Kombinace snímků komety Wild 2 ze sondy Stardust

Kombinace snímků komety Wild 2 ze sondy Stardust

Staré kosmické sondy míří k novým cílům. Grün exkluzivně pro Technet.cz

  • 18
Americký národní úřad pro letectví a kosmonautiku NASA počátkem července oznámil, že se dvě vysloužilé kosmické sondy vydají k dalším tělesům sluneční soustavy. Myšlenka to není nijak nová, ale může vést levnou cestou k novým poznatkům.

Některá umělá kosmická tělesa jsou totiž po splnění svých úkolů ještě v tak dobrém technickém stavu, že jich lze využít k získání informací o dalších vesmírných objektech, s nimiž se v původních plánech nepočítalo. Uvážíme-li, že provozní náklady (tedy příjem signálů, jejich zpracování a řízení činnosti družic) tvoří jen zlomek toho, co stojí vývoj, konstrukce a vynesení do vesmíru a nadto odpadá náročný proces schvalování rozpočtu na nové projekty v politických orgánech, je to cesta velmi efektivní. Představuje nejvýše 15% toho, co bychom museli zaplatit za novou, samostatnou kosmickou sondu s podobnými úkoly.

Poprvé v historii

K něčemu podobnému došlo u vědecké umělé družice ISEE – 3 (International Sun-Earth Explorer) alias Explorer 59.

Složitý přesun ISEE-3 alias ICE

Ta odstartovala v létě 1978 s 10 americkými a třemi evropskými přístroji pro měření elektrických a magnetických polí a plasmy jako součást tria satelitů na různých drahách s podobným cílem: studium vztahů Slunce – Země na hranicí zemské magnetosféry. Konstrukčně šlo o poměrně jednoduché těleso o hmotnosti 479 kg, mající tvar válce (přesněji šestnáctistěnu) o průměru 1,74 m a výšce 1,6 m, podobné předchozím družicím série Explorer – IMP podle koncepce firmy Fairchild. Na dvou třímetrových tyčích byly instalovány senzory plazmy a magnetometr, prutové antény měly délku několik desítek metrů. Stabilizaci zajišťovala rotace, elektrickou energii dodávaly sluneční fotovoltaické články na povrchu tělesa (při startu 173 W) a palubní vysílač o výkonu 5W vysílal na frekvencích 2217 a 2270 MHz rychlostí až 2048 bit/s. Od počátku však družice měla zajištěné jedno privilegium: stala se prvním tělesem, uvedené na kosmickou dráhu v tzv. libračním bodě soustavy Země – Slunce.

Librační oblasti soustavy Slunce - Země

Lagrangeova rovnováha

Slavný matematik Joseph Louis Lagrange (1736–1813) v díle „O problému tří těles“ z roku 1772 dospěl na základě Newtonova gravitačního zákona k tomu, že v soustavě dvou hmotných těles pohybujících se kolem společného těžiště existují malé oblasti (říkáme jim centra nebo méně přesně „body“), v nichž jsou jejich gravitační účinky v dynamické rovnováze, a třetí těleso zanedbatelné hmotnosti vzhledem k nim nemění svou polohu. V rovině, v níž se pohyb dvou hmotných těles uskutečňuje, existuje pět takových rovnovážných neboli libračních center (L1 až L5). Tři se nacházejí na přímce spojující těžiště obou těles a jejich polohy závisejí na poměru hmotností těles. L1 leží mezi primárním a sekundárním tělesem, L2 a L3 na vnějších stranách. Rovnováha je v nich nestabilní, protože stačí malé rušivé působení, a objekt z těchto bodů unikne.

Relativně stabilnější jsou L4 a L5, které leží na kolmici ke spojnici těles a tvoří s oběma rovnostranné trojúhelníky, souměrné podél spojnice.

Dvě století po Lagrangeovi jsme tedy umístili poprvé těleso poblíž bodu L1 do vzdálenosti asi 1,5 milionu km od nás, takže přístroje byly trvale ozařovány a mohly nepřetržitě registrovat toky nabitých částic ze Slunce dřív, než dorazí k Zemi.

