Seismometr SEIS, který na Mars doručila sonda InSight je fascinující a velmi přesný přístroj, který může poskytnout mimořádně cenná data o marsotřesení a vnitřní stavbě Rudé planety v kvalitě, která dalece předčí vše, co na Marsu zatím bylo. A to bez nadsázky, protože jediný předchozí seismometr na sondě Viking byl umístěn na těle této sondy a nemohl tak produkovat úplně čistá data odrušená od vibrací samotné konstrukce sondy. SEIS je však umístěn přímo na povrchu. Jeho umístění, zprovoznění a zakrytí byl velmi náročný a dlouhý proces. S instalací se schválně nijak nepospíchalo, aby všechny jednotlivé kroky vedly k vysněnému cíli – perfektně připravenému enormně citlivému přístroji, který má poskytovat velmi detailní data. A to navíc vše jen pomocí robotické paže, na dálku a s dlouhou časovou prodlevu. Pojďme se na celý proces podívat blíže.

Příprava místa a usazení seismometru

Seismometr byl vyložen poměrně krátce po přistání. 20. prosince ho robotická paže přemístila na místo na povrchu. V té chvíli byl přístroj stále zachycen drapákem robotické paže, ale již stál na povrchu. V té chvíli doputovaly na Zemi první seismické údaje po 42 letech od toho, kdy fungoval seismometr na sondě Viking. Nyní však vůbec poprvé byly údaje vysílané při kontaktu s povrchem planety. V této chvíli se však do přístroje přenášely skrz robotickou paži vzruchy, které způsobovala celá konstrukce sondy, ať už rozvibrovaná větrem, nebo vnitřními přístroji InSight. První data však byla překvapivě klidná.

O dva pozemské dny později byla robotická paže odpojena. Stalo se tak po kontrole, zda jsou všechny tři nohy seismometru v kontaktu s povrchem. Analýza nových údajů poskytnutých snímači přístroje po odpojení robotické paže a jejich srovnání s údaji získanými ještě v době, kdy byl SEIS na palubě sondy InSight ukázala, že místo vybrané pro umístění SEIS je (co se týká větru) velmi klidné. Na povrchu je hladina vzruchů uprostřed dne srovnatelná s hladinou naměřenou v polovině noci, kdy byl SEIS ještě na palubě sondy (v noci je aktivita větru mnohem nižší než v průběhu dne). Lokalita má také nižší hladinu vzruchů než u těch nejlepších pozemských seismických sklepů. To souvisí se skutečností, že Mars nemá oceány. Na Zemi totiž oceány svými velkými pohyby mas vody způsobují, že se celou planetou šíří výrazný seismický šum, který zásadně ovlivňuje měření.

Vyrovnání

Dalším důležitým krokem při instalaci seismometru bylo vyrovnání přístroje do horizontální roviny. SEIS má šest seismických senzorů, tři snímače krátkého časového pásma (SP), které nevyžadují vyrovnání, a tři další senzory citlivé na správné vyrovnání do roviny (VBB), které tvoří srdce seismometru. Ty ale nemohou posílat data, dokud nejsou v dokonalé rovině.

Senzory SP mohly být aktivovány už při přeletu mezi Marsem a Zemí a posléze i krátce po přistání ještě na palubě sondy InSight, u citlivých snímačů VBB se muselo počkat až na dokonalé vyrovnání. Mezitím snímače SP poskytovaly základní údaje pro záznam hladiny vibrací, nejprve ze sondy a poté z povrchu, inženýři mezitím mohli pouze nepřímo zkoumat stav a kondici zbylých snímačů VBB. Seismologové mezitím s napětím čekali na jejich aktivaci. Snímače VBB jsou nezbytné pro úspěch celé mise: z jejich dat jsou vědci schopni získat informace z hloubi Marsu a tyto data nám mohou povědět hodně o vnitřní struktuře Rudé planety.

