برنامج استكشاف المريخ

لطالما كانت علم الأحياء الفلكي وعلم المناخ والجيولوجيا من المواضيع الشائعة في مهمات برنامج استكشاف المريخ، مثل مركبة استكشاف المريخ الجوالة (يسار) ومختبر علوم المريخ (يمين).

بحسب وكالة ناسا، هناك أربعة أهداف رئيسية لبرنامج استكشاف المريخ، وكلها تتعلق بفهم إمكانية وجود حياة على المريخ. ^{[ 6 ]}

• تحديد ما إذا كانت الحياة قد نشأت على المريخ - لفهم إمكانية وجود حياة على المريخ ، يجب تحديد ما إذا كانت الحياة قد وُجدت عليه في أي وقت مضى، ويبدأ ذلك بتقييم مدى ملاءمة الكوكب للحياة. تتمثل الاستراتيجية الرئيسية لمشروع استكشاف المريخ (MEP)، الملقب بـ"تتبع الماء"، في الفكرة العامة القائلة بأنه حيثما يوجد الماء، توجد الحياة (على الأقل في بعض الحالات على الأرض). من المرجح أنه إذا نشأت الحياة على المريخ، فسيكون من الضروري وجود مصدر مياه لفترة طويلة. لذلك، يتمثل أحد الأهداف الرئيسية لمشروع استكشاف المريخ في البحث عن أماكن يوجد فيها الماء، أو كان يوجد فيها، أو يُحتمل وجوده فيها، مثل مجاري الأنهار الجافة، وتحت سطح الكوكب، وفي القمم الجليدية القطبية للمريخ. إلى جانب الماء، تحتاج الحياة أيضًا إلى مصادر طاقة للبقاء. إن وفرة الأكاسيد الفائقة تجعل وجود الحياة على سطح المريخ أمرًا مستبعدًا للغاية، مما يستبعد ضوء الشمس كمصدر محتمل للطاقة. لذلك، يجب البحث عن مصادر طاقة بديلة، مثل الطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الكيميائية . يمكن استخدام هذه المصادر، التي تستخدمها الكائنات الحية على الأرض، من قِبل الكائنات الحية المجهرية التي تعيش تحت سطح المريخ. كما يمكن البحث عن الحياة على المريخ من خلال العثور على بصمات الحياة الماضية والحاضرة، أو ما يُعرف بالمؤشرات الحيوية . ويمكن أن يُسهم وفرة الكربون النسبية، وموقعه، وأشكاله، في تحديد مكان وكيفية تطور الحياة. كذلك، فإن وجود معادن الكربونات ، إلى جانب حقيقة أن غلاف المريخ الجوي يتكون في معظمه من ثاني أكسيد الكربون ، يُشير إلى أن الماء ربما كان موجودًا على الكوكب لفترة كافية لتشجيع نشأة الحياة. ^{[ 7 ]}
• تحديد خصائص مناخ المريخ – يتمثل هدف آخر لبرنامج استكشاف المريخ (MEP) في تحديد خصائص مناخ المريخ الحالي والماضي ، بالإضافة إلى العوامل المؤثرة في تغير المناخ على سطحه. ومن المعروف حاليًا أن مناخ المريخ يتأثر بالتغيرات الموسمية للغطاء الجليدي، وحركة الغبار في الغلاف الجوي، وتبادل بخار الماء بين السطح والغلاف الجوي. إن فهم هذه الظواهر المناخية يُسهم في مساعدة العلماء على وضع نماذج أكثر فعالية لمناخ المريخ في الماضي، مما يُتيح فهمًا أعمق لديناميكيات المريخ. ^{[ 8 ]}
• توصيف جيولوجيا المريخ – تتميز جيولوجيا المريخ عن جيولوجيا الأرض، من بين أمور أخرى، بوجود براكين ضخمة للغاية وانعدام حركة القشرة الأرضية. يهدف مشروع استكشاف المريخ (MEP) إلى فهم هذه الاختلافات عن الأرض، بالإضافة إلى كيفية تأثير الرياح والمياه والبراكين والتكتونيات وتكوين الفوهات وغيرها من العمليات على تشكيل سطح المريخ. يمكن أن تساعد الصخور العلماء في وصف تسلسل الأحداث في تاريخ المريخ، وتحديد ما إذا كان هناك وفرة من المياه على الكوكب من خلال تحديد المعادن التي تتشكل فقط في الماء، ومعرفة ما إذا كان للمريخ مجال مغناطيسي في الماضي (مما يشير إلى أن المريخ كان في وقت ما كوكبًا ديناميكيًا شبيهًا بالأرض). ^{[ 9 ]}
• الاستعداد لاستكشاف المريخ بواسطة البشر – تمثل مهمة بشرية إلى المريخ تحديًا هندسيًا هائلاً. فمع احتواء سطح المريخ على أكاسيد فائقة، وافتقاره إلى غلاف مغناطيسي وطبقة أوزون للحماية من إشعاع الشمس، سيتعين على العلماء فهم ديناميكيات المريخ فهمًا دقيقًا قدر الإمكان قبل اتخاذ أي إجراء نحو هدف إرسال البشر إلى المريخ. ^{[ 10 ]}

