Марсианска нумизматика: Защо Curiosity носи монета от 1 цент от 1909 година

Когато изучават изображения, получени от повърхността на други планети, специалистите се сблъскват със сериозен оптичен проблем – загуба на усещането за мащаб. На Земята човешкият мозък автоматично определя размера на обектите въз основа на заобикалящата ги среда. Знаем приблизителната височина на дърветата, ширината на пътищата, размера на сградите и човешките фигури. На Марс тези отправни точки липсват. Без тях човешкото визуално възприятие е изкривено: един малък камък на преден план лесно може да бъде сбъркан с голям скален фрагмент, а малка вдлъбнатина в земята – с дълбока кухина.

За да решат този проблем и да осигурят на учените точни метрични данни, инженерите на НАСА монтираха върху тялото на марсохода Curiosity физически стандарт – американска монета от един цент, емисия 1909 г. Тази проста стъпка позволи да се калибрира изследователското оборудване и да се получат надеждни данни за размера на изследваните марсиански скали.

Точно същият 1 цент, монтиран в системата за макроизображения MAHLI на марсохода Curiosity Проблемът със зрителното възприятие на другите планети

Основната причина за оптичните изкривявания на Марс се крие в особеностите на неговата атмосфера и пейзаж. На Земята определянето на разстоянието и размера се подпомага от така наречената въздушна перспектива. Земната атмосфера е плътна и съдържа водни пари. Поради това отдалечените обекти ни изглеждат по-малко ясни, по-бледи и придобиват синкав оттенък. Мозъкът използва тази особеност, за да изгради триизмерна представа за света.

Атмосферата на Марс е изключително тънка (плътността ѝ е по-малко от един процент от земната) и почти не съдържа влага. В резултат на това липсва обичайната въздушна перспектива. Обектите, намиращи се на няколко километра от камерата на марсохода, изглеждат толкова ясни и контрастни, колкото и тези на няколко метра.

Вторият фактор е липсата на позната геометрия. Марсианският пейзаж се състои от хаотично подредени скали, пясък и скални възвишения. Поради отсъствието на обекти с познати размери е невъзможно да се разбере мащабът на кадъра на око. За точни научни изследвания геолозите се нуждаят от физическа референция към обект, чиито размери са предварително известни с точност до една десета от милиметъра.

Как работи макросистемата MAHLI

Системата Mars Hand Lens Imager (MAHLI) е прикрепена към роботизираната ръка на марсохода „Кюриосити“. Това е специализирана камера, предназначена за макрофотография на марсианската почва и скали. Нейната основна задача е да записва микроструктурата на минералите, формата на пясъчните зърна и текстурата на седиментните скали. Тези данни позволяват на учените да реконструират геоложката история на Марс и да определят при какви условия са се образували определени минерали.

Специален панел, монтиран на тялото на марсохода, се използва за калибриране на тази камера. Панелът включва:

Мрежа с деления за определяне на линейните размери. Цветни полета за прецизна настройка на цветопредаването на сензора. Стъпаловиден релеф за калибриране на дълбочината на рязкост. Монета от един цент (пени) от 1909 г.

Преди да започне детайлното заснемане на нови геоложки обекти, манипулаторът доближава камерата MAHLI до този панел и прави снимка на монетата. Полученото изображение позволява на софтуера на Земята да регулира фокусното разстояние, баланса на бялото и да изчисли точно колко пиксела в изображението съответстват на един милиметър върху реалната марсианска скална повърхност.

Мишената за калибриране на камерата на Mars Hand Lens Imager Защо физическият еталон е по-надежден от цифровия

В съвременната астронавтика повечето процеси са автоматизирани, а инструментите са оборудвани с цифрови сензори. Въпреки това, в случая на определяне на мащаба, инженерите умишлено избягват използването единствено на цифрови или лазерни измервателни уреди в полза на физически обект.

Лазерните далекомери и електронните сензори за фокус усложняват конструкцията на апаратурата. Те се нуждаят от захранване, податливи са на софтуерни повреди и могат да се повредят поради излагане на космическата радиация или екстремните температурни разлики. Ако цифровият сензор се повреди, учените ще загубят възможността да определят точно размера на обектите в изображенията.

