Om te kunnen fotograferen op Mars is de Perseverance uitgerust met in totaal 23 verschillende camera’s. Zeven ervan zijn landingscamera’s, bedoeld om tijdens de landingsfase de rover en haar omgeving in beeld te brengen.
Voor het eerst was een camera naar de bovenzijde gericht tijdens de landing, zodat er ook beelden van de opengaande parachute gemaakt konden worden. De foto’s en video’s legden vast wat er tijdens de landing gebeurt, hoeveel zand en rots door sde remraketten weggeblazen wordt, en hoe de wielen en het landingsgestel belast worden. Daaruit kunnen de NASA-ingenieurs lessen voor toekomstige missies trekken.
Een tweede reeks camera’s helpt de Perseverance om veilig op Mars rond te rijden. Vier HazCams (hazard avoidance cameras) brengen het terrein vlak voor en achter de rover in beeld. Je kunt ze vergelijken met de achteruitrijcamera van een auto. Ze worden gebruikt om obstakels zoals grote steenblokken, kuilen en zandduinen te vermijden. De NavCams (navigatiecamera’s) brengen de omgeving van de rover in kaart. Ze worden gebruikt om een veilige route naar bepaalde objecten uit te stippelen.
De NavCams kunnen ook de rover zelf in beeld nemen om eventuele schade en problemen te onderzoeken.
Het belangrijkst voor de missie zijn de wetenschappelijke camera’s. Daar zijn heel specifieke apparaten bij. De SuperCam bovenop de Perseverance vuurt een laserstraal af op een doel van een vierkante millimeter, en gebruikt een speciale camera en spectrometers om de chemische samenstelling van het gesteente vast te stellen. Het SHERLOCinstrument op een beweegbare arm combineert een laser met spectrometers en een macrocamera om close-ups van gesteente te maken. De WATSON-camera ernaast maakt detailopnames van texturen en structuren in de bodem. Eveneens op de beweegbare arm staat de PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry), met een röntgenspectrometer plus macrocamera om chemische elementen te identificeren.
Wetenschappelijke camera’s
Last but not least is er de Mastcam-Z. Deze komt het dichtst bij wat we normaal onder een ‘camera’ verstaan, hij dient als de ogen van de missieleiders op aarde. Het doel van de Mastcam-Z is niet om mooie plaatjes te schieten maar om de wetenschap te dienen. Hij zal vooral foto’s maken die dienen om textuur, mineralogische, structurele en morfologische details van rotsen in de buurt van de Perseverance vast te stellen. Die beelden worden naar de aarde gestuurd, waar het wetenschappelijk team het gesteentetype kan vaststellen, de geologische geschiedenis van de locatie kan reconstrueren en interessante doelen voor de wetenschappelijke camera’s kan identificeren.
De Mastcam-Z-camera’s kunnen ook video vastleggen. Daarmee kunnen de bewegingen van zand, stofwervelingen en astronomische verschijnselen bestudeerd worden.
De Mastcam-Z hardware
De Mastcam-Z werd ontwikkeld door wetenschappers van Arizona State University (ASU), onder leiding van Jim Bell. Zijn team van ongeveer twintig mensen werkte eerder al mee aan de camera’s voor de Spirit, Opportunity en Curiosity. “Je kunt niet zomaar een actiecamera op een selfiestick zetten en mee naar Mars sturen”, legt Bell uit op de website van ASU. “We weten niet hoe sensoren in commerciële camera’s reageren op de temperatuur en de schokken en trillingen bij de lancering en landing. We weten niet of ze op Mars dezelfde resultaten zullen geven als op aarde. En we weten ook niet hoe ze zullen werken nadat ze langdurig worden blootgesteld aan kosmische straling, een barre omgeving en extreme temperatuurschommelingen.”
De Mastcam-Z die ASU ontwikkelde bestaat uit twee identieke camera-units op een mast die twee meter boven het oppervlak van Mars oprijst. De units zijn gemonteerd op 24 centimeter van elkaar, waardoor beelden van beide camera’s gecombineerd kunnen worden tot een 3D-beeld. De beeldchip in elke camera is een KAI-2020CM ccd-sensor van ON Semiconductor (voorheen Truesense Imaging, een dochteronderneming van Kodak). Deze al uit 2005 daterende sensor heeft zijn sporen in de astrofotografie verdiend.
De sensor meet 11,84 x 8,88 mm, net iets kleiner dan de 1-inch sensor uit de betere compactcamera’s. Ook het aantal pixels is met 1.600 x 1.200 bescheiden, voor een resolutie van 1,92 megapixel. Het voordeel daarvan is dat de beeldbestanden relatief klein blijven en zo sneller verzonden kunnen worden. Ze kunnen dan op aarde worden samengevoegd tot foto’s met een hogere resolutie. Dat je hiermee indrukwekkende beelden kunt maken, bewijst het grootste Mars-panorama tot nu toe, dat 1,8 gigapixel meet. Het werd samengesteld uit 1.000 opnames die de Mastcam van de Curiosity tussen 24 november en 1 december 2019 maakte.