لطالما شهدت مهمات استكشاف المريخ بعضًا من أعلى معدلات الفشل بين مهمات ناسا، ^{[ 11 ]} ويعزى ذلك إلى التحديات الهندسية الهائلة لهذه المهمات، فضلًا عن بعض الظروف غير المواتية، مثل مركبة الهبوط القطبية الأمريكية على المريخ . ^{[ 12 ]} ونظرًا لأن العديد من أهداف برنامج استكشاف المريخ (MEP) تتضمن دخول المركبة الفضائية إلى سطح المريخ وهبوطها عليه، فإن عوامل مثل غلاف الكوكب الجوي، وتضاريس سطحه غير المستوية، والتكلفة الباهظة لمحاكاة بيئات شبيهة بالمريخ لأغراض الاختبار، تُعدّ عوامل مؤثرة. ^{[ 13 ]}

بالمقارنة مع الأرض، فإن غلاف المريخ الجوي أرق بنحو 100 مرة. ونتيجة لذلك، إذا هبطت مركبة فضائية في غلاف المريخ الجوي، فسوف تتباطأ سرعتها على ارتفاع أقل بكثير، وقد لا يتوفر لها الوقت الكافي للوصول إلى السرعة النهائية، وذلك بحسب كتلة المركبة. ولتفعيل أجهزة التباطؤ فوق الصوتية أو دون الصوتية، يجب أن تكون السرعة أقل من حد معين، وإلا فلن تكون هذه الأجهزة فعالة. لذلك، يجب تطوير تقنيات تسمح بإبطاء سرعة المركبة الفضائية بما يكفي لإتاحة الوقت الكافي لإتمام عمليات الهبوط الضرورية الأخرى قبل الهبوط. ^{[ 13 ]} يتغير غلاف المريخ الجوي بشكل كبير على مدار السنة المريخية ، مما يحول دون تمكن المهندسين من تطوير نظام هبوط واستقبال موحد لجميع المهمات. وتؤدي العواصف الترابية المتكررة إلى زيادة درجة حرارة الطبقات السفلى من الغلاف الجوي وتقليل كثافته، وهو ما يفرض، إلى جانب الارتفاعات المتغيرة للغاية على سطح المريخ، اختيارًا دقيقًا لموقع الهبوط لضمان تباطؤ المركبة بشكل كافٍ. ^{[ 13 ]} نظرًا لأن تسلسلات الهبوط والتفريغ على سطح المريخ لا تستغرق سوى 5-8 دقائق تقريبًا، يجب أن تكون الأنظمة المرتبطة بها موثوقة تمامًا. من الناحية المثالية، ينبغي التحقق من ذلك من خلال البيانات التي يتم الحصول عليها عن طريق إجراء اختبارات واسعة النطاق لمختلف مكونات أنظمة الهبوط والتفريغ على الأرض. ومع ذلك، فإن تكاليف إعادة إنتاج البيئات التي تكون فيها هذه البيانات ذات صلة ببيئة المريخ مرتفعة للغاية، مما يؤدي إلى أن تكون الاختبارات أرضية بحتة أو محاكاة نتائج اختبارات تتضمن تقنيات مستمدة من مهمات سابقة. ^{[ 13 ]}