SEIS je schopen vyrovnat sklon až 25°. Nakonec takový náklon nebylo třeba řešit. Místo usazení přístroje se sklánělo zhruba jen o 2,5° stupně. Tři nohy, na kterých SEIS stojí, mají schopnost tuto nerovnost napravit. Dvě nohy se proto mírně zasunuly a jedna noha naopak vyjela o pět milimetrů a dorovnala tak celý přístroj. Celý proces se autonomně řídil přímo na Marsu a sám dokázal dostat přístroj do polohy pomocí dvou pohybů. Zde si můžete prohlédnout, jak proces vyrovnání nasnímala kamera IDC na InSight.

Oživení VBB

SEIS byl nyní v dokonalé rovině a přišla očekávaná práce pro inženýry z  IPGP (Institute of Physics of the Globe of Paris), CNES (National Center for Space Studies) a z JPL (Jet Propulsion Laboratory), kteří mohli po několika měsících čekání dát příkaz, aby se odblokovaly senzory VBB, které byly až doposud pevně aretovány, aby je nepoškodily vibrace při startu ze Země a přistání InSight na Marsu.

Na pozemský Nový rok byly tři senzory VBB aktivovány. Doposud pevně zajištěné senzory byly uvolněny a měly se samy vyrovnat do rovnovážné polohy. Připomeňme, že tyto senzory jsou enormně citlivé a jsou schopny zaznamenat pohyb o půl průměru atomu vodíku. Příchod prvních naměřených údajů, který nastal 2. ledna, byl v operačním středisku JPL přivítán velkým potleskem a radostí. VBB přečkaly let a přistání na Marsu bez újmy.

Aktivování senzorů VBB bylo rozhodujícím krokem při uvedení seismometru SEIS do aktivního provozu. Inženýři totiž nemají způsob, jak dokonale simulovat gravitaci Marsu na Zemi. Při přípravě sondy na Zemi bylo sice použito několik zajímavých triků v laboratorních podmínkách (sklon osy citlivosti kyvadla pod určitým úhlem vzhledem ke gravitačnímu vektoru, nebo zavěšení přístroje na balónky, atd.), ale přesto to bylo jen velmi chabé nasimulování podmínek na Marsu. Jednou z věcí, které se inženýři báli, bylo, že na Marsu se senzory nebudou moci sami vyrovnat do rovnovážné polohy, nebo že pružina přístrojů nebude mít dost sil k pohybu. Výpočty inženýrů se však ukázaly jako přesné a od 1. ledna 2019 se senzory VBB aktivovaly a i v gravitaci Marsu fungovaly výborně. Na planině Elysium je nyní šest seismických senzorů – přístroj SEIS je funkční a připraven k práci.

Vyklopení připojovacího kabelu: otevření TSB

Senzory byly aktivní, seismometr byl vyrovnaný, ale práce ještě nebyla hotova. Přístroj spojuje s InSight energetický a datový kabel. Tento kabel byl zdrojem přirozených vibrací vzniklých jednak aktivitou větru, který se do kabelu, který v počátku ještě z velké části visel ze sondy, významně opíral, ale také měření ovlivňovaly termální pohyby kabelu vzniklé rozdílnými teplotami na povrchu Marsu. Rozdíly mezi nocí a dnem jsou až 70°C a to vede k velmi výrazným deformacím. Inženýři měli proto před sebou ještě mnoho práce a robotická paže se také nezastavila. Mimochodem, zde si můžete prohlédnout, že termoelastické změny kabelu byly viditelné i na fotografiích. Připomeňme, že takto rozdílné teploty se na Zemi řešit nemusí vůbec, protože seismometry jsou umisťovány do stabilního prostředí sklepů, kde se teplota prakticky nemění. První data, která na Zemi ze SEIS dorazila, byla proto plná šumů, vzruchů a nic podstatného o planetě nevypovídala.

Když byl 20. prosince vyložen SEIS, stále ještě byl přívodní kabel z části schovaný v kulatém navíjecím boxu TSB (Tether Storage Box) a většina kabelu tak visela volně do prostoru ze sondy. Tato situace byla nezbytná k tomu, aby bylo možné dodatečně pohybovat s přístrojem na povrchu pomocí robotické paže, pokud by se první oblast zvolená pro umístění ukázala jako neadekvátní ze seismického hlediska. Po zajištění dostatku dat a přesvědčení se, že SEIS je na vhodném místě, byl 3. ledna TSB uvolněn a kabel se spustil na povrch Marsu.

