Op 26 november, NASA's InSight-lander zal zijn reis van zes en een halve maand naar Mars voltooien, neerstrijken bij Elysium Planitia, een brede vlakte nabij de evenaar van Mars die de thuisbasis is van het op een na grootste vulkanische gebied ter wereld.

Daar, NASA-wetenschappers hopen "de Rode Planeet zijn eerste grondige controle te geven sinds hij 4,5 miljard jaar geleden werd gevormd, " volgens de InSight-missiewebsite. Eerdere missies hebben functies aan de oppervlakte onderzocht, maar veel handtekeningen van formatie, die de planeet aanwijzingen over hoe alle aardse planeten gevormd-kan alleen gevonden worden door het aftasten en het bestuderen van de "vitale" ver onder het oppervlak kan bieden.

Om die vitale functies te controleren, InSight zal worden uitgerust met twee belangrijke instrumentenpakketten:een seismometer om te bestuderen hoe seismische golven (bijvoorbeeld van marsbevingen en meteorietinslagen) door de planeet reizen en een "mol" die zich in de grond zal ingraven, een ketting met temperatuursensoren erachter slepen om te meten hoe de temperatuur verandert met de diepte op de planeet. Deze instrumenten zullen wetenschappers vertellen over de inwendige structuur van Mars (vergelijkbaar met de manier waarop een echografie artsen in een menselijk lichaam laat 'zien') en ook over de warmtestroom uit het binnenste van de planeet.

Ingenieurs hopen dat de mol een diepte van tussen de drie en vijf meter zal bereiken - ver genoeg naar beneden om te worden geïsoleerd van de temperatuurschommelingen van dag en nacht en de jaarlijkse cyclus van Mars op het oppervlak erboven. Meters klinken misschien niet zo veel, maar om zo ver te graven met alleen apparatuur die kan worden gelanceerd op een ruimtevaartuig en kan worden bestuurd vanaf 55 miljoen mijl afstand, is een technische uitdaging die nog nooit eerder is geprobeerd.

Met behulp van een glijdend gewicht in zijn smalle lichaam, de Mol, die 15,75 inch (400 millimeter) lang is en slechts 1,9 pond (860 gram) weegt, slaat zichzelf de grond in, 1 mm per keer, terwijl hij een ketting sleept die is bezaaid met 14 temperatuursensoren over zijn lengte. Een traditionele boor die dezelfde taak probeert uit te voeren, zou net zo lang moeten zijn als het gat dat hij probeerde te boren - en zou een enorme ondersteunende structuur nodig hebben. Als het voortdurend zou hameren, de mol zou enkele uren tot een paar dagen nodig hebben om zijn uiteindelijke diepte te bereiken, afhankelijk van de eigenschappen van de bodem. Echter, de mol stopt elke 50 centimeter om de thermische geleidbaarheid van de bodem te meten, een proces waarbij perioden van koeling en verwarming van meerdere dagen nodig zijn. Met de extra tijd die nodig is om de voortgang te beoordelen en nieuwe opdrachten te sturen, het kan zes weken of langer duren voordat de mol zijn uiteindelijke diepte bereikt.

Bij het ontwerpen van de sonde, ingenieurs bij JPL, die Caltech beheert voor NASA, zeker wilde zijn dat de mol in staat zou zijn om de noodzakelijke diepte te bereiken, en dus deden ze een beroep op Caltech's José Andrade, George W. Housner Hoogleraar Civiele en Werktuigbouwkunde bij de Afdeling Engineering en Toegepaste Wetenschappen en een expert op het gebied van de fysica van granulaire materialen.

"Ongeveer vijf jaar geleden toen de mol bleef steken tijdens het testen, het InSight-team heeft een zogenaamd 'tijgerteam' samengesteld:een stel specialisten uit verschillende gebieden die worden ingeschakeld om een ​​probleem op te lossen, ' zegt Andrade. 'Ik ben geroepen om in dit tijgerteam te dienen als expert in grondmechanica.'

Omdat grond een korrelig materiaal is - een conglomeraat van vaste deeltjes die elk groter zijn dan een micrometer - vertoont het enigszins ongebruikelijke eigenschappen. Bijvoorbeeld, bodem bestaat uit ronde deeltjes stroomt gemakkelijk de deeltjes glijden langs elkaar, als zand in een zandloper. Maar grond die is samengesteld uit deeltjes van dezelfde grootte, maar met meer gekartelde en hoekige vormen, zal als puzzelstukjes in elkaar grijpen en kan niet stromen zonder significante kracht van buitenaf.

