Polskie przygotowania do kosmicznej misji badania Jowisza

Podróż ważącej ponad 5 t sondy kosmicznej w stronę największej planety naszego Układu Słonecznego rozpocznie się dopiero w 2022 roku, ale przygotowania do niej trwają już od dawna. W ambitnym projekcie Europejskiej Agencji Kosmicznej uczestniczą także Polacy z Centrum Badań Kosmicznych PAN i spółki Creotech Instruments S.A.

Ganimedes, ulubieniec mitologicznego Zuesa, którego starożytni Rzymianie nazywali Jowiszem, na olimpijskim dworze pełnił funkcję podczaszego, który roznosił bogom nektar i ambrozję. Ganimedes to także nazwa największego księżyca w Układzie Słonecznym. Za jego odkrywcę uważa się Galileusza, który zaobserwował i opisał w XVII wieku wszystkie 4 największe Księżyce Jowisza: Io, Europę, Kallisto i samego Ganimedesa. Właśnie to ciało niebieskie jest głównym, choć nie jedynym celem misji JUICE (JUpiter ICy Moons Explorer), która w 2022 roku wyruszy w trwającą ponad 7 lat podróż w stronę najmasywniejszej planety Układu Słonecznego.

– Chociaż jak dotąd udało się odkryć ponad 70 naturalnych satelitów orbitujących wokół największego z gazowych olbrzymów, masa czterech „księżyców Galileuszowych” stanowi niemal 99% masy materii krążącej wokół Jowisza –zwraca uwagę Jacek Kosiec, Prezes Creotech Instruments S.A. – Na ich powierzchni znajdziemy lód, a naukowcy podejrzewają, że panujące na większej głębokości warunki, w tym obecność wody w stanie ciekłym, mogą być dogodne dla powstania życia – dodaje Kosiec.

Jak to jest możliwe, że tak daleko od Słońca może być woda w stanie ciekłym? Otóż, potężny Jowisz tworzy ze swoją gwiazdą unikalny układ grawitacyjny. Masa Jowisza jest tak wielka, że zakłóca grawitację jego satelitów. Według matematycznych modeli, opracowanych przez naukowców, prowadzi to do rozciągania się i kurczenia największych księżyców planety. Powstałe tarcie może „rozgrzać” ich jądra do sprzyjających temperatur. JUICE leci sprawdzić tę teorię.

Ambitne cele

Misja JUICE jest jednym z najambitniejszych projektów realizowanych obecnie przez Europejską Agencję Kosmiczną, a jej łączny koszt sięga niemal 900 mln euro. Projekt jest częścią strategicznego programu naukowego ESA o nazwie „Kosmiczna Wizja” (ang. Cosmic Vision). Celem europejskiej wizji kosmicznej jest odpowiedź na najważniejsze pytania dotyczące naszego Wszechświata, czyli jakie warunki umożliwiają formowanie się planet i pojawianie się życia? Jak funkcjonuje Układ Słoneczny? Jakie fundamentalne prawa fizyki rządzą Wszechświatem? Jak powstał Wszechświat i z czego jest zrobiony? Cele badawcze misji  JUICE są ściśle powiązane z odpowiedzią na te pytania. Podróż do innych układów gwiezdnych w poszukiwaniu życia możliwa jest na razie wyłącznie poprzez podglądanie.

– JUICE skupia się na zebraniu danych umożliwiających opisanie warunków fizycznych panujących w tym mini układzie planetarnym, które mogłyby doprowadzić  do uformowania się środowisk przyjaznych powstawaniu życia.  – dr hab Hanna Rothkaehl,  prof. Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk. Za cel najbardziej szczegółowych badań wybrany został Ganimedes, ponieważ, zdaniem naukowców, stanowi formę naturalnego laboratorium do analizowania ewolucji geologicznej i środowisk przyjaznych rozwojowi życia w lodowych warunkach oraz może być miejscem tworzenia przyszłych baz eksploracyjnych w Układzie Słonecznym. Sonda wykona także  badania  struktur geologicznych i atmosfer Europy, Kallisto oraz samego Jowisza.

