Il Sojourner (indicato nella fase di sviluppo come Microrover Flight Experiment) è stato il primo rover a essere impiegato, dal luglio 1997, nell'esplorazione di Marte. È stato sviluppato dalla NASA nell'ambito della missione Mars Pathfinder e fu così chiamato in onore alla famosa abolizionista americana Sojourner Truth.
Uno degli scopi principali della sua missione fu quello di testare le tecnologie che sarebbero state impiegate nelle successive missioni dei rover Spirit e Opportunity, in particolare il sistema di locomozione, il sistema di controllo semiautomatico ed il sistema di generazione di potenza elettrica (che fu oggetto di specifici esperimenti). Il costo complessivo del rover (dallo sviluppo alle operazioni su Marte, comprese produzione e qualifica) fu di 25 milioni di dollari., 2004.
Durante i suoi 83 sol di esercizio (pari a circa 3 mesi terrestri), inviò alle stazioni di ascolto sulla Terra 550 fotografie e analizzò le proprietà chimiche di sedici siti in prossimità del lander, fornendo prove a supporto dell'ipotesi che su Marte, tra 1,8 e 3,5 miliardi di anni fa, fosse presente acqua liquida., 2007.
Missione
Il Sojourner era un veicolo sperimentale, la cui missione principale fu di testare in ambiente marziano alcune soluzioni tecniche sviluppate dagli ingegneri dei laboratori di ricerca della NASA. Da un lato, era necessario verificare se la strategia di progettazione seguita avesse permesso la costruzione di un veicolo adatto all'ambiente che avrebbe incontrato, nonostante le limitate conoscenze relative allo stesso; dall'altro, l'attenta analisi delle prestazioni che si sarebbero avute su Marte avrebbe consentito di sviluppare delle soluzioni alle eventuali criticità individuate o introdurre in generale dei miglioramenti in vista di successive missioni di esplorazione del pianeta.
Aspetti particolarmente innovativi erano rappresentati dal sistema di navigazione semiautomatico e dal sistema di locomozione. Inoltre, non si conoscevano con certezza gli effetti che la polvere presente su Marte avrebbe avuto sui pannelli fotovoltaici che alimentavano il lander ed il rover.Si veda la sezione sul Material Adherence Experiment per maggiori dettagli.
Tali esigenze, d'altra parte, permisero inoltre di esplorare il sito di atterraggio che fu selezionato con cura, ottimizzando le richieste tecniche con quelle scientifiche. Era necessaria un'ampia pianura affinché la sonda potesse atterrare ed un terreno ricco di sassi per verificare al meglio i sistemi del rover. La scelta cadde sulla Ares Vallis, nella Chryse Planitia, caratterizzata da formazioni rocciose di aspetto alluvionale. Gli studiosi ritennero che l'analisi delle rocce e dei sassi, presenti in quello che appariva come lo sbocco di un enorme canale di scolo, avrebbe potuto confermare la passata presenza di acqua liquida sulla superficie di Marte, oltre che fornire dettagli sulle zone circostanti, da cui quei sassi erano stati erosi., 1997.
Caratteristiche tecniche
Sviluppato dal Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, il Sojourner era un veicolo a 6 ruote lungo 65 cm, largo 48 cm ed alto 30 cm. Nella fase di crociera occupava uno spazio di 18 cm di altezza. Pesava complessivamente 10,6 kg.. Altri 5 kg di equipaggiamento erano necessari per mantenere le comunicazioni tra il rover ed il lander, ma erano montati su quest'ultimo.
Poteva raggiungere una distanza di 500 m dal lander ed una velocità massima di 1 cm/s.
Il dorso del rover (0,25 m² di superficie) era rivestito da pannelli fotovoltaici, in grado di erogare 16 watt di potenza di picco (previsto al mezzogiorno marziano). Era stato inoltre dotato di batterie al litio non ricaricabili, in grado di fornire una potenza di 300 Wh, prevalentemente per le esigenze notturne. Nel 1997 non erano disponibili batterie ricaricabili con l'affidabilità richiesta per una missione spaziale nei limiti di peso e costo imposti dal programma Discovery della NASA.