Aby rádiové spojení nebylo Sluncem rušeno, pohybovala se sonda po dráze odkloněné asi o 4° od geometrické spojnice Slunce – Země; při pohledu ze Země dráha vytvářela kroužek kolem slunečního disku, připomínající tzv. halo. Autorem tohoto označení a hlavním architektem projektu z hlediska nebeské mechaniky byl v laboratořích NASA JPL mladý inženýr Robert Farquhar.

Farquhar

Do dějin kosmonautiky však vstoupil nápadem, jak prakticky kompenzovat zrušení americké účasti na mezinárodním výzkumu blížící se Halleyovy komety, kterým tehdy byli američtí vědci konsternování: Počátkem 80. let navrhl využít družici ISEE k výzkumu komety Giacobini-Zinner.

Z Lagrangeova centra ke kometě

Se svým malým týmem propočítal velmi složité změny drah, které to umožnily a přesvědčil vedení NASA, aby s náročným experimentem souhlasilo. Tak byla zážehem hydrazinového korekčního motoru ISEE z oblasti libračního bodu 10. června 1982 vyvedena a začala se pohybovat v prostoru kolem Země mezi libračními body L1 a L2.

Následovala série pěti gravitačních manévrů u Měsíce březen, duben, září, říjen, prosinec 1983, kombinovaná s motorickými korekcemi dráhy – celkem 15 manévrů motorických a pěti gravitačních bylo zapotřebí k tomu, aby 22. prosince 1983 se z družice ISEE stala meziplanetární sonda ICE na heliocentrické dráze, po níž se přiblížila ke kometě Giacobini-Zinner.

Sonda ICE_dř. ISEE-3

Po dalších dvou korekcích dráhy se podařilo zpřesnit průlet ve vzdálenosti pouhých 8 tisíc kilometrů od jádra komety. Průlet plasmovým chvostem komety relativní rychlostí 10,7 km/s trval 11. září 1985 asi 20 minut a technický experiment tak přinesl i unikátní vědecké poznatky. Kromě toho 28. března 1986 ICE prolétl mezi Sluncem a kometou Halley ve vzdálenosti 31 mil. km od jejího jádra a uskutečnil doplňující měření k výzkumům sond Giotto, Sakigake, Suisei, Vega 1 a Vega 2. Škoda jen, že ve výčtu přístrojů chyběla kamera...

Armáda sond ke kometě Halley v roce 1986

Sonda však vysílala dál, i když s ohledem na rostoucí vzdálenost od Země postupně se stále pomalejším režimem přenosu dat. Přinesla cenná doplňující měření souběžně s evropskou sondou Ulysses z roku 1990 a pracovala až do 5. května 1997, kdy byla její činnost oficiálně ukončena. Pohybuje se po dráze kolem Slunce s oběžnou dobou 355 dní ve vzdálenosti 1,03 až 0,93 AU se sklonem 0,1° k rovině ekliptiky a do blízkosti Země se dostane znovu v srpnu 2014 – NASA doufá, že v té době bude mít prostředky k tomu, aby sondu zachytila a instalovala ji ve Smithsonianském museu..

Příklady táhnou a tak rovněž některé sondy k Halleyově kometě měly po skončení jejich výzkumu dodatečně dostat další úkoly. Obě ruské sondy Vega už měly v té době za sebou dlouhý a náročný výlet k Venuši. 

Sonda VeGa před startem

A tak pouze pokračovaly ve studiu meziplanetárního prostoru; poslední oficiální informace o nich jsou z konce dubna 1986, kdy byly ve vzdálenosti 217 mil. , resp. 198 mil. km od nás.

Japonský Pionýr

Zato obě malé japonské sondy měly zamířit k dalším kometám.

Sakigake Suisei

„Technická“ sonda Sakigake ('Pionýr') o hmotnosti 138 kg po průletu mezi Sluncem a Halleyovou kometou 11. března 1986 ve vzdálenosti 6,99 mil. km od jádra nejprve rovněž pokračovala v měření na heliocentrické dráze. Šest let poté, 8. ledna 1992 prolétla ve vzdálenosti 88 800 km od středu Země. 14. června 1993 se vrátila podruhé: nejprve ve vzdálenosti 1,8 mil. km registrovala průchod chvostem geomagnetosféry a poté se přiblížila k Zemi na 250 tisíc km. Třetí průlet 28. října 1994 ve vzdálenosti 550 tisíc km byl rovněž využit ke gravitačnímu manévru, jenže při drobných korekcích se vyčerpaly zásoby hydrazinu, sonda se stala neovladatelnou a 15. listopadu 1995 ve vzdálenosti 106 mil. km od Země bylo pravidelné oboustranné spojení ukončeno. Další plány se tak už nerealizovaly: Sakigake měla 3. února 1996 proletět rychlostí 23,6 km/s jen 10 tisíc kilometrů od jádra komety Honda-Mrkos-Pajdušáková ve vzdálenosti jen 25 milionů km od Slunce a případně se ještě 29.11.1998 přiblížit (asi na 14 mil. km) ke kometě Giacobini-Zinner. Radiomaják sondy se definitivně odmlčel 7. ledna 1999.

