Mars Science Laboratory (MSL) è una missione di esplorazione di Marte della NASA, lanciata il 26 novembre 2011 e giunta sulla superficie marziana il 6 agosto 2012. La missione ha come elemento principale il rover Curiosity, atterrato nel cratere Gale mediante il sistema di ingresso, discesa e atterraggio (EDL).

Curiosity è stato progettato per studiare la geologia e il clima di Marte e per valutare l'abitabilità passata del pianeta, analizzando rocce e campioni del suolo con una serie di strumenti scientifici avanzati. La missione, inizialmente prevista per una durata minima di 669 sol, è tuttora operativa.

Caratteristiche tecniche Dimensioni: Il rover è lungo 3 metri e ha una massa di circa 900 kg, di cui 80 kg in strumenti scientifici (in paragone i rover Spirit e Opportunity hanno una massa di 174 kg, di cui 6,8 kg in strumenti). Velocità: Il MSL è in grado di aggirare gli ostacoli e si muove con una velocità massima di 90 metri all'ora in navigazione automatica, tuttavia si prevede che ragionevolmente la velocità media sarà di circa 30 metri all'ora, a seconda dei livelli di potenza disponibili, l'eventuale terreno sdrucciolevole, e la visibilità. Durante i primi due anni di missione, il MSL era previsto percorrere almeno . Alimentazione: Curiosity è alimentato da un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG), come i precedenti lander Viking 1 e Viking 2 nel 1976. Computer: Il rover dispone due computer di bordo identici, chiamati "Rover Compute Element" (RCE) e contenenti circuiti a prova di radiazione per tollerare gli alti livelli di radiazioni provenienti dallo spazio: di questi, uno è configurato come backup e subentrerà in caso di gravi problemi al computer principale. Ogni computer dispone di 256 KB di EEPROM, 256 MB di DRAM e 2 GB di memoria flash. Il processore utilizzato è il RAD750, successore del RAD6000 già usato con successo nella missione Mars Exploration Rover: . ha una potenza di calcolo di 400 MIPS, mentre il RAD6000 è in grado di effettuare fino a 35 MIPS. Comunicazioni: Curiosity è in grado di comunicare con la Terra in due modi: grazie a un transponder operante nella Banda X, che gli permette di comunicare direttamente con il nostro pianeta, oppure grazie ad un'antenna UHF, che comunica attraverso i satelliti artificiali in orbita intorno a Marte (in particolare il Mars Reconnaissance Orbiter). La seconda modalità di trasmissione sarà tuttavia quella più utilizzata nel corso della missione, poiché i satelliti hanno maggiore potenza di trasmissione e antenne più efficienti. La velocità di trasmissione diretta dei dati è infatti compresa tra 0,48 e 31,25 kbps (circa la metà di una connessione con modem analogico); comunicando invece con i satelliti la velocità è notevolmente superiore: compresa tra 125 e 250 kbps. Sarà poi il satellite ad occuparsi della trasmissione dei dati verso la Terra. Il ritardo della comunicazione è, in media, di 14 minuti e 6 secondi.

Carico scientifico Sono stati selezionati 10 strumenti:

Telecamere (MastCam, MAHLI, MARDI) Tutte le camere sono progettate dalla Malin Space Science Systems e condividono gli stessi componenti, come l'elettronica di elaborazione delle immagini e i CCD a colori con risoluzione di 1600×1200 pixel.