Sistema di locomozione
Le ruote, realizzate in alluminio, erano di 13 cm di diametro e 7,9 cm di larghezza. Erano dotate di cingoli dentellati in acciaio inossidabile in grado di generare in condizioni ottimali, su suolo tenero, una pressione di soli 1,65 chilopascal., 1997. Durante la fase operativa, tuttavia, non si è verificata una tale necessità. Tutte le ruote erano motrici, ognuna azionata da un motore indipendente., 1997. Le prime e terze ruote erano sterzanti. Una configurazione con sei ruote sterzanti era stata considerata, ma secondariamente valutata troppo onerosa in termini di peso. Nel ruotare su sé stesso, tracciava un cerchio di 74 cm di diametro.
Le ruote erano collegate al telaio attraverso sospensioni appositamente sviluppate per assicurare che tutte e sei fossero in contatto col suolo anche su terreni accidentati. Denominate "Rocker-Bogie", furono sviluppate da Don Bickler del JPL per i veicoli sperimentali "Rocky", di cui il Sojourner rappresenta l'ottava versione. Si componevano di due elementi: il primo, denominato "Bogie", collegava la ruota anteriore con quella centrale; il secondo, "Rocker", collegava la ruota posteriore con le altre due. Il sistema non prevedeva l'uso di molle o di altri elementi elastici, che avrebbero potuto aumentare l'entità della pressione esercitata dalle singole ruote. Questo sistema permise il superamento di ostacoli alti anche 8 cm, ma avrebbe teoricamente consentito di superarne di pari a circa il 30 % della lunghezza del rover (20 cm). Al sistema di sospensioni fu inoltre assegnata la capacità di collassare su sé stesso, di modo che, nella configurazione di crociera, il rover occupasse un'altezza di soli 18 cm., 2007.
Il sistema di locomozione risultò adatto all'ambiente incontrato su Marte - molto stabile ed in grado di consentire movimenti in avanti e indietro con analoga facilità - ed è stato adottato con opportuni accorgimenti nelle successive missioni dei rover Spirit ed Opportunity.
Nella decennale fase di sviluppo che condusse alla realizzazione del Sojourner furono vagliate varie soluzioni alternative, che poterono avvalersi della lunga esperienza maturata presso il Jet Propulsion Laboratory nello sviluppo di veicoli per la Luna e per Marte. L'utilizzo di quattro o più gambe fu escluso per tre motivi: un loro basso numero avrebbe limitato i movimenti e conseguentemente la libertà di azione del rover, tuttavia, aumentarne il numero avrebbe determinato un notevole incremento nella complessità; il procedere in questa configurazione avrebbe richiesto inoltre la conoscenza dello spazio antistante (il terreno in corrispondenza del passo successivo) e ciò avrebbe comportato ulteriori difficoltà. La scelta di un veicolo su ruote invece risolse la gran parte dei problemi di stabilità, comportò una riduzione del peso e migliorò l'efficienza ed il controllo rispetto alla soluzione precedente. La configurazione più semplice consiste in un sistema di quattro ruote, che tuttavia incontra delle difficoltà nel superare gli ostacoli. Migliori sono le soluzioni a sei o ad otto ruote, con quelle posteriori in grado di spingere e permettere così il superamento dell'ostacolo. Fra le due, infine è stata preferita quella a sei ruote perché più leggera e più semplice.
Strumentazione
Il computer incorporato a bordo del Sojourner era dotato di un'unità centrale (CPU) basata sul microprocessore Intel 8085 di 100 kHz di frequenza, con una memoria RAM di 512 KB e con un supporto di memoria flash a stato solido di 176 kB.
Il rover era dotato di tre sistemi di raccolta immagini, composti da tre obiettivi (due frontali stereo in B/N e uno posteriore a colori) e di uno spettrometro (Alpha Proton X-Ray Spectrometer - APXS), cui spettano le principali analisi scientifiche. Era inoltre fornito di emettitori laser che, abbinati agli obiettivi frontali, costituivano un sistema di rilevamento degli ostacoli (Laser striper hazard detection system). Il sistema di controllo per la guida era completato da tre accelerometri per determinare la pendenza della superficie e da dei potenziometri, associati ad ogni ruota per controllarne l'angolo di sterzata.