Téměř stejná sonda, avšak s jinými přístroji vč. kamery Suisei („kometa“) o hmotnosti 189,4 kg proletěla 8. března 1986 úspěšně asi 151 tisíc km od jádra Halleyovy komety a rovněž pokračovala v dalším měření. Mezi 5. až 10. dubnem 1987 byly celkem 15x zapojeny hydrazinové trysky pro zvýšení rychlosti o 65 m/s, tak aby připravovaného gravitačního manévru při průletu kolem Země 20. srpna 1992 ve vzdálenosti 60 tisíc km mohlo být využito k zacílení na kometu Giacobini- Zinner.

Předpokládalo se, že k poměrně těsnému průletu kolem této komety dojde 24. listopadu 1998. Po této dráze by sonda bývala 28. února 1998 rovněž minula (ve vzdálenosti několika milionů km) kometu Tempel – Tuttle. Bohužel, ukázalo se, že již 22. února 1991 byla na sondě zásoba hydrazinu zcela vyčerpána, oboustranné spojení bylo ukončeno a plány vzaly za své...

Giotto nebyl jen malíř

Nový cíl získala i velmi úspěšná evropská sonda Giotto o počáteční hmotnosti 960 kg, která se k jádru Halleyovy komety přiblížila 13. března 1986 na pouhých 596 km a získala jeho nejlepší snímky.

Sonda Giotto Sonda Giotto zkoumala dvě komety

Z deseti přístrojů se při průletu těžce poškodily (bohužel sonda přišla i o „oko“, tedy televizní kameru), tři zůstaly plně a čtyři aspoň částečně funkční – a hlavně: na palubě zůstalo asi 60 kg paliva. Po třech malých korekcích dráhy se 2. dubna 1986 sonda uložila do stavu „elektronické hibernace“, z níž byla probuzena až 1419 dní poté, v únoru 1990. Během pěti let po startu celkem šestkrát oblétla Slunce.

Halleyova kometa v podání Giotta di Bondone

2. července 1990 se vrátila k Zemi, prolétla kolem jejího středu ve vzdálenosti 16300 km, získala doplňující poznatky o magnetickém poli a energetických částicích v její blízkosti – a především využila jejího gravitačního pole k úpravě dráhy tak, že byla přesně nasměrována ke kometě Grigg-Skjellerup. Dorazila k ní 10. července 1992 ve vzdálenosti 214 milionů kilometrů od Země a rychlostí 13,99 km/s prolétla pouhých 200 km od jádra komety.

Jádro komety Halley ze sondy Giotto

Její aparatura pracovala do 23. července 1992, kdy se znovu uložila „ke spánku“. V nádržích jí zůstalo necelých 15 kg paliva (původně se odhadovalo 1 až 7 kg) a to bylo příliš málo na výraznější dráhové manévry v budoucnu. Nicméně byla ještě nasměrována, tak, aby se znovu přiblížila k Zemi. 1. července 1999 ve 2:40 UT (světového času) prolétla výši 225 430 km nad bodem o souřadnicích 22,61° z.d. a 45,79° j.š. relativní rychlostí 3,5 km/s vůči Zemi, aniž byly její přístroje znovu uváděny do provozu.

Poptávka po starých sondách

V současné době má NASA v meziplanetárním prostoru tři vysloužilé kosmické sondy. Deep Space 1 (počáteční hmotnost na dráze 475 kg, „suchá“ 377 kg), která se na cestu vydala 24. října 1998 byla určena především k ověření tuctu nových technických systémů.

