Ett ambitiöst instrument för ESA:s ExoMars 2020-uppdrag har klarat sina tester under förhållanden som liknar dem på den röda planeten. Det kommer nu att transporteras till Ryssland för dess acceptansgranskning, följt av integration på Kazachok Surface Platform, planerad att lanseras denna gång nästa år.

Cirka 8 x 8 x 20 cm plus en trio antenner, ESA:s Lander Radioscience-experiment, eller LaRa för kort, är lite större än en 1-liters mjölkkartong. Men den fungerar som en högpresterande transponder, uppdraget att upprätthålla en extremt stabil direkt radiofrekvenslänk mellan jorden och Mars under ett helt marsår – två jordår – när ExoMars väl landat.

Föreslagit av Royal Observatory of Belgium, LaRa har utvecklats genom ESA:s PRODEX-program – fokuserat på att utveckla vetenskapliga experiment för rymden – och finansieras av Belgian Space Policy Office.

Den senaste testningen av LaRa ägde rum i ESA:s Mechanical Systems Laboratory (MSL) vid byråns tekniska hjärta ESTEC i Noordwijk, Nederländerna. Detta är en småskalig version av det intilliggande ESTEC Test Centre, kan utföra ett brett utbud av rymdsimulerande tester, men serverar rymdfarkostinstrument, delsystem eller minisatelliter snarare än fullstora uppdrag.

Efter vibrationstestning på en av MSL-skakarna för att simulera de svåra förhållanden vid uppskjutning, återinträde i atmosfären, nedstigning och Mars-landning, LaRa placerades sedan i en termisk vakuumkammare i nästan två veckor för att utföra funktionstestning i varma och kalla förhållanden.

Den placerades först i högvakuum för att släppa ut ångor som annars skulle kunna skapa problem i rymden och för att testa dess beteende under förhållanden som liknar resan till Mars. LaRa utsattes sedan för simulerade marsförhållanden, med 6 millibar koldioxid tillsatt till kammaren, samtidigt som temperaturen cyklades upp och ner.

LaRas elektroniska box kommer att hållas varm av ExoMars-landarens värmare. LaRas antenner är dock installerade utanför denna termiskt kontrollerade miljö och kommer att behöva utstå extrema temperaturcykler:nätter så kalla som -90°C, med dagtid upp till relativt behagliga 10°C. Den resulterande nya antenndesignen utvecklades i samarbete mellan ESA och Université Catholique de Louvain.

Vid slutet av testet öppnades den termiska vakuumkammaren. Ingenjörer närmade sig instrumentet med munmasker, klänningar och sterila handskar – som liknar ett kirurgiskt team på sjukhuset – fortsatte sedan med att ta bort sensorerna och kablarna som monterades för testningen innan instrumentet och dess antenner placerades i sterila påsar.

Som all hårdvara designad för interplanetära uppdrag, LaRa är föremål för strikta planetskyddsprotokoll för att förhindra mikrobiell kontaminering.

"Instrumentets ytor svabbas regelbundet för att kontrollera att dess "biobelastning"-nivåer förblir acceptabla, " förklarar Lieven Thomassen från LaRas huvudentreprenör Antwerp Space. "Dess interiör, består av fyra nivåer av kretskort, har redan genomgått en fullständig rengöring. Det är nästan helt avstängt från omvärlden, med endast ett ventilationshål på 2 mm i diameter för att undvika övertryck när LaRa når utrymmet."

LaRa är ett av två ESA-instrument på den ryskbyggda ExoMars Surface Platform. Känd som Kazachok – för "Little Cossack" – plattformens första roll är att få sig själv och ESA-tillverkade Rosalind Franklin ExoMars rover säkert ner till Oxia Planum låglandet på Mars. Sedan, när rovern kör av sina ramper, Kazachok kommer att ägna sig åt att köra totalt 13 experimentpaket ombord. Ytplattformen har utvecklats av NPO

LaRa kommer att ta emot en X-bandsradiosignal från jorden som den sedan skickar tillbaka igen. Genom att noggrant mäta små dopplerförskjutningar i denna tvåvägssignal över tiden, forskare kommer att kunna identifiera små periodiska förändringar i positionen för ytplattformen över tiden, öppnar upp en ovärderlig utsikt in i Mars inre.

