت اما در زمستان انرژیاش تمام شد. مریخنوردها نیز عمدتاً خورشیدی بودند اما برخی مانند پرسیویرنس از انرژی هستهای بهره میبرند که عمر طولانیتری فراهم میکند.
تفاوت کلیدی در ابزارها بود: فینیکس بازوی حفاری بلند برای دسترسی به یخ زیرسطحی داشت و آزمایشگاههای شیمی مرطوب و حرارتی، در حالی که مریخنوردها ابزارهای متنوعتری برای زمینشناسی سطحی و حرکت دارند. هزینه فینیکس پایینتر بود زیرا از قطعات بازیافتی استفاده کرد و نیازی به سیستم حرکت پیچیده نداشت.
طول عمر مأموریت و دلایل پایان آن
مأموریت اصلی فینیکس برای ۹۰ روز مریخی (حدود سه ماه زمینی) طراحی شده بود، اما این کاوشگر بیش از ۱۵۲ روز فعالیت کرد و تا آبان ۱۳۸۷ خورشیدی (نوامبر ۲۰۰۸ میلادی) داده ارسال نمود. آخرین سیگنال در دوم نوامبر دریافت شد و مأموریت در دهم نوامبر رسماً پایان یافت. دلیل اصلی پایان، کاهش نور خورشید با نزدیک شدن زمستان مریخی بود که تولید انرژی پنلهای خورشیدی را کاهش داد. طوفانهای گرد و غبار و ارتفاع پایین خورشید در آسمان، انرژی را به حدی کم کرد که باتریها نتوانستند هیترها و ابزارها را فعال نگه دارند.
کاوشگر فینیکس برای زمستان سخت قطبی طراحی نشده بود و یخ دیاکسید کربن احتمالی میتوانست پنلها را بپوشاند. تلاش برای تماس مجدد در بهار بعدی بینتیجه ماند. با این حال، مأموریت بسیار موفق بود و بیش از انتظار دوام آورد.