Iontový motor na sondě Deep Space 1 Montáž sondy Deep Space 1

Mezi nimi mezi nejdůležitější patřil pohonný systém s xenonovým iontovým motorem s max. příkonem elektrické energie 2.5 kW a tahem 90 mN; fotovoltaické články s koncentrátorem slunečního záření; autonomní navigační systém AutoNav a řídicí program "Remote agent" s prvky umělé inteligence. Nejúspěšnější byl iontový motor, který s plánovanými přestávkami spolehlivě pracoval celkem 670 dní. Kromě toho byly na sondě i dva vědecké přístroje: miniaturní kamera se spektrometrem a plazmové detektory. Získaly cenné informace zejména při průletu komou (tj. lokální atmosférou) komety Borelly 22. září 2001 relativní rychlostí 16,5 km/s ve vzdálenosti přibližně 2200 km od jádra, během něhož bylo pořízeno přes 50 snímků s maximálním rozlišením 45 m.

Deep Space 1 u komety Borrelly (kresba)

18. prosince 2001 byl ze Země vyslán povel k vypojení iontového motoru sondy, který spotřeboval asi 90% zásob pracovní látky. Telemetrický systém byl ponechán v činnosti, ale využívání sondy skončilo – zásoby xenonu by už nestačily k podstatnější změně dráhy.

Zato dvě další sondy nové úkoly převzít mohou – a 3. července o tom NASA oficiálně definitivně rozhodla.

Drtivý dopad – znovu, ale bez dopadu

Je to především meziplanetární úsek sondy Deep Impact.

Vytvoření kráteru na kádru komety Tempel 1 (ze sondy Deep Impact) Jádro komety Tempel 1 (foto Deep Impact)

Ta odstartovala v lednu 2005 s cílem zasáhnout 4. července 2005 speciálním projektilem (tzv. impaktorem) jádro komety Tempel 1, což se – jak známo – zdařilo.

Kresba Deep Impact, impaktor je oddělen

Ve stejné chvíli ve vzdálenosti 500 km kolem prolétal meziplanetární úsek rychlostí 10,2 km/s. Má hmotnost téměř 650 kg a tvar pětibokého hranolu o délce 3,3 m, průměru 1,7 m a výšce 2,3 m. Na jednom boku je připojen dvojdílný panel fotovoltaických baterií o rozměru ploše 7,5 m2, dodávající 90 W elektrické energie a dobíjející NiH akumulátorovou baterii s kapacitou 16 Ah, na druhém je blok užitečného zatížení o hmotnosti 90 kg, tvořený dvěma dalekohledy optického systému Cassegrain. Teleskop o průměru 0,30 m, k němuž jsou připojeny multispektrální kamera (rozlišení 2 m na vzdálenost 700 km) a infračervený spektrometr (rozlišení 10 m) je jedním z největších přístrojů svého druhu na kosmické sondě. Druhý teleskop je menší – má průměr 0,12 m a je vybaven multispektrální kamerou (rozlišení 10 m na tutéž vzdálenost).

Montáž sondy Deep Impact - průletová část s dalekohledy

Systémy sondy řídí zdvojený počítač s osmi procesory Rad 750, které sdílejí společnou paměť s kapacitou 1024 Mbyte; na záznam vědeckých měření je vyčleněno po 203 Mbyte. Komunikační systém sondy pracuje v pásmu kolem 8 GHz: otočná parabolická anténa je instalována na horní podstavě základního tělesa sondy, dvě pevné všesměrové antény jsou na bocích. Pro korekce dráhy je sonda vybavena motorky na hydrazin se zásobou 86 kg.

I když sonda 31. srpna 2005 oficiálně ukončila činnost, pokračovala v letu; 20. července byla provedena korekce její dráhy a 6. ledna 2007 proletěla kolem Marsu ve vzdálenosti 4,9 mil. km. Další dráha vede zpět k Zemi, kolem níž proletí 31.

prosince letošního roku. A protože nejméně třetinu zásob hydrazinu „ušetřila“, mohla NASA přijmout dodatečně nový program EPOXI (Extrasolar Planet Observation and Deep Impact Extended Investigation), jehož šéfem je M. A'Hearn (University of Maryland).