سطح المريخ غير مستوٍ للغاية، إذ يحتوي على صخور وتضاريس جبلية وفوهات. بالنسبة لمركبة هبوط، تُعدّ منطقة الهبوط المثالية مسطحة وخالية من الحطام. ونظرًا لاستحالة إيجاد مثل هذه التضاريس على سطح المريخ، يجب أن تكون معدات الهبوط شديدة الثبات وذات خلوص أرضي كافٍ لتجنب مشاكل الانقلاب وعدم الاستقرار عند الهبوط. إضافةً إلى ذلك، يجب أن تتضمن أنظمة التباطؤ في هذه المركبات محركات دفع موجهة نحو الأرض. يجب تصميم هذه المحركات بحيث لا تعمل إلا لفترة وجيزة جدًا؛ فإذا عملت ووجهت نحو أرض صخرية لأكثر من بضعة أجزاء من الثانية، فإنها تبدأ بحفر خنادق، وقذف صخور صغيرة باتجاه معدات الهبوط، والتسبب في ضغط عكسي مُزعزع للاستقرار على المركبة. ^{[ 13 ]}

يتطلب إيجاد موقع هبوط مناسب القدرة على تقدير حجم الصخور من المدار. لم تُطوَّر بعدُ تقنية تحديد حجم الصخور بدقة، التي يقل قطرها عن 0.5 متر، من المدار، لذا يُستدل على توزيع حجم الصخور من علاقته بالقصور الحراري، استنادًا إلى الاستجابة الحرارية لموقع الهبوط التي تقيسها الأقمار الصناعية التي تدور حاليًا حول المريخ. كما يُسهم مسبار استطلاع المريخ المداري في هذا المسعى، إذ تستطيع كاميراته رصد الصخور التي يزيد قطرها عن 0.5 متر. ^{[ 13 ]} وإلى جانب احتمال انقلاب المركبة على الأسطح المنحدرة، تُشكِّل المعالم الطبوغرافية الكبيرة، كالتلال والهضاب والفوهات والخنادق، مشكلة تداخل مع أجهزة الاستشعار الأرضية. إذ يُمكن للرادار ورادار دوبلر قياس الارتفاع بشكل خاطئ أثناء الهبوط، وقد تُضلل الخوارزميات التي تستهدف نقطة هبوط المركبة، فتُطلقها مبكرًا جدًا أو متأخرًا جدًا إذا مرت فوق الهضاب أو الخنادق أثناء الهبوط. ^{[ 13 ]}

