مریخ نورد بعدی ناسا، ۲۳ دوربین پیشرفته خواهد داشت

وقتی که در سال ۱۹۹۷ مریخ نشین Mars Pathfinder (رهیاب مریخ) روی سطح سیاره‌ی سرخ فرود آمد، ۵ دوربین داشت که ۲ عدد از آن‌ها روی دکل مریخ نشین قرار داشتند و ۳ دوربین دیگر روی مریخ‌‌نورد Sojourner نصب شده بودند. از آن زمان به بعد، فناوری دوربین و تصویربرداری، یک جهش خارق‌العاده به خود دید. پس از آن‌که برنامه‌های فضایی رویه‌ای جدی و تجاری به خود گرفتند و دولت‌ها سرمایه‌گذاری‌های کلانی روی این موضوع کردند، حسگرهای تصویربرداری نیز بهبود یافتند تا بتوانند نیازهای این مأموریت‌های فضایی را تأمین کنند. با گذر زمان، اندازه‌ی دوربین‌ها به شدت کاهش یافت و کیفیت تصویربرداری آن‌ها افزایش پیدا کرد و اکنون در هر تلفن همراه و لپ‌تاپی که ما استفاده می‌کنیم، دوربین وجود دارد.

چنین جهش خارق‌العاده‌ای، قرار است در برنامه‌های فضایی نیز خود را نشان دهد. ناسا به‌تازگی اعلام کرده است که مریخ‌ نورد بعدی این سازمان فضایی که با نام Mars 2020 شناخته می‌شود، بیش از هر کاوشگر دیگری، چشم خواهد داشت. ناسا می‌گوید در مجموع، ۲۳ دوربین پیشرفته روی این مریخ نورد نصب می‌شود که می‌توانند تصاویر پانورامای بسیار جالبی خلق کنند، موانع را به‌صورت واضح نشان دهند، اتمسفر را مورد مطالعه قرار دهند و به ابزار و تجهیزات علمی دیگر نیز کمک کنند. به محض این‌که مریخ‌ نورد Mars 2020 روی سطح مریخ فرود آید، تصاویر بی‌نظیری از سیاره‌ی سرخ به زمین ارسال می‌کند و همچنین نخستین مریخ نوردی خواهد بود که به هنگام فرود، از چتر نجات خود تصویربرداری می‌کند. یکی از این ۲۳ دوربین، در داخل مریخ نورد قرار گرفته است تا نمونه‌هایی را که از سطح مریخ جمع‌آوری می‌شوند، بررسی کند. اما چه دوربین‌هایی قرار است روی Mars 2020 نصب شوند؟

دوربین‌های پیشرفته مهندسی: این دوربین‌ها، تماماً رنگی هستند و در مقایسه با دوربین‌های مهندسی نصب‌شده روی کاوشگر کنجکاوی (Curiosity)، رزولوشن بالاتر و میدان دید گسترده‌تری دارند.

تجهیزات Mastcam-Z: این دوربین‌های خاص و تماماً رنگی، تصاویر و ویدیوهایی از نواحی مختلف سطح مریخ ثبت می‌کنند و سپس تصاویر را در کنار یکدیگر قرار می‌دهند تا یک پانوراما ایجاد کنند و نمای اطراف کاوشگر را به‌خوبی نشان دهند. این تجهیزات، در مقایسه با تجهیزات Mastcam ‌نصب‌شده روی کاوشگر کنجکاوی، پیشرفته‌تر هستند و نسبت زوم ۳:۱ دارند.

دوربین RMI یا ریز تصویربردار کنترل از راه دور: این دوربین تماماً رنگی است و رزولوشن بسیار بالایی دارد و برای ثبت تصویر از اجرام کوچک  به کار می‌رود و می‌تواند آن‌ها را با جزئیات بالا نشان دهد. این دوربین، در مقایسه با دوربین ChemCam که روی کاوشگر کنجکاوی نصب شده است، یک جهش خارق‌العاده محسوب می‌شود.

دوربین CacheCam: همان دوربینی است که در داخل مریخ نورد قرار گرفته است. این دوربین، وظیفه‌ی بررسی و مشاهده‌ی سنگ‌هایی را دارد که توسط بازوهای کاوشگر، جمع‌آوری می‌شوند.

دوربین‌های ورود، سقوط و فرود: ۶ دوربین بسیار دقیق، از تمام فرآیند ورود مریخ نشین به اتمسفر مریخ تا حرکت آن به طرف سیاره و سپس فرود آن روی سطح، تصویربرداری می‌کنند و نخستین ویدیو از لحظه‌ی باز شدن چتر نجات در سیاره‌ای دیگر را ضبط می‌کنند.