Infine, erano presenti a bordo due esperimenti: l'esperimento di abrasione delle ruote (Wheel Abrasion Experiment - WAE) e l'esperimento di aderenza del materiale (Material Adherence Experiment - MAE).
Alpha Proton X-Ray Spectrometer
L'Alpha Proton X-Ray Spectrometer era uno spettrometro in grado di determinare la composizione chimica delle rocce e della polvere del suolo marziano analizzando la radiazione di ritorno nelle sue componenti alfa, protonica ed X, derivante dall'esposizione del campione ad una fonte radioattiva contenuta nello strumento. Lo strumento disponeva di 244Cm (curio 244), che emette particelle alfa con un'energia di 5,902 MeV. Quando la radiazione incidente impattava sulla superficie del campione analizzato, in parte era riflessa ed in parte interagiva con la materia. L'interazione delle particelle alfa con i nuclei atomici conduceva alla produzione di protoni, mentre quella con gli elettroni degli orbitali più interni determinava l'emissione di raggi X. Lo strumento era progettato per rilevare l'energia delle tre componenti della radiazione di ritorno. Ciò avrebbe permesso di identificare gli atomi presenti (e le loro quantità) in alcune decine di micrometri al di sotto della superficie del campione analizzato. Il processo di rilevazione è piuttosto lento ed ogni misurazione può richiedere anche una decina di ore.
Lo strumento era stato progettato per la missione russa Mars 96, fallita al lancio. I rilevatori delle particelle alfa e dei protoni erano forniti dal Dipartimento di chimica del Max Planck Institute, mentre l'Università di Chicago aveva sviluppato il rilevatore di raggi X.
Durante ogni misura la superficie frontale dello strumento doveva essere posta in contatto con il campione. Affinché ciò fosse possibile, l'APXS era montato su un braccio robotico, il cosiddetto Alpha-Proton-X-ray Spectrometer Deployment Mechanism (Meccanismo di posizionamento dell'APXS), indicato con l'acronimo ADM. L'ADM era un attuatore antropomorfo, dotato di un polso capace di rotazioni di ± 25°.
La duplice mobilità, del rover e dell'ADM, accrebbe le potenzialità dello strumento - il primo di questo tipo a raggiungere Marte.
Wheel Abrasion Experiment
Il Wheel Abrasion Experiment (WAE) era stato ideato per misurare l'azione abrasiva del suolo marziano su sottili strati di alluminio, nichel e platino e dedurre in tal modo informazioni sulla granulometria del suolo in corrispondenza del sito di atterraggio. A tale scopo, su una delle due ruote centrali erano stati montati 15 strati, cinque di ciascun metallo, di spessore compreso tra 200 e 1000 ångström, ed elettricamente isolati dal resto del rover., 1997. Direzionando opportunamente la ruota, la luce solare incidente era riflessa verso un sensore ottico (fotovoltaico), posizionato in prossimità della stessa. L'analisi del segnale raccolto avrebbe dovuto consentire di determinare l'informazione desiderata., 1999. Affinché l'azione abrasiva fosse significativa nei tempi previsti per la missione, era stato programmato che il rover si fermasse ad intervalli frequenti e, con le altre cinque ruote frenate, imponesse una rotazione alla ruota del WAE per aumentarne l'usura. Successivamente alla conduzione dell'esperimento su Marte, si sarebbe cercato di riprodurre gli effetti osservati in laboratorio.
L'interpretazione del risultati proposta da Ferguson et al. suggerisce che il suolo del sito di atterraggio fosse costituito da polvere a grana fine e di limitata durezza, con una dimensione dei grani inferiore ai 40 µm.
Lo strumento era stato sviluppato, costruito e diretto dal Lewis' Photovoltaics and Space Environments Branch del Glenn Research Center.
Material Adherence Experiment