Instalace připojovacího kabelu: otevření LSA

Úplné odvinutí datového a energetického kabelu však byl pouze začátek práce na tomto přívodu. Nakonec té práce bylo víc, než se čekalo. Na několika místech odstával od povrchu a právě tato místa byla vystavena účinkům marsovského větru, který by do přístroje přinášel velké množství nechtěných vibrací, které by ovlivňovaly měření. Na Zemi, když se instalují seismometry v seizmických sklepech, technici několikrát upravují kabel, který spojuje přístroj s měřicími a doprovodnými přístroji, aby neutralizoval všechny poruchy, které by mohly být způsobeny právě tímto kabelem. Tyto kabelové svazky kolem seismometrů tvoří to, co odborníci nazývají servisní smyčkou. Na Marsu je to podobné, ale s několika odlišnostmi.

V sektoru, kde je k SEIS připojen kabel, jsou dvě kovové desky, které jsou k sobě pevně přimknuty a tvoří v takovém stavu uzavřenou pevnou smyčku, která žádné vzruchy okolí není schopná filtrovat. Aby smyčka fungovala, jak má, je třeba ji od sebe oddálit. To umožňuje eliminovat vibrace z kabelového svazku, které se šíří podél kabelu, a zejména vibrace způsobené změnami teplot, které jsem popisoval výše. Část servisní smyčky tvořená dvěma deskami se nazývá LSA (Load Shunt Assembly).  Proto po otevření TSB byl dalším krokem otevření LSA. Operace byla úspěšně provedena během solu 40 (senzory VBB byly v této chvíli krátkodobě aretovány, aby nedošlo k jejich poškození). Ačkoli byly obě desky LSA od sebe odděleny, nebylo to dostatečné k tomu, aby se eliminovaly všechny ruchy. Pomocí lopatky a robotické paže se proto muselo přistoupit k odsunutí kabelu od SEIS, což mělo způsobit větší rozevření smyčky. Ukázalo se však, že robotická paže má s tímto úkolem problémy.

Tato poměrně choulostivá manipulace spočívala v tom, že lopatka robotického ramene přiložila malou rukojeť na fixační bod umístěný na kabelu, pak kabel přitiskla k povrchu a pomalu jej posunula tak, aby se od sebe plochy LSA co nejvíce vzdálily. Celý pohyb, který upravil rozevření ploch LSA a vydutí míst kabelu si můžete prohlédnout na tomto gifu.

Během urovnávání kabelu se však stále nedařilo jej napřímit do ideální polohy. Upínací bod na přívodním kabelu nedělal přesně to, co se po něm chtělo – oddálení servisní smyčky a narovnání kabelu. Problém byl, že všechna práce se musela dělat pomocí robotického ramene a tak věc, která by na Zemi pomocí lidských rukou zabrala pět minut, se zde řádně protáhla a komplikovala. Navíc celé operaci překážel drapák, který nebyl pevně zafixován.

Snížení

Mezitím SEIS provedl další krok, který je nutný k ideálnímu měření. Jeho nohy se zasunuly a snížily celý přístroj o 18 mm. Díky tomu se podařilo zajistit pevnější postoj – čím nižší noha, tím pevnější základna a také se zajistilo, že až se bude na SEIS přikládat termální a větrný štít, nebude se SEIS tohoto štítu vůbec dotýkat.

Během této operace bylo provedeno snížení v šesti po sobě jdoucích krocích, přičemž každá noha byla aktivována jedna po druhé během různých cyklů sestupu.

InSight si hraje s míčkem

Posledním krokem před konečnou instalací tepelného a větrného štítu (WTS) bylo zvětšit prostor mezi dvěma kovovými deskami zařízení LSA. To se ukázalo jako velmi komplikovaná záležitost kvůli zlobivému kabelu, který nepřiléhal ideálně k povrchu a nedařilo se jím ani pořádně odsunout desky LSA. Aby se zlepšila úroveň otvírání LSA, měl by být kabel vytažen zpět pomocí robotické lopatky InSight, která měla tlačit na malou rukojeť zařízení nazývaného „pinning mass“. To se však nedařilo.