Zgodnie z założeniami misji, badania w systemie Jowisza potrwają co najmniej trzy i pół roku, ale podróż na miejsce zajmie ponad dwukrotnie więcej czasu.

Ściganie Jowisza

Ważący ponad 5 ton statek kosmiczny wyniesiony zostanie przez masywną rakietę Ariane 5, a w długiej podróży w stronę Jowisza wykona kilka manewrów wykorzystujących, tzw. asystę grawitacyjną. Manewry te polegają na wykorzystaniu grawitacji planety lub innego ciała niebieskiego do zwiększenia prędkości i zmiany kierunku lotu statku kosmicznego. Podczas podróży w stronę orbity Jowisza, JUICE skorzysta z asysty grawitacyjnej Wenus i Marsa, a także, aż trzykrotnie, z asysty Ziemi. Skomplikowany tor lotu statku kosmicznego, który nie tylko musi dotrzeć w pobliże orbity Jowisza, ale musi to zrobić także w odpowiednim momencie (rok Jowisza, czyli czas obiegu planety wokół Słońca, to prawie 12 ziemskich lat), prześledzić można na wizualizacji przygotowanej przez Europejską Agencję Kosmiczną.

LINK

O sukcesie misji w dużej mierze zadecyduje to, czy licznym podmiotom zaangażowanym w budowę sondy JUICE uda się na czas zaprojektować i wyprodukować wszystkie elementy wchodzące w jej skład. W przeciwnym razie start zostanie przesunięty i nie wszystkie zaplanowane badania będą mogły być wykonane. Sonda musi ruszyć w podróż w stronę Jowisza w konkretnym, bardzo krótkim, bo trwającym tylko trzy tygodnie, oknie czasowym wiosną 2022 roku, aby wykorzystać koniunkcję położenia Wenus, Marsa i Ziemi.  Za integrację całego systemu odpowiadać będzie Airbus Defence and Space, ale w łańcuch dostawców zaangażowanych jest wiele firm i instytucji naukowych z całej Europy.

Precyzyjne pomiary i polski udział

– Jesteśmy w trakcie weryfikacji naszych procesów produkcyjnych pod kątem zadań, za które będziemy odpowiadać uczestnicząc w projekcie JUICE. Prace przygotowawcze prowadzimy na zlecenie Europejskiej Agencji Kosmicznej – mówi Paweł Kowalczyk, który w firmie Creotech Instruments S.A. odpowiada za obszar zapewnienia jakości. Misja jest bardzo wymagająca, ponieważ sonda, zarówno przemierzając pustkę Układu Słonecznego, jak i później, pozostając przez co najmniej trzy i pół roku w systemie Jowisza, narażona będzie na ekstremalne i zmienne warunki termiczne oraz wysoką radiację, szczególnie niebezpieczną dla komponentów elektronicznych. To niezwykle ważne, żeby w tych warunkach wszystkie elementy działały bez zarzutu, bo od tego zależy powodzenie całej misji – dodaje Kowalczyk.

Firma Creotech Instruments S.A. będzie odpowiadać za montaż części elementów elektronicznych dwóch z dziesięciu instrumentów badawczych, które znajdą się na pokładzie JUICE. Projektowanie i  testy tych elementów leżą w kompetencji inżynierów i naukowców z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, którego Creotech jest podwykonawcą.

Pierwszy z instrumentów nosi nazwę SWI (ang. Sub-millimeter Wave Instrument) i będzie wykonywał badania rozkładu temperatury, składu oraz dynamiki stratosfery i troposfery Jowisza, a także egzosfer i powierzchni księżyców lodowych. Wyposażony zostanie w antenę o średnicy 30cm. Drugi instrument nazwano RPWI (ang. Radio & Plasma Wave Investigation) i składają się na niego aż cztery mniejsze instrumenty, które pozwolą zdiagnozować w szerokim zakresie częstotliwości, właściwości pola elektrycznego i magnetycznego oraz opisać ekstremalne środowisko plazmowe w układzie Jowisza.

