Een ambitieus instrument voor ESA's ExoMars 2020-missie heeft de tests doorstaan ​​in omstandigheden die lijken op die op de Rode Planeet. Het zal nu naar Rusland worden vervoerd voor zijn acceptatiebeoordeling, gevolgd door integratie op het Kazachok Surface Platform, gepland voor lancering volgend jaar rond deze tijd.

Ongeveer 8 x 8 x 20 cm plus een drietal antennes, ESA's Lander Radioscience-experiment, of kortweg LaRa, is iets groter dan een melkpak van 1 liter. Maar het functioneert als een hoog presterende transponder, belast met het onderhouden van een uiterst stabiele directe radiofrequentieverbinding tussen de aarde en Mars gedurende een volledig Marsjaar - twee aardse jaren - nadat ExoMars is geland.

Op voorstel van de Koninklijke Sterrenwacht van België, LaRa is ontwikkeld via ESA's PRODEX-programma - gericht op het ontwikkelen van wetenschappelijke experimenten voor de ruimte - en wordt gefinancierd door het Belgian Space Policy Office.

De laatste test van LaRa vond plaats in ESA's Mechanical Systems Laboratory (MSL) in het technische hart van het Agentschap ESTEC in Noordwijk, Nederland. Dit is een kleinschalige versie van het naastgelegen ESTEC Test Center, in staat om een ​​breed scala aan ruimtesimulatietests uit te voeren, maar dienende ruimtevaartuiginstrumenten, subsystemen of mini-satellieten in plaats van missies op ware grootte.

Na trillingstests op een van de MSL-schudders om de barre omstandigheden van lancering te simuleren, sfeer opnieuw binnenkomen, afdaling en landing op Mars, LaRa werd vervolgens gedurende bijna twee weken in een thermische vacuümkamer geplaatst om functionele tests uit te voeren in warme en koude omstandigheden.

Het werd eerst in een hoog vacuüm geplaatst om dampen af ​​te voeren die anders problemen in de ruimte zouden kunnen veroorzaken en om zijn gedrag te testen in omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van de reis naar Mars. LaRa werd vervolgens onderworpen aan gesimuleerde Mars-omstandigheden, met 6 millibar koolstofdioxide toegevoegd aan de kamer, terwijl de temperatuur op en neer ging.

LaRa's elektronische doos wordt warm gehouden door de verwarming van de ExoMars-lander. De antennes van LaRa worden echter buiten deze thermisch gecontroleerde omgeving geïnstalleerd en zullen extreme temperatuurwisselingen moeten doorstaan:nachten zo koud als -90°C, met overdag tot een relatief comfortabele 10°C. Het resulterende nieuwe antenneontwerp is ontwikkeld in samenwerking tussen ESA en Université Catholique de Louvain.

Aan het einde van de test werd de thermische vacuümkamer geopend. Ingenieurs naderden het instrument met mondmaskers, jassen en steriele handschoenen - die lijken op een chirurgisch team van een ziekenhuis - gingen vervolgens verder met het verwijderen van de sensoren en bekabeling die voor het testen waren aangebracht voordat het instrument en de antennes in steriele zakken werden geplaatst.

Zoals alle hardware die is ontworpen voor interplanetaire missies, LaRa is onderworpen aan strikte protocollen voor planetaire bescherming om microbiële besmetting te voorkomen.

"De oppervlakken van het instrument worden regelmatig afgeveegd om te controleren of de "bioburden"-niveaus acceptabel blijven, ", legt Lieven Thomassen van LaRa hoofdaannemer Antwerp Space uit. "Het interieur, bestaande uit vier niveaus van printplaten, heeft al een volledige reiniging ondergaan. Het is bijna volledig afgesloten van de buitenwereld, met slechts een ontluchtingsgat met een diameter van 2 mm om overdruk te voorkomen zodra LaRa de ruimte bereikt."

LaRa is een van de twee ESA-instrumenten op het in Rusland gebouwde ExoMars Surface Platform. Bekend als Kazachok - voor 'Little Cossack' - de eerste rol van het platform is om zichzelf en de door ESA gemaakte Rosalind Franklin ExoMars-rover veilig naar de Oxia Planum-laaglanden op Mars te brengen. zodra de rover van zijn hellingen rijdt, Kazachok zal zich wijden aan het uitvoeren van in totaal 13 experimentpakketten aan boord. Het Surface Platform is ontwikkeld door NPO

LaRa zal een X-band radiosignaal van de aarde ontvangen dat het vervolgens weer zal doorgeven. Door zorgvuldig kleine Doppler-verschuivingen in dit tweerichtingssignaal in de tijd te meten, onderzoekers zullen in de loop van de tijd kleine periodieke verschuivingen in de positie van het Surface Platform kunnen identificeren, het openen van een onschatbaar uitzicht op het interieur van Mars.