Granulaire materialen kunnen worden beschreven als enkelvoudige objecten die zullen vervormen op basis van hun plasticiteit in kritische toestand - een geïdealiseerd model voor hoe groepen korrels langs elkaar heen zullen dringen als er spanning op wordt uitgeoefend. Die plasticiteit wordt bepaald door de luchtdruk en de zwaartekracht. Als zodanig, het is moeilijk om in een laboratorium de plasticiteit van de kritische toestand van een korrelig materiaal op Mars te simuleren, waarbij één derde van de zwaartekracht en 0,6 procent van de luchtdruk van de aarde op zeeniveau.

"We bleven proberen te extrapoleren hoe de plasticiteit van de kritische toestand zich zou vertalen naar Mars, ' zegt Andrade. 'Zonder dat te weten, konden we niet te modelleren hoe veel weerstand InSight de mol zou tegenkomen als je probeert te boren in de bodem van Mars, en of het de gewenste diepte zou kunnen bereiken. Dus, dit leidde tot een duidelijke behoefte aan meer begrip."

Om de penetratie van de mol in een korrelig materiaal te helpen onderzoeken, Andrade en het InSight-team huurden postdoctoraal onderzoeker Ivan Vlahinic in, die onlangs was gepromoveerd aan de Northwestern University. Vlahinic zette tests op waarin vroege mock-ups van de mol werden gevolgd en wiskundig geanalyseerd terwijl ze zich een weg baanden door een glazen kolom gevuld met zand.

Andrade, Vlahinic, en hun collega's ontdekten dat de lagere overbelastingsdruk van Mars, vergeleken met de aarde, zal het zelfs moeilijker maken voor de mol om de bodem van Mars binnen te dringen. Overbelastingsdruk is de druk op een laag steen of zand die wordt uitgeoefend door het materiaal dat erboven is gestapeld. Op een bepaalde diepte, de deklaag druk op Mars is een derde van de Aarde, corresponderend met de lagere zwaartekracht van de Rode Planeet. Voor dezelfde verpakkingsfractie - de hoeveelheid ruimte die door materiaal wordt gevuld - zorgt de lage druk ervoor dat korrelige materialen in een lossere toestand kunnen bestaan, waardoor het aantal individuele contacten dat elke korrel met zijn buren heeft, toeneemt, en dit verhoogt de algehele weerstand van het materiaal tegen penetratie.

Het onderzoek van Vlahinic werd uiteindelijk overgenomen door Jason Marshall, die in 2014 promoveerde aan de Carnegie Mellon University en van 2015 tot 2018 als postdoctoraal onderzoeker bij Caltech werkte.

"We hebben niet alleen penetratie bestudeerd, maar ook hoe warmte door de bodem beweegt, "Aldus Marshall." Een van de dingen die inzicht probeert te begrijpen is hoe de temperatuur van de planeet verandert met de diepte. Wat we ontdekten is dat terwijl we het zand vervormen, de deeltjes worden duidelijk herschikt, en dat zal de thermische geleidbaarheid metingen beïnvloeden." Als korrelvormige materialen vervormen de hoeveelheid ruimte tussen de afzonderlijke korrels verandert, aanpassen van de hoeveelheid ruimte waardoor warmte zal ofwel radiate of gedragingen via dunne atmosfeer van de planeet. Het verhoogt ook het aantal korrels tot korrels contacten de bodem strakker wordt verpakt.

Met deze kennis, Andrade was in staat nieuwe computermodellen te ontwikkelen die het JPL-team hielpen de effectiviteit van de mol in Marsbodem te voorspellen. Tenzij de mol een obstakel tegenkomt, hij heeft er alle vertrouwen in dat het gaat lukken.

"De tests tonen aan dat dit ding veel dieper dan twee meter kan gaan. Een dealbreaker zou een grote rotsformatie kunnen zijn die het pad van de mol blokkeert, maar het selectieteam van de InSight-landingslocatie heeft een locatie op Mars gekozen die zo rotsvrij mogelijk is, "zegt hij. Bovendien, gewapend met Marshall's informatie over het effect van deeltjesomlegging op thermische geleidbaarheid, InSight moet in een goede positie om niet alleen de gewenste diepte bereikt, maar ook nauwkeurige informatie over de temperatuur op die diepte terugsturen, zegt Andrade.

Voor nu, Andrade en zijn voormalige postdocs kunnen alleen maar kijken en wachten. "We hebben hier op aarde alles gedaan wat we konden. Nu is het aan InSight, " hij zegt.