Zoomen op Mars
Een primeur voor de Perseverance is dat de Mastcam-Z twee zoomobjectieven gebruikt (met de Z van Zoom). Deze hebben een brandpuntsafstand van 26 tot 110mm bij een diafragma van F7 (groothoek) tot F9.7 (tele), goed voor een viervoudig optisch zoombereik. De Mastcam van de Curiosity moest het stellen met twee objectieven met vaste brandpuntsafstanden van respectievelijk 34 en 100mm. De kortste scherpstelafstand van deze objectieven varieert van 50 cm tot 1 m. Elk zoomobjectief telt vijftien lenselementen in zes groepen, waarvan drie vaste en twee bewegende groepen (de focusgroep en twee zoomgroepen). Het objectief en alle bewegende onderdelen zijn afgedicht tegen stof. De weerbestendigheid gaat nog een stap verder dan op aarde gebruikelijk is. De camera- en lensbehuizing zijn uitgerust met thermometers en verwarmingselementen die de onderdelen indien nodig verwarmen. De camera kan een minimumtemperatuur van -130°C overleven en opnemen bij buitentemperaturen van -40°C tot +40°C.
Filter voor de camera
Het grootste deel van de tijd zal de Mastcam-Z beelden in het zichtbare spectrum vastleggen, net als een gewone digitale camera. De KAI-2020CM CCD-sensor heeft daartoe een klassiek Bayer-kleurfilter, zodat elke pixel slechts een van drie basiskleuren (blauw, geel of groen) registreert. Via demosaicing wordt voor elke pixel de volledige kleurwaarde in RGB berekend.
De Bayer-filters in de Mastcam-Z zijn echter gedeeltelijk transparant voor licht met een golflengte van meer dan 800 nm; dit is het onzichtbare infraroodbereik. Als je nu een extra filter voor de sensor plaatst die het zichtbare licht blokkeert (golflengtes korter dan 800 nm), bereikt alleen het infraroodlicht de sensor, en heb je naast een standaardcamera ook een infraroodcamera.
Dat is precies wat het team van ASU deed. Het ontwierp daarvoor een filterwiel waarin acht rechthoekige filters uit Corning 7980 HPFS-glas passen. In de standaardpositie bevindt zich een transparant filter voor de sensor; hiermee worden de gewone kleuropnames gemaakt. In positie twee schuift het genoemde 800 nm IR-filter voor de sensor. In positie drie tot zeven hebben de linker- en rechtercamera in totaal tien verschillende filters die alleen licht in een nauwe band van het spectrum doorlaten, met pieken tussen 442 tot 1022 nm. Deze filters kunnen gebruikt worden om de aanwezigheid van bepaalde elementen en mineralen op te sporen. In de laatste positie op het wiel zit een grijsfilter, dat gebruikt zal worden wanneer de Mastcam-Z de zon fotografeert. De linkercamera heeft een 6-stops ND-grijsfilter, de rechtercamera een ND5-grijsfilter.
En als je dacht dat wetenschappers geen gevoel voor humor hebben: filter L5 op de rechtercamera is zo ontworpen dat hij het licht van de laser van de SuperCam doorlaat. “Wanneer Mastcam-Z een opname maakt met filter L5 op hetzelfde moment dat SuperCam een rots zapt, dan zal de opname een heldere lichtstraal vastleggen, als een laserpointer op Mars! Dat is wetenschappelijk nergens voor nodig, maar het is wel erg gaaf”, leggen Emily Lakdawalla en Melissa Rice van ASU uit.
Even downloaden
De beelden die de Mastcam-Z registreert, worden doorgestuurd naar de Digital Electronics Assembly (DEA). Deze verwerkt de beelden en bewaart ze in een buffergeheugen van 8 gigabyte. Voor foto’s is er keuze uit drie bestandsformaten: ongecomprimeerde 11-bit raw zonder kleurinterpolatie; ‘lossless’ gecomprimeerde 11-bit raw zonder kleurinterpolatie; en 8-bit jpeg in kleur of grijswaarden met instelbare compressie (kwaliteit tussen 0 en 100). Video wordt opgeslagen als gecomprimeerde 8-bit mpegbestanden. Dan is het nog zaak om de beelden op aarde te krijgen. Dat gebeurt in twee stappen. De inhoud van het buffergeheugen wordt eerst doorgestuurd naar een van twee ruimtevaartuigen in een baan om Mars, de Mars Odyssey en de Mars Reconnaissance Orbiter. Vandaar gaat het met een snelheid tussen 256 kilobits per seconde en 2 megabit per seconde naar de radiotelescopen van het Deep Space Network (DSN) op aarde. Door de enorme afstand is het signaal tien tot vijftien minuten onderweg voor het de aarde bereikt.
Dat maakt het ook onpraktisch om de camera live te bedienen. Een fotograaf op aarde zou een kwartier moeten wachten om een live view voorvertoning te zien, en dan zou het nog eens een kwartier duren om aanpassingen aan de camera-instellingen door te voeren. Om de beschikbare tijd maximaal te benutten worden alle instructies voor de camera en andere instrumenten van tevoren vastgelegd, en een keer per dag naar de Perseverance doorgestuurd.
De camerastand, de zoompositie, het gebruikte filter: alles is vooraf doordacht. Een goede voorbereiding is de sleutel voor een geslaagde fotoshoot, en dat geldt nog meer als je camera zich 210 miljoen kilometer ver bevindt!
Nieuws over de missie van de Perseverance en opnames met de Mastcam-Z vind je op: https://mars.nasa.gov/mars2020
