Aparaty naukowe to urządzenia wykorzystywane w badaniach Czerwonej Planety, co jest głównym celem misji. Choć na zamieszczonej we wstępie grafice NASA podaje, iż na łaziku zamontowano 7 tego typu instrumentów, to w rzeczywistości doliczyć się można sześciu urządzeń. Prawdopodobnie rozbieżność wynika z faktu, iż jeden z aparatów wykorzystuje dwa moduły obrazowe.

Mastcam-Z

Mastcam-Z. Źródło: NASA/JPL-Caltech

Pamiętamy, że na Curiosity zamontowano dwa główne aparaty fotograficzne typu Mastcam wyposażone w obiektywy o różnych ogniskowych. W przypadku Perseverance agencja NASA zastosowała dwa identyczne urządzenia, lecz wyposażone w zoom. Aparaty zamontowano na górnym wysięgniku obok kamer nawigacyjnych, a ich podstawowe parametry wyglądają następująco:

• matryca: Kodak KAI-2020 CM CCD 1600×1200 pikseli, produkowana obecnie przez ON Semiconductor,
• rozmiar matrycy: 11.84 mm (H) × 8.88 mm (V),
• zakres ogniskowych 28–100 mm,
• światłosiła f/8–10,
• pole widzenia: 23°×18° (szeroki kąt), 6°×5° (tele),
• zakres ogniskowania:
  • od 1 metra dla ogniskowych 28–50 mm,
  • od 2 metrów dla ogniskowych 50–100 mm,
• szerokość rejestrowanego widma: 400–1000 nm,
• wbudowane 11 filtrów wąskoprzepustowych,
• wbudowane 2 filtry ND (niebieski i czerwony) do fotografowania Słońca.

Aparaty Mastcam-Z zamontowane na łaziku. Źródło: NASA/JPL-Caltech

Mastcam-Z to w zasadzie najważniejsze aparaty na Perseverance. Wykonywane za ich pomocą zdjęcia dostarczają dane o topografii, geomorfologii oraz strukturach i procesach geologicznych na Marsie. Naukowcy za ich pomocą dokonują też obserwacji procesów zachodzących w atmosferze, ruchów chmur, a także wszelkiego rodzaju zjawisk astronomicznych. Aparaty wspomagają również nawigację łazika, a dzięki zastosowaniu dwóch identycznych urządzeń zamontowanych obok siebie możliwe będzie tworzenie trójwymiarowych zdjęć i filmów z powierzchni Marsa.

----- R E K L A M A -----

PROMOCJA SONY - RABAT DO 500zł!

Sony 70-200/4 FE G OSS

6449 zł 5949 zł

Sony 50/1.4 FE GM

8178 zł 7678 zł

Sony 16-55/2.8 E G

5488 zł 4988 zł

Sony 55/1.8 FE

4388 zł 3888 zł

Budowa obiektywu Mastcam-Z. Źródło: NASA/JPL-Caltech

Dlaczego zatem w tak ważnym sprzęcie wykorzystuje się leciwą matrycę o rozdzielczości zaledwie 2 Mpix, zamiast nowoczesnych układów o rozdzielczościach sięgających 40 czy nawet 100 Mpix? Przede wszystkim dlatego, że jest to niezawodny sensor, który od lat sprawdza się w środowisku naukowym, sprzęcie pomiarowym i urządzeniach medycznych. Jego niska rozdzielczość jest w tym wypadku zaletą. Trzeba pamiętać, że większość zdjęć wykonywanych za pomocą Mastcam-Z musi być wysyłana na Ziemię łączem radiowym za pośrednictwem dwóch satelitów krążących wokół Marsa. Łącze to nie zapewnia zbyt dużych prędkości, poza tym sygnał wędruje do nas kilka minut, do tego często jest zakłócany przez wiele czynników, a jego wydajność zależy też od położenia łazika, satelitów oraz Ziemi w stosunku do Marsa. Trzeba też pamiętać, iż satelita może odebrać sygnał radiowy od łazika tylko w momencie przelatywania nad nim, co w ciągu marsjańskiej doby daje okno transmisyjne trwające zaledwie 8 minut. W rezultacie w ciągu doby łazik może przesłać za pośrednictwem satelitów między 100 a 250 Mb danych, czyli maksymalnie około 32 MB. Curiosity posiada co prawda antenę zapewniającą bezpośrednią komunikację z Ziemią, jednak przepływność łącza wynosi zaledwie między 500 a 32000 bitów na sekundę, więc przesłanie wspomnianych 32 MB mogłoby zająć nawet 20 godzin! Do tego wymagany jest silny sygnał radiowy, co powoduje, że bezpośrednia transmisja dość mocno drenuje akumulatory w łaziku. Dlatego bezpośrednia komunikacja z Ziemią wykorzystywana jest głównie w celu sterowania i zarządzania, a dane badawcze „przepychane są” przez satelity.