"LaRa kommer att avslöja detaljer om planetens inre struktur, och tillåter exakta mätningar av dess rotation och orientering, " kommenterar Véronique Dehant från Royal Observatory Belgium, instrumentets huvudutredare.

"Den kommer också att upptäcka variationer i rörelsemängd på grund av omfördelning av massor, som säsongsbetonad massöverföring i koldioxid när en del av atmosfären fryser till is. Sist men inte minst kommer LaRa också att möjliggöra noggrann bestämning av den exakta landningspositionen."

Som en jordbunden analog, föreställ dig ett snurrande ägg – du kan bara se på dess vinglade rörelse om dess insida är flytande eller hårdkokt.

Men utmaningen är att upprätthålla den ultrastabila direkta radiolänken under LaRas planerade driftschema på två 1-timmes sessioner per vecka, speciellt när Mars kretsar till sina maximala 401 miljoner km bort från jorden.

"På den jordiska sidan, vi kommer att använda gigantiska 70 m-klassantenner från NASA:s Deep Space Network eller den ryska motsvarigheten vid Kalyazin eller Bear Lakes, att sända X-bandsradiosignalen mot Mars och att plocka upp dess fördröjda replika vidarebefordrad av LaRa och "Doppler-signerad" av Mars – allt detta med så låg som 5 W radioeffekt genererad av LaRa, " förklarar ESA:s mikrovågsingenjör Václav Valenta, ledning av LaRa-projektet.

"Men LaRa på Mars kommer att behöva tillräcklig känslighet för att upptäcka radiosignaler så låga som få attowatt - biljondelar av en watt. När Mars och jorden kommer närmare - på sina närmaste bara 54,6 miljoner km - då kommer Europas Etrack markstationer att kunna stänga länk med LaRa också.

"Sådana scenarier testades framgångsrikt under två testkampanjer för radiofrekvenskompatibilitet i ESA:s ESOC-uppdragskontrollcenter i Darmstadt, Tyskland."

Den knappa marsatmosfären är en komplicerande faktor. På plussidan möjliggör dess närvaro konvektion för att transportera bort spillvärme. Men även om den är mer än hundra gånger tunnare än jordens luft, radiofrekvensdrift inom den lämnar fortfarande en risk för koronaeffekter—jonisering av lokala gaser som kan leda till störningar och potentiellt skadliga blixtliknande urladdningar.

"För att eliminera all coronarisk, LaRa har tidigare utsatts för rigorös analys och testning vid ESA:s högeffektsradiofrekvenslaboratorium i Valencia, Spanien, ", tillägger Václav.

"Den har också genomgått tester inuti ESTECs Maxwell-kammare för elektromagnetisk kompatibilitet, för att kontrollera att alla dess delar fungerar korrekt tillsammans. Dessutom, en dedikerad chockmodell av LaRa utvecklades och testades vid ESTEC Test Center för att verifiera LaRas robusthet mot mekaniska stötar inducerade av bärarmodulseparationen och värmesköldsutsläpp."

När testningen av LaRa i MSL var klar flyttades instrumentet till ESA:s Metrology Laboratory, för precisionsmätningar av dess ytplanhet. Den måste vara exakt ner till en skala av några dussin mikrometer – tusendelar av en millimeter – för optimal passform och termisk kontakt med landergränssnittet, hjälper till att upprätthålla en bra driftstemperatur på Mars.

Från ESTEC kommer LaRa att transporteras till rymdforskningsinstitutet vid den ryska vetenskapsakademin, IKI, för slutlig acceptanstestning. Den kommer sedan att flyttas till Cannes i Frankrike där den kommer att integreras på Surface Platform med resten av landaren och testas på fullmonteringsnivå.

"Möjligheten att flyga öppnade sig i slutet av 2015 och den faktiska utvecklingen mot flygmodellen började bara ett år senare, så LaRa-teamet har fått arbeta mycket hårt för att komma till denna punkt, ", tillägger Václav. ExoMars 2020 kommer att lanseras av den ryska protonkastaren från Baikonur i Kazakstan i juli 2020.