ESA:s Rosalind Franklin tvillingrover på jorden har borrat ner och tagit prover 1,7 meter ner i marken – mycket djupare än någon annan martian rover någonsin har försökt.

Den framgångsrika insamlingen av jord från en hård sten och dess leverans till laboratoriet inuti rovern markerar en lovande milstolpe för ExoMars 2022-uppdraget.

"Den efterlängtade framgången med ExoMars-borren på jorden skulle vara den första i Mars-utforskningen, säger David Parker, ESA:s chef för mänsklig och robotisk utforskning. Det djupaste någon borr har grävt på den röda planeten hittills är 7 cm.

Rosalind Franklin rover är designad för att borra tillräckligt djupt, upp till två meter, att få tillgång till välbevarat organiskt material från fyra miljarder år sedan, när förhållandena på Mars yta var mer som de på spädbarnsjorden.

Repliken, även känd som Ground Test Model, är helt representativ för den rover som ska landa på Mars. De första proverna har samlats in som en del av en serie tester vid Mars Terrain Simulator i ALTEC-lokalerna i Turin, Italien. Borren utvecklades av Leonardo, medan Thales Alenia Space är huvudentreprenör för ExoMars 2022.

Borroperationer

Rosalind Franklins tvilling har borrat i en brunn fylld med en mängd olika stenar och jordlager. Det första provet togs från ett block av cementerad lera med medelhårdhet.

Borrning skedde på en dedikerad plattform lutad i sju grader för att simulera insamlingen av ett prov i en icke-vertikal position. Borren fick provet i form av en pellet med cirka 1 cm i diameter och 2 cm lång.

Rosalind Franklins borr håller kvar provet med en slutare som förhindrar att det faller ur under hämtning. När den väl fångats, borren tar upp provet till ytan och levererar det till laboratoriet inuti rovern.

Med borren helt indragen, stenen tappas i en låda längst fram på rovern, som sedan drar ut och lägger provet i en krossstation. Det resulterande pulvret distribueras till ugnar och behållare utformade för att utföra den vetenskapliga analysen på Mars.

"Det tillförlitliga förvärvet av djupa prover är nyckeln för ExoMars huvudsakliga vetenskapliga mål:att undersöka den kemiska sammansättningen - och möjliga livstecken - av jord som inte har utsatts för skadlig joniserande strålning, " säger ExoMars projektforskare Jorge Vago.

En unik borr för Mars

ExoMars borren är en sammansättning av mekanismer som förlitar sig på en automatiserad koreografi av verktyg och monteringsstänger. "Designen och konstruktionen av borren har varit så komplex att denna första djupborrning är en extraordinär prestation för teamet, säger Pietro Baglioni, ExoMars rover teamledare.

Rosalind Franklins borr arbetar på rotation. En serie verktyg och förlängningsstänger är monterade för att bilda en "borrsträng" och kan nå hela 2 meter långa när alla är anslutna.

Borren kan penetrera marken med 60 varv per minut, beroende på jordens konsistens. Att gräva i sand- eller lerfast material kan ta mellan 0,3 och 30 mm per minut.

The drill has also a two-degree of freedom positioner that allows it to discharge the sample at the right angle into the rover laboratory.

No easy feat

"Drilling hard stones to a depth of two meters on a mobile wheeled platform with less than 100 watts of power is a complex task, " explains Andrea Merlo, ExoMars Rover functional engineer from Thales Alenia Space.

Doing it on Earth is even more difficult because the Ground Test Model must be offloaded to recreate the weaker martian gravity level—Mars gravity is about one-third of Earth's. The model hangs from the ceiling on a dedicated gravity compensation device.

Since the twin rover consists of models that are beyond their nominal lifetime, the team had to tune some parameters during the deep drilling test. "This already gives engineers a hint on how the system could degrade on Mars, " adds Andrea.

Tests to roving on Mars

The Ground Test Model has successfully completed a number of tests to move to and to identify targets while acquiring images and data. These dry runs to rehearse the rover operations on Mars started in June 2021.

The rover has demonstrated that it can follow precise trajectories and survey the environment on and below the surface with its instruments, including cameras, spectrometers and a sub-surface sounding radar and neutron detector.

Parallellt, the real Rosalind Franklin rover is being prepared for its flight to Mars in nearly a year's time—the launch window for ExoMars opens on 20 September 2022.