När Apollo-astronauterna landade på månen, de hade med sig enheter som kallas retroreflektorer, som i huvudsak är små uppsättningar av speglar. Planen var att forskare på jorden skulle rikta lasrar mot dem och beräkna tiden det tog för strålarna att återvända. Detta gav exceptionellt exakta mätningar av månens bana och form, inklusive hur det förändrades något baserat på jordens gravitationskraft.

Forskning med dessa Apollo-erans månretroreflektorer fortsätter till denna dag, och forskare vill utföra liknande experiment på Mars. NASA:s Perseverance-rover – planerad att landa på den röda planeten den 18 februari, 2021 – bär Laser Retroreflektor Array (LaRA) i handflatan. Det finns också en liten ombord på byråns InSight-lander, kallas Laser Retroreflektor for InSight (LaRRI). Och en retroreflektor kommer att finnas ombord på ESA (European Space Agency) ExoMars-rover som lanseras 2022.

Även om det för närvarande inte finns någon laser på gång för denna typ av Mars-forskning, enheterna är inriktade på framtiden:reflektorer som dessa skulle en dag kunna göra det möjligt för forskare som utför vad som kallas laseravståndsforskning för att mäta positionen för en rover på Mars yta, testa Einsteins allmänna relativitetsteori, och hjälpa till att göra framtida landningar på den röda planeten mer exakta.

"Laserreflexer är glänsande, punktliknande positionsmarkörer, sa Simone Dell'Agnello, som ledde utvecklingen av alla tre retroreflektorer vid Italiens nationella institut för kärnfysik, som byggde enheterna på uppdrag av den italienska rymdorganisationen. "Eftersom de är enkla och underhållsfria, de kan arbeta i årtionden."

En låda med speglar

Enheterna fungerar mycket som en cykelreflektor, studsar tillbaka ljuset i riktning mot dess källa. Perseverances LaRA, till exempel, är en 2-tums bred (5-centimeter bred) kupol spräcklig med halv-tums hål som innehåller glasceller. I varje cell, tre spegelvända ytor är placerade i 90 graders vinklar från varandra så att ljuset som kommer in i hålen riktas tillbaka ut i exakt samma riktning som det kom ifrån.

LaRA är mycket mindre än retroreflektorerna på månen. De tidigaste, levereras av Apollo 11 och 14 uppdrag, är ungefär lika stora som en vanlig datorskärm och inbäddade med 100 reflektorer; de som levereras av Apollo 15 är ännu större och inbäddade med 300 reflektorer. Det beror på att lasrarna måste resa så mycket som 478, 000 miles (770, 000 kilometer) till månen och tillbaka. Vid återresan, strålarna är så svaga, de kan inte upptäckas av det mänskliga ögat.

Strålarna som Perseverances LaRA och InSights LaRRI byggdes för att reflektera skulle faktiskt ha en mycket kortare resa, trots att Mars är cirka 249 miljoner miles (401 miljoner kilometer) bort på dess längsta punkt från jorden. Istället för att resa fram och tillbaka från jorden, som skulle kräva enorma reflexer, laserstrålarna skulle bara behöva resa fram och tillbaka från en framtida Mars-omloppsbana utrustad med en lämplig laser.

Upplysande vetenskap

En sådan orbiter skulle kunna bestämma den exakta positionen för en retroreflektor på Mars yta. Och eftersom Perseverance kommer att vara mobil, det kan ge flera referenspunkter. Under tiden, Orbiterns position skulle också spåras från jorden. Detta skulle tillåta forskare att testa Einsteins allmänna relativitetsteori, som de har med reflexer på månen. Varje planets omloppsbana påverkas i hög grad av böjningen i rum-tiden som skapas av solens stora massa.

"Den här typen av vetenskap är viktig för att förstå hur gravitationen formar vårt solsystem, hela universum, och slutligen rollerna för mörk materia och mörk energi, " noterade Dell'Agnello.

När det gäller InSight-landaren, som landade den 26 november, 2018, laseromfattande vetenskap kan också hjälpa rymdfarkostens kärnuppdrag att studera Mars djupa inre. InSight är beroende av ett radioinstrument för att upptäcka subtila skillnader i planetens rotation. När man lär sig av instrumentet hur planeten vinglar över tiden, forskare kan äntligen avgöra om Mars kärna är flytande eller fast.

Och om forskarteamet kunde använda landarens retroreflektor, de skulle kunna få ännu mer exakta positioneringsdata än vad InSights radio ger. LaRRI kunde också upptäcka hur terrängen InSight sitter på skift över tid och i vilken riktning, avslöjar hur Marsskorpan expanderar eller drar ihop sig.

Bättre landningar på Mars

Mars-landningar är svåra. För att få Perseverance säkert till ytan, uppdraget kommer att förlita sig på terrängrelativ navigering, en ny teknik som jämför bilder tagna under nedstigning med en karta ombord. Om rymdfarkosten ser sig själv komma för nära fara (som en klippa eller sanddyner), den kan svänga undan.

Men i en sådan verksamhetskritisk händelse, du kan aldrig ha för många säkerhetskopior. Framtida uppdrag som går mot ytan av den röda planeten skulle kunna använda serien av referenspunkter från laserretroreflektorer som en kontroll av prestandan hos deras terrängrelativa navigationssystem – och kanske till och med öka deras noggrannhet ner till några centimeter. När skillnaden mellan att lyckas landa nära en lockande geologisk formation eller att halka nedför den branta sluttningen av en kratervägg kan mätas i bara fot, Reflexer kan vara kritiska.

"Laseravståndsanalys kan öppna upp för nya typer av Mars-utforskning, sa Dell'Agnello.

Mer om uppdraget

Ett nyckelmål för Perseverances uppdrag på Mars är astrobiologi, inklusive sökandet efter tecken på forntida mikrobiellt liv. Rovern kommer också att karakterisera planetens klimat och geologi, bana väg för mänsklig utforskning av den röda planeten, och bli det första planetariska uppdraget att samla in och cachelagra Martian rock och regolit (bruten sten och damm). Efterföljande uppdrag, för närvarande övervägs av NASA i samarbete med Europeiska rymdorganisationen, skulle skicka rymdfarkoster till Mars för att samla in dessa cachade prover från ytan och returnera dem till jorden för djupgående analys.

Hanteras för NASA av JPL, en division av Caltech i Pasadena, Kalifornien, Mars 2020 Perseverance rover är en del av ett större program som inkluderar uppdrag till månen som ett sätt att förbereda sig för mänsklig utforskning av den röda planeten. Anklagas för att ha återvänt astronauter till månen 2024, NASA kommer att etablera en varaktig mänsklig närvaro på och runt månen till 2028 genom NASA:s Artemis månutforskningsplaner.