W takich okolicznościach zdecydowanie łatwiej jest przesłać zdjęcia o rozdzielczości 2 Mpix, niż walczyć z dużymi plikami, takimi jak te generowane przez matryce pracujące obecnie w naszych aparatach.

Matryca KAI-2020 CM. Źródło: ON Semiconductor

Aparaty Mastcam-Z korzystają z bezstratnej kompresji 1.7:1 (można też skorzystać z formatu JPEG), tak więc wynikowe zdjęcia ważą niewiele. A dzięki odpowiednio dobranej optyce na fotografiach wykonywanych z odległości 2 metrów można zarejestrować szczegóły od 0.5 mm/pix do 0.15 mm/pix, natomiast ze 100 metrów od 2.7 cm/pix do 0.74 cm/pix. Do tego aparaty zamontowane są na precyzyjnie sterowanym wysięgniku, dzięki czemu naukowcy mogą programować całe sekwencje kadrów, z których później na Ziemi składane są fotografie o bardzo dużych rozdzielczościach. Można powiedzieć, że jest to pewnego rodzaju tryb zdjęć panoramicznych, w którym obróbka odbywa się na naszej planecie. Dzięki temu komputer łazika nie wymaga wielkich mocy obliczeniowych, no i unikamy wspomnianych problemów z transmisją dużych plików.

SuperCam

SuperCam umieszczono na samej górze wysięgnika. Źródło: NASA/JPL-Caltech

SuperCam to rozbudowana wersja urządzenia ChemCam z łazika Curiosity, którego celem jest analiza składu chemicznego geologicznych elementów Marsa, a także wykrywanie ewentualnych śladów biologicznych. Emituje ono wiązkę laserową, która odbijając się od powierzchni badanego materiału wytwarza widzialny dla oka błysk. Błysk ten jest następnie rejestrowany przez wbudowaną kamerę i na jego podstawie analizatory określają skład chemiczny badanej próbki. W SuperCam zastosowano laser znany z Curiosity, który dokonuje spektrometrii z maksymalnej odległości 7 metrów przy zastosowaniu wiązki o długości 1064 nm. Dodatkowo jest też laser, który może pracować z odległości 12 metrów i może stosować spektroskopię Ramana, TRF oraz VISIR. Dodatkowo SuperCam może za pomocą tzw. remote micro-imager (RMI) wykonywać kolorowe zdjęcia wysokiej rozdzielczości, które skorelowane z pomiarami ze spektroskopii mogą służyć do bezpośredniego określenia geochemii i mineralogii próbek.

SuperCam. Źródło: NASA/JPL-Caltech

ChemCam zamontowany na Curiosity sprawdził się doskonale. Do dziś pozwala on na szybkie dokonywanie badań z odległości, bez konieczności każdorazowego podjeżdżania łazikiem do obiektów. Z tego też powodu na Perseverance znalazła się udoskonalona wersja tego aparatu.

PIXL

PIXL służy do przeprowadzania badań z bardzo niewielkiej odległości.Źródło: NASA/JPL-Caltech

Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) to jedno z trzech ważnych urządzeń zamontowanych na wysuwanym ramieniu Perseverance. Aparat będzie wykorzystywany do precyzyjnej spektrometrii. Wysyła ono bardzo wąską wiązkę promieniowania rentgenowskiego i na podstawie zarejestrowanego odbicia jest w stanie określić skład chemiczny badanych próbek i to w skali makro. Ułatwi to poszukiwanie śladów życia na Marsie, gdyż będzie on w stanie wykryć tzw. „biofilmy”, które mogły być pozostawione przez marsjańskie mikroby.