على الرغم من رصد المريخ في العصور القديمة من قبل البابليين والمصريين واليونانيين وغيرهم ، إلا أنه لم يُدرس بعمق إلا بعد اختراع التلسكوب في القرن السابع عشر. [ ^{14 ] وكانت} أول محاولة لإرسال مسبار إلى سطح المريخ، والذي أُطلق عليه اسم "مارسنيك 1"، من قِبل الاتحاد السوفيتي عام 1960. إلا أن المسبار فشل في الوصول إلى مدار الأرض ، وانتهت المهمة بالفشل في نهاية المطاف. ويُعدّ الفشل في تحقيق أهداف المهمات أمرًا شائعًا في البعثات المصممة لاستكشاف المريخ؛ إذ فشل ما يقرب من ثلثي المركبات الفضائية المتجهة إلى المريخ قبل بدء أي عملية رصد. ^{[ 11 ]} تأسس برنامج استكشاف المريخ رسميًا في أعقاب فشل مهمة "مارس أوبزرفر" في سبتمبر 1992، ^{[ 1 ]} والتي كانت أول مهمة لوكالة ناسا إلى المريخ منذ مشروعي "فايكنغ 1" و "فايكنغ 2" عام 1975. حملت المركبة الفضائية، التي بُنيت على أساس قمر صناعي تجاري للاتصالات يدور حول الأرض (أي قمر "أسترا 1A" التابع لشركة SES )، حمولة من الأجهزة المصممة لدراسة جيولوجيا المريخ وجيوفيزياءه ومناخه من مداره. انتهت المهمة في أغسطس 1993 عندما انقطعت الاتصالات قبل ثلاثة أيام من الموعد المقرر لدخول المركبة الفضائية مدارها . ^{[ 15 ]}

في العقد الأول من الألفية الثانية، أطلقت وكالة ناسا برنامج "مارس سكاوت" ضمن برنامج استكشاف المريخ، بهدف إرسال سلسلة من المهمات الروبوتية الصغيرة منخفضة التكلفة إلى المريخ ، والتي تم اختيارها تنافسيًا من بين مقترحات مبتكرة من المجتمع العلمي، بميزانية قصوى قدرها 485 مليون دولار أمريكي. وكانت "فينيكس" أول مركبة فضائية روبوتية في هذا البرنامج ، والتي استخدمت مركبة هبوط صُنعت في الأصل لمهمة " مارس سيرفيور 2001" الملغاة . وكانت "فينيكس" واحدة من أربع مركبات وصلت إلى المرحلة النهائية من بين 25 مقترحًا. ^{[ 16 ]} وشملت المركبات الأربع المتأهلة: "فينيكس"، و"مارفل"، و "سيم" ( جمع العينات لاستكشاف المريخ )، وطائرة " آريس " (المسح البيئي الجوي الإقليمي). ^{[ 16 ]} وكانت "سيم" مهمة لإعادة العينات، وكان من المقرر أن تستخدم مسار عودة حرة وهلامًا هوائيًا لالتقاط غبار المريخ وإعادته إلى الأرض ^{[ 16 ]} (انظر أيضًا: مهمة " ستاردست "). كان مشروع مارفل مركبة مدارية تهدف إلى البحث عن النشاط البركاني وتحليل مكونات مختلفة من الغلاف الجوي للمريخ. ^{[ 16 ]} الاسم اختصار لعبارة " مستكشف الانبعاثات البركانية والحياة على المريخ" ، وكان الهدف منه رصد الغازات المنبعثة من الحياة إن وُجدت. ^{[ 16 ]} أما مشروع آريس فكان عبارة عن طائرة مصممة لدراسة الغلاف الجوي السفلي وسطح المريخ. ^{[ 16 ]} في 15 سبتمبر/أيلول 2008، أعلنت وكالة ناسا اختيارها لمركبة مافن للمهمة الثانية. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} وقد رُصدت لهذه المهمة ميزانية لا تتجاوز 475 مليون دولار أمريكي. ^{[ 20 ]} بعد اختيارين فقط، أعلنت مديرية العلوم في ناسا عام 2010 دمج مشروع مارس سكاوت في برنامج ديسكفري ، الذي أُعيدت صياغته للسماح باقتراح مهمات إلى المريخ. ^{[ 21 ]} تم اختيار مهمة InSight ، وهي مهمة لعلم الزلازل والجيولوجيا على المريخ، في نهاية المطاف لتكون المهمة الثانية عشرة لبرنامج ديسكفري.