سیستم چشم بینای کاوشگر (LVSC): این سیستم با استفاده از بینایی مجازی ایجادشده توسط رایانه و یک فناوری جدید با عنوان «ناوبری نسبی سطحی»، مریخ نشین را برای انتخاب بهترین محل فرود و حرکت راهنمایی می‌کند.

تجهیزات SkyCam: این دوربین‌ها در کنار مجموعه‌ای از ابزارها و تجهیزات هواشناسی، به آسمان مریخ چشم می‌دوزند تا ابرها و اتمسفر سیاره‌ی سرخ را بررسی کنند.

در مدتی که مریخ نورد Mars 2020 در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا در پاسادنا، کالیفرنیا ساخته می‌شود؛ این دوربین‌ها نیز روی مریخ نورد نصب می‌شوند. دانشمندان آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا از زمان ساخت مریخ نشین Pathfinder تا به امروز، پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌اند. پس از آن مأموریت موفقیت‌آمیز، این دانشمندان مریخ نوردهای آپورچونیتی (Opportunity) و اسپیریت (Spirit) و همچنین فرودگرهای آن‌ها را به گونه‌ای طراحی کردند که بتوانند روی آن‌ها ۱۰ دوربین نصب کنند. مریخ نورد کنجکاوی که توسط آزمایشگاه علوم مریخ ناسا طراحی شد، ۱۷ دوربین دارد.

جاستین مَکی، دانشمند علوم تصویربرداری ناسا و همچنین جانشین پژوهشگر اصلی تجهیزات Mastcam-Z که روی مریخ‌نورد Mars 2020 کار می‌کند، در مورد بهبودهای صورت‌گرفته می‌گوید:

فناوری دوربین همچنان رو به بهبود است و این روند ادامه خواهد داشت. هر مأموریتی که انجام می‌شود، این بهبودها را به کار می‌گیرد و ما نتیجه را در عملکرد بهتر و کاهش هزینه‌ها مشاهده می‌کنیم.

این مزیت‌ها، در چرخه‌ی کامل توسعه خود را نشان می‌دهند؛ از ناسا گرفته تا بخش خصوصی و دیگر شرکت‌هایی که در پس این مأموریت‌ها هستند، همگی از بهبودها استقبال می‌کنند. در دهه‌ی ۸۰ میلادی، آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا سنسوری موسوم به «پیکسل-فعال» را توسعه داد که نیروی کمتری در مقایسه با فناوری دوربین دیجیتال مصرف می‌کرد. بعدها شرکت Photobit Corporation که توسط اریک فاسوم، پژوهشگر سابق آزمایشگاه پیش‌رانش جت پایه‌گذاری شده بود، به حالت تجاری درآمد.

دید ۲۰/۲۰

جیم بِل از دانشگاه ایالتی آریزونا و همچنین پژوهشگر اصلی تجهیزات Mastcam-Z می‌گوید:

دوربین‌هایی که روی مریخ نورد Mars 2020 نصب شده‌اند، طیف رنگ گسترده‌تری را پشتیبانی می‌کنند و فناوری تصویربرداری سه‌بعدی دقیق‌تری نسبت به دوربین‌های مریخ نورد کنجکاوری دارند. ما روی این مریخ نورد، تجهیزات Mastcam-Z را قرار داده‌ایم که حرف Z، نشان‌دهنده‌ی کلمه‌ی Zoom (بزرگنمایی) است. این تجهیزات، چشم اصلی مریخ نورد خواهند بود و در مقایسه با تجهیزات Mastcam مریخ نورد کنجکاوری، پیشرفته‌تر هستند و رزولوشن بالاتری دارند.

دوربین‌های استریوسکوپ Mastcam-Z، از تصاویر سه‌بعدی بیشتری پشتیبانی می‌کنند؛ بنابراین برای کشف نمونه‌هایی که در فواصل دور قرار دارند یا برای بررسی ویژگی‌های زمین‌شناختی، بسیار مناسب خواهند بود. این دوربین‌ها می‌توانند ویژگی‌هایی نظیر فرسایش و بافت خاک سطحی برابر یک زمین فوتبال را شناسایی کنند. طبقه‌بندی و ثبت جزئیاتی نظیر این‌ها، بسیار مهم است؛ زیرا می‌توانند سرنخ‌های زمین‌شناختی فراهم کنند و یادداشت‌هایی میدانی برای دانشمندان آینده بر جای بگذارند تا بتوانند بررسی‌های بیشتری انجام دهند.

جیم بِل در این خصوص می‌گوید:

شما می‌توانید دائماً از تصاویر سه‌بعدی با رزولوشن بالا برای اهداف مختلف بهره ببرید. این تجهیزات برای اهداف علمی نزدیک و دور کاملاً مناسب هستند.