PIXL – budowa wewnętrzna. Źródło: NASA/JPL-Caltech

Dodatkowo w PIXL zamontowano niewielki aparat pracujący w trybie makro, który ma rejestrować szczegółowe tekstury badanych próbek.

SHERLOC

SHERLOC został zamontowany na wysuwanym ramieniu. Źródło: NASA/JPL-Caltech

Wydaje się, że w przypadku tego urządzenia najwięcej roboczogodzin agencja NASA poświęciła na wymyślenie jego nazwy. SHERLOC bowiem to skrót od Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics & Chemicals. Pod tym skomplikowanym ciągiem słów kryje się kolejny spektrometr, który tym razem wykorzystuje promieniowanie DUV (Deep UV). Podobnie jak PIXL, został on zamontowany na wysuwanym ramieniu, dzięki czemu może zbliżyć się do badanej próbki na roboczą odległość wynoszącą 48 mm. Analizuje wówczas obszar o wymiarach 7×7 mm pod kątem zawartości związków organicznych i minerałów, które mogą świadczyć o istnieniu życia na Marsie.

SHERLOC. Źródło: NASA/JPL-Caltech

SHERLOC – budowa wewnętrzna. Źródło: NASA/JPL-Caltech

SHERLOC jest wspomagany przez Autofocus and Contextual Imager (AIC), czyli obiektyw z układem ogniskowania wraz z monochromatycznym modułem obrazowania bazującym na opisywanej wcześniej matrycy Kodak KAI-2020 CM. Układ ten jest odpowiedzialny za wykonanie czarno-białego zdjęcia badanej próbki oraz odpowiednie zogniskowanie na niej wiązki lasera.

WATSON

WATSON. Źródło: NASA/JPL-Caltech

W związku z tym, iż optyka zastosowana w AIC została zoptymalizowana pod kątem wykonywania zdjęć z odległości roboczej aparatu SHERLOC (48 mm), naukowcy potrzebowali jeszcze jednego, bardziej uniwersalnego aparatu na wysuwanym ramieniu. Sięgnęli więc bo znane z Curiosity rozwiązanie, czyli aparat MAHLI. Choć zastosowany w Perseverance aparat praktycznie nie różni się od tego znanego z poprzedniej misji, to zdecydowano się nadać mu inną nazwę. Spece z NASA ponownie wykazali się kreatywnością i ochrzcili go mianem WATSON, co jest skrótem od Wide Angle Topographic Sensor for Operations and eNgineering.

WATSON współdzieli elektronikę sterującą z AIC i również został wyposażony w matrycę Kodak KAI-2020 CM o rozdzielczości 1600×1200 pikseli. Jest on w stanie rejestrować szczegóły z rozdzielczością 13.9 μm/px, a wszystko dzięki obiektywowi, którego dystans roboczy zaczyna się od 25 mm. Wówczas daje on głębię ostrości wynoszącą 1.6 mm, przy efektywnej ogniskowej 18.3 mm (pole widzenia 34°) i światłosile f/9.8. Gdy ostrość jest ustawiona na nieskończoność, głębia ostrości przekracza 4800 mm, pole widzenia wynosi 39.4° (efektywna ogniskowa 21.3 mm), a światłosiła f/8.5.

Podobnie jak w Mastcam, oprogramowanie aparatu dokonuje bezstratnej kompresji zdjęć ze współczynnikiem 1.7:1, lecz jest też możliwa stratna kompresja do formatu JPEG. NASA zastosowało też dobry sposób na innego typu kompresję bazującą na tzw. focus stacking. WATSON potrafi wykonać 8 zdjęć przy różnych ustawieniach ostrości, a następnie połączyć je w jedną, ostrą fotografię i dodatkowo wygenerować tzw. „range map”, czyli mapę zasięgu. Wówczas na Ziemię zamiast 8 fotografii wystarczy przesłać 2, z czego jedna to zdjęcie powstałe z połączenia 8 klatek, a drugie to zajmująca jeszcze mniej danych mapa zasięgu w formie czarno-białego kadru.

Dzięki szerokokątnemu obiektywowi WATSON ma być głównie wykorzystywany do fotografowania większych obszarów Czerwonej Planety, wspomagania pracy urządzeń pomiarowych, a także obserwowania samego łazika w celu sprawdzania jego podzespołów i diagnozowania ewentualnych uszkodzeń.