شهدت ميزانية قسم علوم الكواكب التابع لوكالة ناسا خفضًا كبيرًا بقيمة 300 مليون دولار أمريكي في السنة المالية 2013، مما أدى إلى إلغاء مشاركة الوكالة في برنامج إكسومارس التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، بالإضافة إلى إعادة تقييم برنامج استكشاف المريخ ككل. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} وفي فبراير 2012، اجتمع فريق تخطيط برنامج المريخ (MPPG) في واشنطن العاصمة لمناقشة مفاهيم المهمات المرشحة لفترة الإطلاق في عامي 2018 أو 2020، ^{[ 34 ] [ 33 ]} ضمن مبادرة عُرفت باسم "الجيل القادم من المريخ". ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} كان الهدف من برنامج تطوير برنامج استكشاف المريخ (MPPG) هو وضع أسس لهيكلية برنامجية لاستكشاف المريخ بواسطة الروبوتات، بما يتوافق مع تحدي إدارة أوباما المتمثل في إرسال بشر إلى مدار المريخ في عقد الثلاثينيات من القرن الحالي ، ^{[ 33 ]} مع مراعاة الأهداف العلمية الرئيسية للمسح العشري لعلوم الكواكب الصادر عن المجلس الوطني للبحوث عام 2011. ^{[ 37 ]} اعتمد برنامج تطوير برنامج استكشاف المريخ (MPPG) على مدخلات فردية غير توافقية من موظفي ناسا المدنيين والمتعاقدين معها، وكانت القرارات الناتجة مسؤولية ناسا الحصرية.

انصبّ التركيز المباشر لمجموعة برامج المريخ (MPPG) على جمع خيارات متعددة لمفاهيم المهمة ضمن نافذة إطلاق المريخ لعامي 2018 و2020. ^{[ 33 ]} وبميزانية قدرها 700 مليون دولار أمريكي ، تشمل مركبة الإطلاق ، كان من المفترض أن تقتصر المهمة على مركبة مدارية . ^{[ 35 ] [ 38 ]} وقد أُخذت الأفكار قصيرة المدى في الاعتبار للتخطيط المبكر للمهمة خلال الفترة 2018-2024، بينما استُخدمت الأفكار متوسطة وطويلة المدى في تخطيط بنية البرنامج لعام 2026 وما بعده. ^{[ 39 ]} وشملت الاستراتيجيات التي تم استكشافها لمثل هذه المهمة مهمة لإعادة عينات من التربة إلى مدار المريخ في أواخر العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين أو أوائل العقد الثالث منه، وتحليل التربة في الموقع، ودراسة سطح المريخ وباطنه العميق قبل مهمة إعادة العينات و/أو مهمة مأهولة. ^{[ 33 ]} شملت المهام المفاهيمية التي دُرست والتي تتناسب مع متطلبات الميزانية التي تتراوح بين 700 و800 مليون دولار أمريكي، مركبة المدار المريخية التالية (NeMO) لاستبدال خدمات الاتصالات للأقمار الصناعية القديمة، ومركبة هبوط ثابتة لاستكشاف واختيار عينات مناسبة لإعادتها لاحقًا إلى الأرض. ^{[ 33 ]} قبل نتائج فريق عمل برنامج أبحاث الكواكب (MPPG)، وافقت اللجنة الفرعية للتجارة والعدل والعلوم التابعة للجنة الاعتمادات بمجلس النواب على ميزانية في أبريل 2012 أعادت 150 مليون دولار أمريكي إلى ميزانية علوم الكواكب، مع اشتراط إلزامية مهمة لإعادة العينات. ^{[ 31 ]} صِيغ التقرير النهائي لفريق عمل برنامج أبحاث الكواكب في أغسطس 2012 ونُشر في سبتمبر. ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} وقد أثرت التوصية، التي أيدت في نهاية المطاف مهمة إعادة العينات، على عملية إعداد ميزانية ناسا للسنة المالية 2014. ^{[ 43 ]}

تحدث فترات إطلاق الرحلات الاستكشافية إلى المريخ كل عامين وشهرين تقريبًا (وتحديدًا 780 يومًا، وهي الفترة الاقترانية للمريخ بالنسبة للأرض). ^{[ 44 ]}