První částí je program DIXI (Deep Impact eXtended Investigation), jehož cílem je při gravitačním manévru u Země zamířit sondu ke kometě Boethin, která dosud nebyla zblízka studována. Boethin je malá krátkoperiodická kometa, která se opakovaně dostává do vnitřních oblastí Sluneční soustavy z prostoru za drahou planety Jupiter. Výzkum v rámci programu DIXI se uskuteční především při těsném průletu sondy kolem jádra komety, k němuž dojde 5. prosince 2008.

Druhou částí nového programu je EPOCh (Extrasolar Planet Observations and Characterization), který bude probíhat po dobu asi jednoho roku, než sonda dorazí ke svému novému cíli. Bude se v něm pozorovat několik blízkých hvězd, o nichž je již známo, že kolem nich obíhají exoplanety, přičemž dochází k fotometrickým změnám, přičemž citlivost překoná schopnosti dosavadních přístrojů. Bude se rovněž měřit infračervené spektrum Země, což umožní získat srovnávací data pro budoucí projekty studia atmosfér exoplanet.

Příště k Tempelovi

Další staronovou výpravou v rámci programu Discovery je výzkum komety Tempel NExT – „New Exploration of Tempel“. Počítá s využitím sondy Stardust, vypuštěné 7. února 1999.

Sonda Stardust před startem (nahoře návratové pouzdro) sonda Stardust (nyní již bez pouzdra vlevo)

Ve sluneční soustavě překonala dráhu v délce 3 miliard km, na několika místech odebírala vzorky meziplanetárního a mezihvězdného prachu. 

V lednu 2004 prolétla ve vzdálenost asi 250 km od jádra komety Wild 2, z níž rovněž odebrala vzorky její „atmosféry“.

Jádro komety Wild 2

Vzorky byly umístěny v modulu, který v lednu 2006 přistál na Zemi, zatímco hlavní sonda zůstala na oběžné dráze kolem Slunce. O dalším možném výzkumném programu víme již od podzimu 2006, avšak NASA oznámila jeho realizaci až po ukončení výběrového řízení rámcového programu Discovery.

Sonda Stardust má rozměry 1,7×0,66×0,66 m a je vybavena dvěma panely fotovoltaických článků o celkové ploše 6,6 m2. Původní hmotnost sondy byla 385 kg, z toho tvořilo 46 kg návratové pouzdro a 85 kg zásoby hydrazinu, z nichž větší část byla již spotřebována.

Montáž sondy Stardust Plošné detektory na sondě Stardust Registrace kosmického prachu na sondě Stardust

Pro korekce dráhy a rotační manévry slouží 8 motorků na hydrazin o tahu 4,4 N, systém stabilizace a prostorové orientace využívá dvou redundantních inerciálních plošin s laserovými gyroskopy a akcelerometry, hvězdnou kameru a dva detektory Slunce spolu s malými hydrazinovými motorky.

Telekomunikační systém pracující v pásmu kolem 8 GHz (výkon polovodičového zesilovače 15 W, rychlost přenosu 40 až 4000 bit/s) využívá především anténu se středním ziskem a parabolickou anténu o průměru 0,6 m. Palubní počítač s procesorem RAD6000 využívá větší části operační paměti (RAM) o kapacitě 128 MB pro ukládání naměřených dat.

Z přístrojů jsou nadále využitelné:
1) analyzátor prachových částic s hmotovým spektrometrem podobného typu, jako byl kdysi na sondách Giotto a Vega (avšak s desetkrát větší sběrnou plochou) pro získání unikátních dat o chemickém složení jednotlivých submikrometrových částic v okolí kometárního jádra;

Analyzátor prachu na sondě Stardust

2) dvě dvojice detektorů prachových částic na ochranném štítě, jedna registrující malé částice až do hmotnosti pouhých 10-11 gramů a druhá monitorující vibro-akustickými senzory toky větších částic;
3) navigační kamera s osmipolohovým karuselem s filtry, jejíž optika pochází ze záložního exempláře sondy Voyager, avšak je vybavená modernějším detekčním prvkem typu CCD s maticí složenou z 1024×1024 bodů, vyvinutým pro sondu Cassini; s elektronikou, vyvíjenou pro vojenské družice Milstar.  

Kamera NavCam sondy Stardust

Tímto „bastlením“ bylo možné poměrně rychle (během 15 měsíců) a hlavně levně získat zobrazovací systém s rozlišení šesti metrů na vzdálenost 100 km, schopnou pořizovat na rychlý pohyb kompenzované snímky nejméně o řád lepší než kdysi ze sondy Giotto.

