MEDUSA è uno strumento multisensore e multistadio
per la caratterizzazione dell'ambiente di polvere e vapore acqueo in prossimità della superficie di Marte, l'obiettivo delle misure in situ interessa le seguenti quantità fisiche:
Distribuzione dimensionale delle particelle di polvere atmosferica;
Densità numerica delle particelle in funzione della dimensione;
Tasso di deposizione della polvere;
Proprietà elettriche della polvere;
Abbondanza del vapore acqueo nell'atmosfera;
Evoluzione temporale delle quantità precedenti, in funzione delle variazioni a lungo termine (stagioni) e a breve termine /eventi locali (ad esempio vento, tempeste di polvere).
Lo strumento è un collettore di polvere con stadi separati per il monitoraggio del vapor acqueo e per la misura della deposizione e dell'elettrificazione della polvere. L'esperimento è costituito da uno Stadio Ottico (OS), posizionato subito al di sotto dell'ugello di ingresso dello strumento e da uno stadio collettore di polvere basato su una microbilancia (MBd). Una pompa, disposta all'estremità della catena di acquisizione, garantisce il flusso di polvere e gas attraverso il sistema. Questa configurazione permette un'ottima copertura in sensibilità, permettendo la misura delle dimensioni di grani di polvere che spazia su più di 3 ordini di grandezza.
Una microbilancia separata, equipaggiata con un dispositivo Peltier per il raffreddamento e la stabilizzazione termica, è esposta all'atmosfera per condensare il vapore acqueo atmosferico (MBwv). Un altro stadio separato include 6 laser e superfici caricabili elettricamente per la misura della deposizione nel tempo e dell'elettrificazione delle particelle di polvere (DDES = Dust Deposition and Electrification Stage).
Il sistema ottico
I grani di polvere in arrivo dall'atmosfera sono illuminati da un fascio laser: parte della radiazione è assorbita, parte ritrasmessa e parte diffusa. La diffusione e l'assorbimento della luce da parte delle particelle danno informazioni sulla concentrazione, la distribuzione dimensionale e la composizione dell'Aerosol.
Caratteristiche OS:
Primo strumento di misurazione lungo il percorso delle particelle (non influenza le proprietà della polvere)
Sensibilità fino a 0.2 micron
Misurazione della velocità
Indicazione sulle proprietà ottiche (mineralogia)
Lo stadio collettore di polvere
E' costituito da una microbilancia al quarzo (MB) che si basano su trasduttori piezoelettrici, la cui frequenza è proporzionale alla massa depositata sul sensore. Tale sensore permette quindi la misura della massa della polvere che si accumula su di esso nel tempo.
Stadio di rivelazione vapor d’acqua
Anche questo stadio è costitutito da una microbilancia. Questa è equipaggiata con un dispositivo Peltier che ne permette il raffreddamento e il riscaldamento in maniera controllata. Tale dispositivo misura la massa di vapor acqueo depositato sul sensore. La misura viene eseguita raffreddando il cristallo sotto il punto di gelo e monitorando la curva di deposizione. Il segnale di condensazione associato ad una certa temperatura del cristallo, permette di ottenere il valore della pressione parziale di vapore atmosferico e l'umidità relativa al momento della misura.
Il vapor d'acqua è rilevabile fino ad una concentrazione di 10 parti per miliardo ad una pressione atmosferica di 6.1 mbar.
La velocità di deposizione (evaporazione) dipende dalla temperatura operativa al di sotto (al di sopra) del punto di congelamento.
Le microbilance possono anche misurare la deposizione (evaporazione) naturale del vapore atmosferico senza utilizzare un controllo in temperatura.
A sinistra: microbilancia per la misura cumulativa della massa della polvere sospesa in atmosfera marziana. A destra: grafico del segnale prodotto dalla microbilancia in seguito alla deposizione di grani di forsterite. Una variazione di frequenza di ~ 600 Hz corrisponde ad una massa depositata di ~ 2 x 10-7 g.
Schizzo (sinistra) e prototipo (destra) del sensore di deposizione ed elettrificazione della polvere (DDES).
Lo stadio per la misura della deposizione e dell'elettrificazione della polvere
Sviluppato al Mars Simulation Laboratry presso l'Università di Aarhus in Danimarca, è costituito da un accumulatore di polvere, in grado di misurare anche l'elettrificazione dei grani depositati, e da un anemometro laser.
Il tasso di deposizione della polvere viene misurato a partire dalla radiazione diffusa dalla polvere accumulata su una superficie trasparente. Applicando, successivamente, un campo elettrico a tale superficie, si misura l'elettrificazione delle particelle a partire dall'osservazione dell'aumento o riduzione delle particelle depositate.
La misura della velocità e della direzione del vento viene poi misurata a partire dalla misura della velocità dei grani di polvere sospesi in atmosfera e intercettati attraverso la radiazione laser da essi diffusa.