بالاخره دوربین‌های اصلی، رنگی هستند

مریخ‌‌ نوردهای آپورچونیتی، اسپیریت و کنجکاوی به دوربین‌های مهندسی ناوبری و اجتناب از خطر (دوربین‌های شناسایی موانع یا HazCams) مجهز شده بودند؛ اما این دوربین‌ها، تصاویری ۱ مگاپیکسلی و سیاه و سفید ثبت می‌کردند. مریخ نورد Mars 2020 به دوربین‌هایی ۲۰ مگاپیکسلی تمام رنگی با رزولوشن بالا مجهز است و تمام دوربین‌های مهندسی شامل این به‌روزرسانی شده‌اند. لنزهای این دوربین‌ها، میدان دید گسترده‌تری دارند و این برای مریخ نورد Mars 2020 اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا قرار است این کاوشگر، زمان زیادی را صرف انجام علم و جمع‌آوری نمونه‌ها کند.

کالین مک‌کینی، مدیر تحویل دوربین‌های مهندسی جدید و شاغل در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا، می‌گوید:

دوربین‌های ناوبری ما در گذشته چندین تصویر مختلف را ثبت می‌کردند و سپس آن‌ها را در کنار یکدیگر قرار می‌دادند تا یک تصویر واحد بسازند؛ اما اکنون با نصب لنزهایی که میدان دید گسترده‌ای دارند، ما همان تصویر عریض را با یک بار تصویربرداری ثبت می‌کنیم.

این یعنی زمان کمتری برای آماده‌سازی زمینه، تصویربرداری و تبدیل چند تصویر به یک تصویر واحد، صرف خواهد شد. این دوربین‌های جدید، می‌توانند از میزان Motion blur بکاهند و این یعنی کاوشگر می‌تواند حتی در حین حرکت نیز تصویربرداری کند.

مرتبط سازی داده‌ها با مریخ

با تمام این به‌روزرسانی‌ها، یک مشکل اساسی وجود دارد و آن هم ارسال حجم زیادی از داده‌ها به فضا خواهد بود.

جاستین مَکی می‌گوید:

عامل محدودکننده در بسیاری از سیستم‌های تصویربرداری، مرتبط‌سازی زنجیره‌ی اطلاعات است. دوربین‌ها می‌توانند حجم زیادی داده‌ تولید کنند که از حداکثر قابل ارسال به زمین، بیشتر خواهد بود

برای رفع این مشکل، دوربین‌های کاوشگر با گذشت زمان باهوش‌تر می‌شوند و در امر فشرده‌سازی داده‌ها تخصص پیدا می‌کنند. در مریخ نوردهای آپورچونیتی و اسپیریت، فرآیند فشرده‌سازی توسط یک رایانه مجتمع انجام می‌شد، در مریخ نورد کنجکاوی این فرآیند توسط تجهیزات الکترونیکی خود دوربین‌ها انجام می‌شود و این باعث می‌شود که تصاویر با رزولوشن بالاتر ثبت شوند و ویدیوها نیز سرعت بالایی داشته باشند.

با گذشت زمان، ناسا در امر استفاده از فضاپیماهای مدارگرد به‌عنوان ایستگاه‌های تقویت داده، پیشرفت کرده است. مفهوم این طرح، در زمان پرتاب مریخ نوردهای آپورچونیتی و اسپیریت مطرح شد و ایده‌ی استفاده از مدارگرد به‌عنوان ایستگاه تقویت، با انجام یک آزمایش روی مدارگرد ادیسه آغاز شد.

جیم بِل می‌گوید:

ما ابتدا در نظر داشتیم که ده‌ها مگابایت داده‌ را در طول یک روز مریخی، به کمک این روش ارسال کنیم. وقتی که برای نخستین‌بار مدارگرد ادیسه از بالای نقطه مورد نظر عبور کرد، ما حدود ۱۰۰ مگابایت داده را در طول یک روز مریخی تبادل کردیم که یک موفقیت بزرگ بود. پس از آن پی بردیم که این می‌تواند آغازگر عصری جدید باشد.

ناسا در نظر دارد که از مدارگردهایی نظیر مدارگرد شناسایی مریخ، MAVEN و مدارگرد Trace Gas Orbiter آژانس فضایی اروپا که هم‌اکنون در مدار مریخ گردش می‌کنند، به‌عنوان ایستگاه تقویت داده مریخ نورد Mars 2020 استفاده کند. این مدارگردها، دوربین‌های مریخ نورد را در طول ۲ سال نخست مأموریت پشتیبانی خواهند کرد.

مریخ‌ نورد Mars 2020 طبق برنامه‌های از پیش تعیین‌شده، در ماه جولای سال ۲۰۲۰ به فضا پرتاب خواهد شد.