Sonda Stardust se pohybuje po heliocentrické dráze s oběžnou dobou asi 960 d ve vzdálenosti 138 milionů až 420 milionů km (její aktuální poloha je na zde). I když se pozornost loni upírala k pouzdru, které se vrátilo na Zemi, na hlavní těleso se nezapomnělo. Aparatura byla uložena do stavu elektronické hibernace, naposledy letos od 8. února do 13. srpna, kdy bylo se sondou znovu navázáno spojení na vzdálenost 284 milionů km. Podle další kontroly o tři dny později je v dobrém technickém stavu. 21. srpna začalo nahrávání nových povelů do palubního počítače. 

Stardust 12. září

O den později Stardust prolétl periheliem dráhy a na 19. září je plánován korekční manévr TCM-21. Změna rychlosti o pouhých 5 m/s zajistí, aby koncem ledna 2009 došlo k přesnému průletu kolem Země, využitelnému pro gravitační manévr. Tím bude sonda nasměrována k blízkému setkání s kometou Tempel 1 na vzdálenost několik set kilometrů od jádra dne 14. února 2011.

Poprvé tak bude táž kometa studována opakovaně s odstupem několika roků a poprvé uvidíme změny kometárního jádra, k nimž došlo při těsném přiblížení ke Slunci. Jeho mapování poskytne rovněž detailní informace o kráteru, vytvořeném na povrchu jádra impaktorem sondy Deep Impact, který však byl bezprostředně po vzniku zahalen oblakem kometárního materiálu.

Nás bude jistě obzvláště zajímat, že celý výzkumný program NExT řídí Dr. Joseph Veverka z Cornell University.

J.Veverka - šéf NExT

Jak jméno napovídá, je českého původu a narodil se roku1941 v Pelhřimově. Po nástupu komunismu celá rodina roku 1948 emigrovala nejprve do Francie a poté roku 1951 do Kanady, kde se usadila v severoontarijském městě Cochrane. Tam mladému studentíkovi učarovala tmavá, čistá noční obloha. „Co moje paměť sahá, zajímal jsem se o astronomii, kreslil si mapy oblohy a využíval každé příležitosti k pozorování“, vzpomíná. Absolvoval Queen's College v Kingstonu, graduoval a začal se připravovat k doktorátu z fyziky na Harvardu.

J. Veverka v 70. letech J. Veverka v roce 2006

Nepočítal s tím, že by se mohl uplatnit jako astronom. Avšak setkání s předním astronomem Williamem Lillerem, profesorem Fredem Whipplem a mladým Carlem Saganem mu změnila život. Whipple, slavný autor hypotézy o kometárních jádrech jako „špinavých sněhových koulích“ ho vzal pod svá ochranná křídla a Veverka se stal jeho doktorandem – a pokračovatelem.

J. Veverka s modelem sondy CONTOUR

Přes tři desítky let se zabývá fyzikou kometárních jader, je nadšeným příznivcem (kromě Mozartovy hudby) kosmického výzkumu, který umožnil rozvoj mj. i jeho oboru. „Měl jsem štěstí, takové příležitosti se každému nenaskytnou“, konstatuje. 

ing. Marcel GrünO autorovi:

Ing. Marcel Grün

Narodil se 20. listopadu 1946 v Chebu. Vystudoval fakultu strojní ČVUT a pokračoval pedagogikou.
Astronomií a kosmonautikou se zabývá téměř celý život; od 15 let byl demonstrátorem Štefánikovy hvězdárny. Od roku 1967 pracuje v Planetáriu Praha, nyní je ředitelem Hvězdárny a planetária hl. m. Prahy.

Věnuje se zejm. výuce a popularizaci astronomie, kosmonautiky a kosmického výzkumu. Na svém kontě má několik knih a byl oceněn i jako popularizátor vědy; od r. 1999 nese jeho jméno planetka č. 10443. Desítky let působil v různých funkcích v České astronomické společnosti, nyní je mj. členem Rady pro kosmické aktivity při MŠMT, předsedou Sdružení hvězdáren a planetárií a  předsedou dozorčí rady České kosmické kanceláře, u jejíhož zrodu stál.