Физическият еталон под формата на метална монета е лишен от тези недостатъци. Тя не се нуждае от захранване, не зависи от бордовия компютър и не може да се повреди. Докато камерата може да прави снимки, монетата остава надежден източник на данни за мащаба. Нейната геометрия не се променя, което прави процеса на калибриране лесен и безпроблемен. Разбира се, би могло да се намери по-специализирано средство, но освен това използването на монета за сравняване на мащабите е израз на почит към дългогодишната традиция на геолозите.

Металургията на космоса: характеристиките на монетата от 1909 г.

Инженерите на НАСА избират монетата от 1909 г. не само заради историческия ѝ контекст. Този избор е продиктуван от практическите изисквания към материалите, използвани в космическата индустрия.

В началото на XX в. американските центове се секат от бронзова сплав, състояща се от 95% мед и 5% калай и цинк. Съвременните центове (емитирани след 1982 г.) са изработени от цинк и са покрити само с тънък слой мед чрез галванично покритие.

Съвременните монети не са подходящи за използване на Марс поради следните причини:

Температурна деформация. На Марс температурите варират от -130 °C през нощта до +20 °C през деня. Двуслойните монети, изработени от разнородни метали (цинк и мед), са подложени на различни степени на температурно разширение при тези колебания. Това може да доведе до разслояване на покритието или до деформация на формата на монетата. Хомогенният бронз от 1909 г. се разширява и свива равномерно, като запазва геометрията си.

Дълбочина на релефа. Монетите от началото на XX в. се характеризират с дълбок и ясно изразен релеф на монетния знак. Високите детайли на профила на Ейбрахам Линкълн и надписите създават ясно изразени сенки при различни ъгли на осветяване от Слънцето. Това е от решаващо значение за валидиране на алгоритмите за 3D моделиране, които използват сенките за възстановяване на обема на обектите в изображенията.

Преди да бъде монтирана на марсохода, монетата е старателно почистена и термично тествана във вакуумни камери, за да се елиминира отделянето на органични вещества, които биха могли да замърсят оптиката на камерата MAHLI. Тя е прикрепена към панела за калибриране с помощта на специално термоустойчиво епоксидно лепило, използвано в космическата индустрия.

Камерата MAHLI на марсохода Curiosity на Марс. Планината Шарп е на заден план Изследването на марсианския прах с помощта на монета

В допълнение към основната задача за калибриране на скалата, монетата на борда на „Кюриосити“ се оказа важен инструмент за пасивно наблюдение на марсианската атмосфера.

Марсианският прах се състои основно от железни оксиди. Тези частици са много малки (средно около 1,5 микрона в диаметър) и имат статичен заряд, поради което лесно залепват за всяка повърхност. Постепенното натрупване на прах върху слънчевите панели и научните инструменти е един от основните проблеми на марсианските мисии.

Тъй като камерата MAHLI редовно снима калибровъчния панел с монетата, учените успяха да изучат в детайли процеса на утаяване на праха върху металната повърхност. Релефните елементи на монетата – буквите на надписите Liberty (Свобода) и In God We Trust (Вярваме в Бога) – служат като естествени капани за праховите частици.

Сравнявайки изображенията на монетата, направени през различните сезони на марсианската година, изследователите могат да:

да определят степента на натрупване на прах в зависимост от сезона. Да оценят ефективността на почистването на повърхностите от вятъра (през периодите, когато преминават прашни торнада). Да изследват физичните свойства на марсианския прах, като наблюдават как той се натрупва в областите на монетата с различни форми на релефа. Дълготрайност на физичните материали на Марс

Условията на Марс са пагубни за сложните машини. Полупроводниците се разрушават от космическата радиация, движещите се механизми се износват поради абразивния прах, а капацитетът на батериите намалява от постоянните цикли на дълбоко замразяване. Рано или късно марсоходът Curiosity ще изчерпи енергията си и ще спре да предава данни на Земята.

Физическите свойства на бронзовата монета обаче ще му осигурят много по-дълъг живот. Атмосферата на Марс на практика е лишена от свободен кислород и водни пари, което прави невъзможен процеса на класическо окисление (ръждясване) на медта. Основният фактор за разрушаване на планетата е ветровата ерозия – постепенното смилане на материалите от носените от вятъра песъчинки.

При сегашните темпове на ерозия профилът на Линкълн върху монетата ще остане разпознаваем в продължение на стотици хиляди години. Когато всички електронни схеми на марсохода се превърнат в неработещ силиций, медната монета от 1909 г. ще запази формата си.