Problém byl zejména s uchycením koncovky robotického ramene, která je spojena poměrně volně se závěsem a dvěma kabely, které jí dodávají energii. Tento drapák překážel v činnosti lopatky. Kabely, kterými byl drapák připojen k paži, nejde nijak ovládat, a protože bylo třeba zajistit přesné posunutí kabelu k SEIS, bylo třeba, aby byla práce prováděna velmi přesně. Pohybující se koncovka však takovou práci nezvládala dobře. Cílem tedy bylo, aby se malý drapák, který se kýval na rameni, zachytil za malou kuličku, které se měl držet a tím se uvést do stabilizované pevné polohy. Takto byl přepravován na Mars, ale nepočítalo se s tím, že po uvolnění bude třeba jej za kuličku znovu chytit. První pokus však nevyšel a ani druhý pokus se nezdařil. Neúspěšné chycení kuličky si prohlédněte na tomto gifu.

Jak na přiloženém gifu můžete vidět, celá situace se nakonec vyřešila tak, že koncovka robotické paže kuličku trochu vytlačila do strany, pak se rozevřela a kulička do robotického drapáku zapadla a drapák jí chytil. S nadsázkou se dá říct, že to byla první míčová hra, která se na Marsu hrála. A ačkoli se to může zdát jako jednoduché řešení celé situace, konečný úspěch znamenal několik neúspěšných pokusů. Problém opět byl v tom, že se na Zemi zcela nedala nasimulovat marsovská gravitace a malá kulička v nízké gravitaci se chovala poněkud jinak, než při zkouškách na Zemi. Navíc robotická paže na takovou operaci nebyla stavěna a vyžadovalo to určité pohyby nad limitní úhly, například plné napřímení směrem k nebi. Nakonec se však povedlo a zpevněná robotická paže mohla přistoupit k lepšímu uložení kabelu.

Zvětšení rozteče LSA

Vracíme se zpět k servisní smyčce LSA. Podle původního návrhu stačilo, aby od sebe dvě desky byly oddáleny jen na malou vzdálenost a tím se měly zredukovat vzruchy vzniklé na přívodním kabelu. Vzhledem k jeho ne úplně vhodnému uložení na povrchu se však inženýři dopátrali toho, že je potřeba, aby desky LSA od sebe byly vzdáleny alespoň 2 centimetry. K oddálení posloužilo zpevněné robotické rameno, které mělo za úkol kabel co nejvíce odsunout od seismometru a tím zajistit rozevření LSA.

To se skutečně podařilo, ale bylo třeba, aby se technici mohli nějak podívat nad servisní smyčku a ověřit, že je skutečně rozevřená zmíněné dva centimetry. K tomu se daly použít dvě metody. První byla nasnadě, pomocí kamery na robotické paži IDC. Nicméně robotická ruka nebyla schopna s kamerou dosáhnout tak daleko, aby kamera byla při snímání přímo nad servisní smyčkou. Nyní kamera na smyčku viděla z boku a nebylo proto možné spatřit mezeru přímo průhledem na marsovský povrch, ze kterého by se dala odečíst šířka mezery.

Druhá metodika charakterizace otevření LSA je komplikovanější, ale ukázala se jako mimořádně funkční. Vyžadovala použití přímo přístroje SEIS a jeho senzorů SP a VBB k poslechu charakteristických rezonancí. V závislosti na úrovni otevírání LSA seismometr zaznamenává řadu vibrací na určitých frekvencích, což může být použito pro velmi přesné vyčíslení mezery a stavu přenosu vibrací skrz servisní smyčku. Když je LSA „zavřeno“, chová se jako poměrně tuhý systém, který vibruje na poměrně vysokých kmitočtech. Naopak, když je „otevřená“, stává se poměrně volnou a osciluje s větší volností v různých směrech při nižších frekvencích. Původně s takovýmto ověřováním rozevření LSA pomocí kmitočtů nepočítalo, ale tato technika umožňovala jednoznačně potvrdit účinné oddělení desek a tím i provozní smyčku.

