Den 26 november, NASA:s InSight-landare kommer att slutföra sin sex och en halv månads resa till Mars, landning vid Elysium Planitia, en bred slätt nära Mars ekvator som är hem för den näst största vulkaniska regionen på planeten.

Där, NASA-forskare hoppas kunna "ge den röda planeten sin första grundliga kontroll sedan den bildades för 4,5 miljarder år sedan, " enligt InSight-uppdragets webbplats. Tidigare uppdrag har undersökt funktioner på ytan, men många signaturer av planetens bildning – som kan ge ledtrådar om hur alla jordlevande planeter bildades – kan bara hittas genom att känna och studera dess "vitala tecken" långt under ytan.

För att kontrollera dessa vitala tecken, InSight kommer att vara utrustad med två huvudinstrumentpaket:en seismometer för att studera hur seismiska vågor (t.ex. från marsbävningar och meteoritnedslag) reser genom planeten och en "mullvad" som kommer att gräva ner i marken, dra en tjuder med temperatursensorer bakom för att mäta hur temperaturen förändras med djupet på planeten. Dessa instrument kommer att berätta för forskare om Mars inre struktur (liknande hur ett ultraljud låter läkare "se" inuti en människokropp) och även om värmeflödet från planetens inre.

Ingenjörer hoppas att mullvaden kommer att nå ett djup på mellan tre och fem meter – tillräckligt långt ner för att den ska isoleras från temperaturfluktuationerna dag och natt och Mars årscykel på ytan ovanför. Mätare kanske inte låter så mycket, men att gräva så långt med enbart utrustning som kan skjutas upp på en rymdfarkost och kontrolleras från 55 miljoner miles bort är en teknisk utmaning som aldrig har försökts tidigare.

Med hjälp av en glidvikt inuti sin smala kropp, Mullvaden, som är 15,75 tum (400 millimeter) lång och väger bara 1,9 pund (860 gram), hamrar sig i marken, 1 mm åt gången, medan du drar en tjuder som är översållad med 14 temperatursensorer längs dess längd. En traditionell borr som försöker utföra samma uppgift skulle behöva vara lika lång som hålet den försökte borra – och skulle behöva en massiv bärande struktur. Om det skulle hamra kontinuerligt, mullvad skulle ta mellan några timmar till några dagar att nå sitt slutliga djup, beroende på markens egenskaper. Dock, mullvaden stannar var 50:e centimeter för att mäta jordens värmeledningsförmåga, en process som kräver perioder av kylning och uppvärmning på flera dagar. Med den extra tid som behövs för att bedöma framstegen och skicka nya kommandon, mullvad kan ta sex veckor eller mer att nå sitt slutliga djup.

När du konstruerar sonden, ingenjörer på JPL, som Caltech hanterar för NASA, ville vara säker på att mullvaden skulle kunna nå det nödvändiga djupet, och så kallade de på Caltechs José Andrade, George W. Housner professor i civil- och maskinteknik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap och expert på fysik av granulära material.

"För ungefär fem år sedan när mullvaden fortsatte att fastna under testningen, InSight-teamet samlade det som kallas ett "tigerteam" - ett gäng specialister från olika områden som tas in för att hjälpa till att lösa ett problem, ", säger Andrade. "Jag blev kallad att tjäna på detta tigerteam som expert på jordmekanik."

Eftersom jord är ett granulärt material - ett konglomerat av fasta partiklar som var och en är större än en mikrometer - uppvisar den något ovanliga egenskaper. Till exempel, jord som består av runda partiklar flyter lätt när partiklarna glider förbi varandra, som sand i ett timglas. Men jord som består av samma storlekar av partiklar men med mer taggiga och kantiga former kommer att låsa sig som pusselbitar och kan inte flyta utan betydande yttre kraft.

Granulära material kan beskrivas som singulära föremål som kommer att deformeras baserat på deras kritiska tillstånds plasticitet - en idealiserad modell för hur grupper av korn kommer att tvinga sig förbi varandra när stress appliceras på dem. Den plasticiteten styrs av lufttrycket och tyngdkraften. Som sådan, det är svårt att i ett laboratorium simulera det kritiska tillståndets plasticitet hos ett granulärt material på Mars, som har en tredjedel av gravitationen och 0,6 procent av jordens lufttryck vid havsnivån.

"Vi fortsatte att försöka extrapolera hur kritiskt tillståndsplasticitet skulle översättas till Mars, " säger Andrade. "Utan att veta det, vi kunde inte effektivt modellera hur mycket motstånd InSights mullvad skulle möta när de försökte borra genom Mars jord, och om den kunde nå önskat djup. Så, detta väckte ett tydligt behov av mer förståelse."

För att hjälpa till att undersöka mullvadens penetration i ett granulärt material, Andrade och InSight-teamet anställde postdoktorn Ivan Vlahinic, som nyligen hade avslutat en doktorsexamen vid Northwestern University. Vlahinic satte upp tester där tidiga modeller av mullvad övervakades och analyserades matematiskt när de arbetade sig igenom en glaskolonn fylld med sand.

Andrade, Vlahinic, och deras kollegor fann att Mars lägre överbelastningstryck, jämfört med jorden, kommer faktiskt att göra det svårare för mullvaden att penetrera Mars mark. Överbelastningstryck är trycket på ett lager av sten eller sand som utövas av materialet staplat ovanför det. På vilket djup som helst, överbelastningstrycket på Mars är en tredjedel av jordens, motsvarande den röda planetens lägre gravitation. För samma packningsfraktion – mängden utrymme som fylls av material – tillåter det låga trycket att granulära material existerar i ett lösare tillstånd som faktiskt ökar antalet individuella kontakter som varje korn har med sina grannar, och detta ökar materialets totala motstånd mot penetration.

Vlahinics forskning togs så småningom över av Jason Marshall, som tog en doktorsexamen från Carnegie Mellon University 2014 och arbetade som postdoktor vid Caltech från 2015 till 2018.

"Vi studerade inte bara penetration, men också hur värmen rör sig genom jorden, " säger Marshall. "En av de saker som InSight försöker förstå är hur temperaturen på planeten förändras med djupet. Det vi hittade är att när vi deformerar sanden, partiklarna håller uppenbarligen på att omarrangeras, och det kommer att påverka mätningarna av värmeledningsförmågan." När granulära material deformeras, mängden utrymme mellan de enskilda kornen förändras, justering av mängden utrymme genom vilken värme antingen strålar ut eller leder via planetens tunna atmosfär. Det ökar också antalet korn-till-korn-kontakter eftersom jorden packas tätare.

Med denna kunskap, Andrade kunde utveckla nya datormodeller som hjälpte JPL-teamet att förutsäga mullvadens effektivitet i marsjord. Om inte mullvaden stöter på ett hinder, han är övertygad om att det kommer att bli framgångsrikt.

"Testerna visar att den här saken kan gå mycket djupare än två meter. En dealbreaker kan vara en stor formation av sten som blockerar mullvadens väg, men InSight-teamet för val av landningsplats har valt en plats på Mars som är så stenfri som möjligt, " säger han. Dessutom beväpnad med Marshalls information om effekten av partikelomläggning på värmeledningsförmåga, InSight ska vara i ett bra läge för att inte bara nå önskat djup, men också skicka tillbaka korrekt information om temperaturen på det djupet, säger Andrade.

Tills vidare, Andrade och hans tidigare postdoktorer kan bara titta – och vänta. "Vi har gjort allt vi kunnat här på jorden. Nu är det upp till InSight, " han säger.