MastCam: fornisce spettri multipli e immagini in truecolor attraverso due camere stereoscopiche (tridimensionali). Le immagini truecolor sono a 1200×1200 pixel e c'è la possibilità di riprendere video ad alta definizione 1280×720 pixel a 10 frame al secondo con compressione hardware (in paragone la camera panoramica dei rover Spirit e Opportunity riprende immagini da 1024×1024 pixel in bianco e nero). La ruota dei filtri utilizzati dalla camera è invece la stessa di quella usata dai due rover che hanno raggiunto il pianeta nel 2004. Entrambe le camere possiedono uno zoom meccanico e possono riprendere immagini di oggetti ad una distanza di 1 km con una risoluzione di 10 cm per pixel. Mars Hand Lens Imager (MAHLI): simile al microscopic imager dei rover MER, è una camera montata su un braccio robotico e usata per acquisire immagini microscopiche di rocce e suolo. Le immagini saranno riprese a 1600×1200 pixel truecolor con una risoluzione di 12,5 micrometri per pixel. MAHLI avrà sia un'illuminazione a LED sia in luce bianca che in UV per poter riprendere immagini al buio o per la fluorescenza. MSL Mars Descent Imager (MARDI): durante la discesa verso la superficie, la camera MARDI ha ripreso circa 500 immagini a colori a 1600×1200 pixel a partire da un'altezza di fino a 5 metri dal terreno in modo da mappare il terreno circostante e il sito di atterraggio.

ChemCam È un sistema LIBS che può individuare una roccia a distanza di 7 metri e vaporizzarne una piccola quantità per analizzare lo spettro della luce emessa usando la micro-imaging camera con campo visivo di 80 microradianti. Sviluppato dal Los Alamos National Laboratory e dal CESR Laboratory, il laser infrarosso che impiega per la vaporizzazione irradia impulsi di 5 ns con lunghezza d'onda di e una densità di potenza pari a 1 GW/cm², generando di energia. La rilevazione viene poi effettuata in uno spettro tra 240 nm e 800 nm.CESR presentation on the LIBS .

Alpha-particle X-ray spectrometer (APXS) È un sistema in grado di eseguire un'analisi PIXE, irradiando i campioni da studiare con particelle alfa e analizzando lo spettro dei raggi X che vengono emessi. È stato sviluppato dall'Agenzia Spaziale Canadese per determinare la composizione chimica delle rocce. Strumenti simili hanno preso parte alle missioni Mars Pathfinder e Mars Exploration Rover. (Stefano D'Avino)

CheMin CheMin (Chemistry & Mineralogy X-Ray Diffraction/X-Ray Fluorescence Instrument) è uno strumento che usa la Diffrazione dei raggi X e la Spettrofotometria XRF per quantificare i minerali e la loro struttura presenti nei campioni. È stato sviluppato dal Jet Propulsion Laboratory.

Sample Analysis at Mars (SAM) Il SAM è costituito da un Gascromatografo-spettrometro di massa e uno spettrometro laser, e ha il compito di analizzare i gas e i composti organici eventualmente presenti nei campioni atmosferici e del suolo. È stato sviluppato dal Goddard Space Flight Center NASA e dal Laboratoire Inter-Universitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA).

Radiation Assessment Detector (RAD) Questo strumento permette di analizzare l'ampio spettro di radiazioni sulla superficie di Marte per determinare la possibilità e le protezioni necessarie ai futuri esploratori umani. Finanziato dal Exploration Systems Mission Directorate della NASA e sviluppato dal Southwestern Research Institute (SwRI).

Dynamic Albedo of Neutrons (DAN) Sorgente e rilevatore di neutroni per misurare l'idrogeno, il ghiaccio e l'acqua vicino o sulla superficie marziana. Fornito dall'Agenzia Spaziale Russa.

Rover Environmental Monitoring Station (REMS) Insieme di strumenti meteorologici fornito dal Ministero spagnolo dell'educazione e della scienza. Montato sull'albero della camera, misura la pressione atmosferica, l'umidità, la direzione e l'intensità del vento, la temperatura dell'aria e del terreno e i livelli di radiazione ultravioletta.

Engineering cameras - Telecamere ingegneristiche

Hazard avoidance cameras (Hazcams) Il rover ha due coppie di telecamere bianco e nero collocate ai quattro angoli dello stesso, simili a quelle presenti sui rover MER. Sono usate per evitare gli ostacoli durante la guida automatica e per posizionare in modo sicuro il braccio robotico sulla superficie e sulle rocce. Le telecamere hanno un angolo di campo di 120° e mappano il terreno fino a 3 m dal rover grazie alla visione stereoscopica.

Navigation cameras (Navcams) Sono una coppia di telecamere bianco e nero montate sul braccio robotico per supportare lo spostamento a terra. Hanno un angolo di campo di 45° e sfruttano la luce visibile per ricostruire l'immagine 3D stereoscopica davanti alla telecamera.