První pokus po zpevnění robotické paže o posunutí upínacího bodu kabelu a tím i oddálení servisní smyčky nevyšel. Analýza fotografií ukázala, že naprogramované souřadnice pro rameno nebyly přesné a lopatka tak pouze poškrábala horní část upínacího bodu a servisní smyčku neoddálila. Další pokusy pak překazila závada na velké parabolické anténě systému DSN v Goldstone a další pokusy tak byly prováděny pouze cvičně na Zemi.

Druhý pokus se uskutečnil během solu 56 a zaznamenal částečný úspěch. Lopatka se již konečně zadrápla za pevný bod kabelu a posunula je tak, že mezi LSA vznikla mezera. Objevil se však nový problém. Desky servisní smyčky LSA nebyly odsunuty stejnoměrně. Zatímco ve spodní části smyčky se skutečně vytvořila mezera o dvou centimetrech, horní část desek byla od sebe vzdálena mnohem méně. Údaje ze seismometru tuto skutečnost potvrdily.

Proto byl proveden ještě třetí pokus, při kterém se konečně podařilo desky LSA od sebe dostatečně oddálit. Ve spodní části byly od sebe desky nyní vzdáleny 5 centimetrů, zatímco horní část byla vzdálena 2 centimetry, což už byla dostatečná vzdálenost pro ideální rušení většiny vibrací. Navíc se během těchto operací ukázalo, že tahání kabelu nijak nepohnulo s přístrojem SIS, což znamená, že na povrchu stojí stabilně.

Nakonec oddělení desek LSA zabralo týmu více jak 20 solů a zpozdilo celou operaci přípravy seismometru. To se však dá pochopit. Robotické rameno muselo provést dvě velmi komplikované operace, na které nebylo zcela připraveno. Jednak chycení kuličky drapákem a pak samozřejmě velmi přesné a fyzicky náročnější odsunutí kabelu po povrchu. Pro vědecký tým však tyto komplikace nakonec nebyly překážkou. Během těchto operací již byly spuštěny senzory a tým získal velké množství dat. Dokonce se během oddalování LSA přešlo do vědecké fáze, což původně nebylo v plánu, dokud se nenainstaluje tepelný a větrný štít.

Počasí a prachové bouře

Z meteorologického hlediska byl rok 2018 na Marsu poměrně divoký. Koncem května v údolí Perseverance vypukla prachová bouře, která od června přerostla v bouři globální, jež zásadně snížila schopnost světla projít skrz zaprášenou marsovskou atmosférou. Obětí se jí možná stalo vozítko Opportunity, které se od června již neozvalo. Pokusy o navázání komunikace však pokračují. Ačkoli prachová bouře od září pomalu slábne, v marsovské atmosféře se stále nachází zvýšené množství prachu. Navíc data z družice Mars Reconnaissance Orbiter ukázala, že se na červené planetě na její jižní polokouli formuje nová místní prachová bouře.

Solární panely InSight jsou velmi účinné, právě proto, aby odolaly poklesu jasu způsobenému přítomností prachových částic v marsovské atmosféře. V nominálních podmínkách tyto panely produkují více energie denně než jakékoli jiné zařízení, které kdy bylo odesláno na Mars. Po nástupu nové bouře byl naměřen 20% pokles výkonu pouze na třech po sobě následujících solech. Nyní je situace opět stabilní, energii poskytovanou solárními panely sledují inženýři velmi podrobně.

Na místě přistání InSight je větrná aktivita obecně velmi výrazná. Slavné zvukové nahrávky poskytované krátkodobými snímači (SP) a tlakovým senzorem meteorologické stanice APSS, které nám umožnily slyšet marsovský vítr, jak buší do panelů sondy, jsou v tomto smyslu velmi demonstrativní. Po přistání InSight poskytují větry přirozený a poměrně účinný způsob čištění a odstranění prachu na jakémkoli povrchu, kde se může prach usadit. To je samozřejmě i v případě solárních panelů, ale také třeba čočky ICC kamery, která byla částečně zaprášena během přistávacího manévru. Snímky z této kamery jasně ukazují, že vítr stále odstraňuje částečky přilepené k optice, získané snímky jsou stále jasnější.