"LaRa zal details onthullen van de interne structuur van de planeet, en nauwkeurige metingen van zijn rotatie en oriëntatie mogelijk maken, " zegt Véronique Dehant van de Koninklijke Sterrenwacht België, hoofdonderzoeker van het instrument.

"Het zal ook variaties in impulsmoment detecteren als gevolg van herverdeling van massa's, zoals de seizoensgebonden massaoverdracht in koolstofdioxide wanneer een deel van de atmosfeer bevriest tot ijs. Last but not least zal LaRa ook een nauwkeurige bepaling van de precieze landingspositie mogelijk maken."

Als een terrestrische analoog, stel je een draaiend ei voor - je kunt alleen al aan zijn wiebelende beweging zien of het van binnen vloeibaar of hardgekookt is.

Maar de uitdaging is het handhaven van de ultrastabiele directe radioverbinding tijdens LaRa's geplande bedrijfsschema van twee sessies van 1 uur per week, vooral wanneer Mars tot zijn maximale 401 miljoen km afstand van de aarde draait.

"Aan de aardse kant, we zullen gigantische antennes van 70 m gebruiken van NASA's Deep Space Network of het Russische equivalent in Kalyazin of Bear Lakes, om het X-band radiosignaal naar Mars te zenden en de vertraagde replica op te pikken die is doorgegeven door LaRa en "Doppler-signed" door Mars - dit alles met slechts 5 W aan radiovermogen gegenereerd door LaRa, " legt ESA-microgolfingenieur Václav Valenta uit, het leiden van het LaRa-project.

"Maar LaRa op Mars zal voldoende gevoeligheid nodig hebben om een ​​radiosignaal van slechts een paar attowatts - biljoensten van een watt - te detecteren. Wanneer Mars en de aarde dichterbij komen - op hun dichtstbijzijnde slechts 54,6 miljoen km - dan zullen de Europese Estrack-grondstations in staat zijn om de link ook met LaRa.

"Dergelijke scenario's werden met succes getest tijdens twee testcampagnes voor radiofrequentiecompatibiliteit in ESA's ESOC-missiecontrolecentrum in Darmstadt, Duitsland."

De schaarse atmosfeer van Mars is een complicerende factor. Aan de positieve kant zorgt zijn aanwezigheid ervoor dat convectie de restwarmte kan afvoeren. Maar hoewel het meer dan honderd keer dunner is dan de lucht op aarde, radiofrequentiewerking erin laat nog steeds een risico op corona-effecten bestaan ​​- ionisatie van lokale gassen die kunnen leiden tot interferentie en mogelijk schadelijke bliksemachtige ontlading.

"Om elk coronarisico uit te sluiten, LaRa werd eerder onderworpen aan strenge analyses en tests in ESA's High Power Radio Frequency Laboratory in Valencia, Spanje, ", voegt Václav toe.

"Het is ook getest in de Maxwell-kamer van ESTEC op elektromagnetische compatibiliteit, om te controleren of alle elementen goed samenwerken. Bovendien, een speciaal schokmodel van LaRa is ontwikkeld en getest in het ESTEC-testcentrum om de robuustheid van LaRa te verifiëren tegen mechanische schokken veroorzaakt door de scheiding van de draagmodule en het afwerpen van het hitteschild."

Nadat het testen van LaRa in de MSL was voltooid, werd het instrument verplaatst naar het metrologielaboratorium van ESA, voor nauwkeurige metingen van de vlakheid van het oppervlak. Het moet nauwkeurig zijn tot op een schaal van enkele tientallen micrometers - duizendsten van een millimeter - voor een optimale pasvorm en thermisch contact met de landerinterface, helpen om een ​​goede operationele temperatuur op Mars te behouden.

Van ESTEC zal LaRa worden vervoerd naar het Space Research Institute van de Russische Academie van Wetenschappen, ik, voor definitieve acceptatietesten. Het zal vervolgens worden verplaatst naar Cannes in Frankrijk, waar het zal worden geïntegreerd op het Surface Platform met de rest van de lander en op volledig montageniveau zal worden getest.

"De mogelijkheid om te vliegen deed zich eind 2015 voor en de daadwerkelijke ontwikkelingen naar het vliegmodel begonnen pas een jaar later, dus het LaRa-team heeft heel hard moeten werken om op dit punt te komen, ", voegt Václav toe. ExoMars 2020 zal naar verwachting in juli 2020 worden gelanceerd door de Russische Proton-draagraket vanuit Baikonoer in Kazachstan.