– Dzięki RPWI dowiemy się w jaki sposób silne, pochodzące z Jowisza pola elektryczne i magnetyczne, oddziałują na największe księżyce tej planety – Ganimedesa i Europę – wyjaśnia dr. hab Hanna Rothkaehl, prof. CBK PAN. Pole magnetyczne Jowisza jest 14 razy silniejsze od ziemskiego i w całym Układzie Słonecznym ustępuje pod tym względem jedynie plamom słonecznym, które stanowią najsilniejsze naturalne źródło promieniowania elektromagnetycznego w naszym kosmicznym sąsiedztwie.

Spółka Creotech Instruments S.A. jest także odpowiedzialna za zapewnienie wysoko wykwalifikowanych specjalistów-elektroników, którzy wspierają hiszpański oddział Airbus Defence & Space o nazwie CRISA w integracji lotnej elektroniki dla sondy JUICE. W tym wypadku nie chodzi o instrumenty naukowe, ale o platformę, na której oparta będzie architektura całej sondy JUICE.

– JUICE to bardzo duża i skomplikowana misja, a dodatkowym utrudnieniem, przed jakim stoją jej uczestnicy jest sztywna data startu misji – mówi Tomasz Zawistowski, który w Creotech Instruments odpowiada za wsparcie CRISA jako Kierownik Projektu.  Sonda będzie musiała wykonać kilka manewrów wykorzystujących asystę grawitacyjną. Do wykonania tych manewrów potrzebne jest odpowiednie ustawienie planet w naszym Układzie Słonecznym. Żeby zrealizować ten plan, misja musi wystartować późną wiosną 2022 roku, co oznacza, że czasu jest niewiele. Dlatego Hiszpanie, znając wysokie kompetencje naszej spółki, zwrócili się do nas z prośbą o wsparcie ich prac specjalistami z naszej firmy – tłumaczy Zawistowski.

Głębokie wody głębokiego kosmosu

Udział w misjach badających głęboki kosmos to dla każdej firmy działającej w sektorze kosmicznym nie tylko prestiż, ale też dowód unikatowych kompetencji. Oczekiwania stawiane przed uczestnikami tak złożonych projektów są bardzo wysokie, a wymagana niezawodność produkowanego sprzętu jest wielokrotnie wyższa niż ma to miejsce w przypadku budowy satelitów przeznaczonych do operowania na orbicie ziemskiej.

Jacek Kosiec, Prezes Creotech Instruments S.A. zwraca uwagę, że nasze bezpośrednie kosmiczne otoczenie znamy i rozumiemy już dosyć dobrze. Dysponujemy też technologią, która gwarantuje niezawodną łączność z satelitami na orbitach bliskich Ziemi. Eksploracja głębokiego kosmosu stawia jednak przed nami zupełnie nowe wyzwania.

– Już sam fakt, że komunikacja z sondą JUICE, od nadania komunikatu przez sondę, do odbioru przez nią sygnału zwrotnego, trwać będzie prawie 2 godziny, stawia przed uczestnikami tego projektu ogromne wyzwania, w zakresie zapewnienia wysokiego poziomu autonomiczności systemów misji – tłumaczy Jacek Kosiec – a to wszystko w warunkach próżni, ekstremalnej radiacji i zmiennych temperatur. Dlatego niezawodność wszystkich części składowych sondy jest tak ważna.

Creotech Instruments S.A., jako jedyna polska firma dysponuje doświadczeniem w montażu elektroniki przeznaczonej do misji w głębokim kosmosie. Firma odpowiadała za produkcję podzespołów orbitera TGO (Trace Gas Orbiter), który wykonuje zobrazowania powierzchni Marsa w ramach misji ExoMars. Uczestnictwo w misji JUICE to zatem kolejny projekt, w którym Creotech skorzystać może ze swojego doświadczenia i unikatowych na polskim rynku kompetencji.