Ze seismologického hlediska je však vítr velmi důležitým zdrojem šumu, a proto musí být neutralizován co nejlépe. Proto byl nainstalován termální a větrný štít WTS, jenž se stal završením celé přípravy a usazení SEIS na povrchu Marsu.

Instalace WTS

Termální a větrný štít WTS se sestává z hliníkového aerodynamického pláště, na jehož okraji je umístěna zlatá termální fólie, plátová clona a kroužkový pás. WTS spočívá na třech nohách, které se automaticky vysunuly poté, co robotická paže uchopila štít a zvedla jej nad InSight. Obzvláště zajímavý je zmíněný plátový a kroužkový pás na okrajích přístroje. Jedná se o podobné prvky, které známe ze středověkých brnění. Jejich smyslem je, aby po usazení štítu nad SEIS jeho kraje dokonale uzavřely prostor, ve kterém bude seismometr pracovat. Kroužkový a šupinový plášť by měl co nejlépe obalit všechny nerovnosti a zabránit tak vniknutí větru pod štít a ovlivnění měření seismometru. Štít je schopen odolat větru o síle 60 m/s, v nárazech až 100 m/s.

Během solu 63 se robotická paže přesunula nad WTS a drapák, který doposud držel aretační kuličku, byl opět uvolněn. Po nácviku celého procesu na Zemi, byl během solu 65 WTS zachycen drapákem a zvednut nad InSight. Během toho došlo k úspěšnému vyklopení nohou WTS. Všechno šlo dle plánu a tak již během solu 66 byl WTS přemístěn nad SEIS.

WTS musel být dokonale vycentrován nad SEIS tak, aby se po jeho položení, žádná z jeho částí přímo nedotýkala ukrytého seismometru. Kdyby k tomu došlo, vibrace štítu způsobené větrem by se do SEIS přenášely a ovlivňovaly by měření. Cestu nad SEIS a jeho úspěšné přiklopení si můžete prohlédnout zde.

Kroužkový prstenec se ihned po umístění rozvinul a zajistil tak uzavření celého interiéru před účinky okolního větru. Snímky z rozvinutí si můžete prohlédnout zde. Během solu 67 pak došlo i ke spuštění zlaté termální sukýnky, která zajistí stabilní teplotu pro měření.

Instalace jednoho seismometru na Marsu tím byla završena. Nyní se můžeme těšit na vědecká data. Připomeňme, že doposud jsme pořádná seismická měření měli jen ze Země a pozemského Měsíce z dob misí Apollo, a když nyní budeme moci porovnávat i s jinou „plnohodnotnou“ planetou, může nám měření SEIS přinést informace nejen o Marsu, ale pomoci pochopit i měření ze Země. Vždy je lepší, když k měřené veličině máte konečně nějaký druhý zdroj.

Zdroje informací:
https://www.seis-insight.eu/
https://www.seis-insight.eu/
https://www.seis-insight.eu/

Zdroje obrázků:
https://www.seis-insight.eu/…/Actualites-Images/actualites_Install_ForeSight_Grapple_Steps.jpg
https://www.seis-insight.eu/images/Actualites-Images/GIF/actualites_Install_VBB_recentering.gif
https://www.seis-insight.eu/…/actualites_Install_SEIS_pinning_mass_adjustement.jpg
https://www.seis-insight.eu/…/actualites_Install_ForeSight_Grapple_Stow_Arm_small.jpg
https://www.seis-insight.eu/images/Actualites-Images/actualites_Install_Grapple_PM_LSA.jpg
https://www.seis-insight.eu/…/actualites_Install_pinning_mass_adjustement_ForeSight.jpg
https://mars.nasa.gov/…/surface/sol/0067/icc/C000M0067_602475102EDR_F0000_0461M_.PNG
https://www.seis-insight.eu/images/Public-Images/S2-Accueil/seis_ecorche_total_big.jpg
https://www.seis-insight.eu/…/S2-WTS/InSight_WTS_ForeSight_skirt_expanded_small.jpg
https://fr.cdn.v5.futura-sciences.com/…/4/6/e/46e6373769_50146694_is-manchu-insight-wts.jpg