Sistema di atterraggio L'atterraggio su Marte è un compito notoriamente arduo. L'atmosfera è sufficientemente densa da impedire l'impiego di razzi per la decelerazione, poiché il volo a velocità supersonica è instabile. Contemporaneamente, l'atmosfera stessa è troppo rarefatta per l'impiego efficace di paracadute e sistemi di aerofrenaggio. Anche se in missioni precedenti sono stati impiegati airbag per attutire l'impatto dell'atterraggio, il Mars Scientific Laboratory è troppo pesante per il loro utilizzo.

Il rover Curiosity è atterrato quindi sulla superficie marziana attraverso un nuovo sistema di alta precisione per il rientro, la discesa e l'atterraggio (Entry, Descent, Landing System - EDL) che lo ha posizionato all'interno di un'ellisse di , più preciso dell'ellisse di per del sistema di atterraggio impiegato dai Mars Exploration Rover

Rientro guidato Il rover è contenuto all'interno di un involucro detto aeroshell che lo protegge durante il viaggio nello spazio e durante il rientro atmosferico. Il rientro viene effettuato attraverso uno scudo termico di tipo ablativo composto da un materiale chiamato Phenolic Impregnated Carbon Ablator. Lo scudo termico ha un diametro di , il più grande mai impiegato fino a questo momentoNASA, Large Heat Shield for Mars Science Laboratory , 10/07/2009., rallenta la velocità del veicolo spaziale dalla velocità di transito interplanetario pari a 5,3 – 6 km/s (19 000 — 21 600 km/h) fino a circa Mach 2 (2 450 km/h) tramite l'ablazione dello scudo nell'atmosfera marziana. Una volta ridotta la velocità si è aperto il paracadute. L'algoritmo impiegato nel computer di bordo durante il rientro è simile a quello utilizzato nella fase finale di atterraggio sulla Terra nell'ambito del Programma Apollo e permette una riduzione dell'errore tra il punto di atterraggio effettivo e quello previsto. Tale algoritmo utilizza la propulsione dell'involucro esterno per correggere gli errori rilevati nella fase di rientro. Tale propulsione è controllata da quattro coppie di propulsori di tipo Reaction Control System che producono circa di spinta a coppia. Tramite la modifica del vettore di spinta permette alla sonda di virare verso la zona di atterraggio. Il dispiegamento del paracadute avviene a circa di altezza, ad una velocità di circa 470 m/s.

Discesa con il paracadute

Quando la fase di ingresso nell'atmosfera è stata completata e la sonda ha rallentato a Mach 2 e si trova a circa di altezza, lo scudo termico si separa. Successivamente viene dispiegato un paracadute adatto a velocità supersoniche, analogamente a quelli impiegati per il Programma Viking, e per i rover Pathfinder, Spirit e Opportunity.

Il paracadute è stato testato a marzo e aprile 2009 nelle gallerie del vento del centro di ricerca Ames Research Center della NASA, superando le verifiche di volo. Il paracadute possiede 80 cavi di sospensione, ha un diametro di 16 metri ed ha una lunghezza di oltre 50 metri, rendendolo in grado di esercitare a Mach 2,2 una forza di nell'atmosfera marziana. Sulla parte inferiore del rover una telecamera acquisirà immagini del terreno ad una velocità di 5 frame/secondo quando la sonda si troverà a 3,7 km di altezza.

Discesa con i razzi Dopo il rallentamento esercitato dal paracadute, la sonda si è trovata ad un'altezza di e ad una velocità di 100 m/s. La successiva fase di discesa prevedeva il distacco del rover e dello stadio di discesa dall'involucro. Lo stadio di discesa è una piattaforma situata sopra al rover che possiede dei razzi a spinta variabile mono-propellente (idrazina). Gli 8 razzi presenti producono circa di spinta e sono stati progettati a partire da quelli impiegati dalle sonde Viking. Contemporaneamente il rover è passato nella configurazione di atterraggio abbassando le ruote con cui ha toccato il suolo.

Sky Crane