Polska aparatura poleci badać księżyce Jowisza. "Z Układem Słonecznym nie ma dyskusji"

Stworzone przez Polaków instrumenty stanowią istotny element infrastruktury sondy badawczej, która poleci w Kosmos w ramach misji JUICE (JUpiter Icy moons Explorer). Sonda po trwającej ok. 7,5 roku podróży będzie badać okolice Jowisza i jego księżyców, w szczególności największego z nich - Ganimedesa, ale także Europy i Kallisto. Naukowcy mają nadzieję, że misja JUICE przybliży nas do uzyskania odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące Układu Słonecznego, w tym o możliwość występowania w nim życia. Jak przypuszczają badacze, pod powierzchnią niektórych księżyców Jowisza może znajdować się woda w stanie ciekłym.

Polskie urządzenia LP-PWI (Langmuir Probe – Plasma Wave Instrument) mają postać wysięgników z zamontowanymi czujnikami potencjału plazmy. Astronika stworzyła na potrzeby misji JUICE także drugi rodzaj mechanizmu, system anten pod nazwą RWI – Radio Wave Instrument. Oba urządzenia zostały stworzone jako część projektów realizowanych we współpracy z Instytutem Fizyki Plazmy w Uppsali, Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk oraz japońskim Tohoko University.

Grzegorz Jasiński: Zacznijmy od samej misji JUICE, kiedy się rozpoczyna i czemu służy?

Piotr Palma: Misja JUICE poleci wobec obecnego planu w czerwcu 2022 roku. To misja do lodowych księżyców Jowisza. Dlaczego w tamto miejsce, dlaczego do tych ciał niebieskich? Dlatego, że to są bardzo interesujące obiekty. Z trzech powodów. Jeden powód to kwestia samego układu Jowisza, który jest gazowym gigantem. Lepsze poznanie środowiska takiej planety i księżyców, które jej towarzyszą, sprawi, że nasza wiedza o planetach gigantach będzie coraz większa. A dość dużo takich planet odkrywamy w układach pozasłonecznych. Zrozumienie układu Jowisza pozwoli nam lepiej rozumieć te nowo odkrywane światy, gdzieś tam daleko. Kolejny powód skupia się już bardziej na samych księżycach. One zostały wytypowane, bo badania wskazują na to, że mogą mieć pod powierzchniami oceany, płynną wodę. W związku z tym są miejscami potencjalnie zamieszkiwanymi, potencjalnymi siedliskami. Ten aspekt, możliwość istnienia tam warunków pozwalających podtrzymać życie, jest powodem, dla którego ich eksplorowanie jest tak interesujące. Bardzo istotne jest również to, że jeden z księżyców Jowisza, Ganimedes, ma swoją własną małą magnetosferę. To jest dla księżyców nietypowe. To powoduje, że jego środowisko, interakcje z Jowiszem są bardzo interesujące i rozbudowane. Lepsze zrozumienie relacji magnetycznych między Jowiszem a Ganimedesem powoduje, że mamy dodatkową wiedzę i możemy lepiej zrozumieć choćby relacje Ziemi ze Słońcem, to znaczy naszej magnetosfery ze Słońcem. Jeśli patrzymy właśnie z tej, elektromagnetycznej perspektywy, to jest szereg takich cech układu Jowisz - Ganimedes, które powodują, że możemy mówić, że to jest miniatura niektórych interakcji elektromagnetycznych, które Ziemia ma ze Słońcem. Czy też Słońce z Ziemią, bo to Słońce jest tu dominujące, jeśli rozpatrujemy interakcje w plazmie, to co między innymi będzie badać misja JUICE. Interakcje plazmy z polem magnetycznym i zachowanie się emisji radiowych z plazmy jest tym, co będą mierzyć przyrządy, które są konstruowane w Astronice.

Co to za aparatura? Proszę więcej o niej powiedzieć.

Przyrządy, które budujemy, to są w sumie cztery urządzenia, które mają być na zewnątrz satelity i zbierać sygnały. Stanowią one część większego zespołu przyrządów, są połączone z komputerem sterującym, z układami zbierającymi dane z tych urządzeń. To tam następuje obróbka tych pomierzonych danych. Zespół, który dostarcza te przyrządy, to jest konsorcjum badawcze RPWI, prowadzone przez szwedzki Instytut Fizyki Plazmy w Uppsali. Przyrządy, które my dostarczamy to te, które mają złożoną budowę mechaniczną, w których są poruszające się mechanizmy. Urządzenia, które budujemy mają tę cechę, że są w chwili startu poskładane w stanie zamkniętym i zblokowanym, natomiast po osiągnięciu orbity i przejściu wstępnych testów się rozkładają, rozsuwają, stają się dużo większe. To jest to, w czym się specjalizujemy. Mechanizmy pozwalające na rozsuwanie, rozkładanie czujników. Cztery wysięgniki o długości rzędu 3 metrów, które mają na końcu tzw. sondy Langmuira, sprawiają, że czujniki mogą być odsunięte od samego satelity i umożliwiają wykonywanie pomiarów pola elektrycznego. Dzięki temu, że sondy są cztery, sięgają w różnych kierunkach, możemy zbadać zachowanie pola elektrycznego w zależności od tego, z jakiego kierunku obserwację wykonujemy. Nie jest to pomiar jednopunktowy, który pozwala określić tylko wielkość, ale pozwala zbadać także kierunek, w jakim to pole się układa. Czwarty przyrząd, który budujemy to zestaw anten kierunkowych, które w czasie startu też będą złożone i będą zajmować ok. 30-40 centymetrów, a po starcie, po wejściu na orbitę rozłożą się na trzy anteny ustawione prostopadle, z których każda ma 3 metry. Takie ustawienie anten, w trzech wymiarach, pozwala na zbieranie fal radiowych i rozróżnianie, z jakiego kierunku przybyły. W przypadku badań do jakich przyrząd RWI jest skonstruowany, czyli właśnie badań plazmy, możliwość mierzenia emisji radiowych pozwala ustalić z jakiego kierunku przychodzą. A różnych emisji w rejonie Jowisza i jego księżyców jest wiele. Mówiąc o emisjach, mam na myśli takie zjawiska, jakie towarzyszą na Ziemi zorzom polarnym. W starszych odbiornikach radiowych, które można było ustawić na inne częstotliwości niż UKF, przy silnych zjawiskach na Słońcu, kiedy magnetosfera Ziemi zachowuje się nieco inaczej, można je było usłyszeć. Przyrząd RWI, który leci na misji JUICE w kierunku księżyców Jowisza, będzie miał możliwość odbierania takich fal i ustalania, z których miejsc na księżycach, czy na Jowiszu takie emisje pochodzą.

Szczególnie istotnym elementem projektu kosmicznego, poza samą budową urządzenia, jest proces jego testowania. Ta aparatura musi być wyjątkowo niezawodna...

Misja startuje w 2022 roku, ale prawie 7,5 roku będzie lecieć na miejsce, gdzie zacznie swoje pomiary. Testowanie takich urządzeń na misje, które mają być tak długoletnie jest szczególnie ważne. My jesteśmy przyzwyczajeni, że dostajemy gwarancję na kupowane urządzenie, 2-3 lata. To nasze urządzenie dopiero po 7,5 latach od wystrzelenia zacznie zbierać dane. Tu mówimy o trwałości o rzędy wielkości większej niż dla większości urządzeń na Ziemi. Testy są rzeczywiście istotnym elementem zapewniającym, że to się uda, że trwałość tych urządzeń będzie wystarczająca. Testy dzielą się zwykle na dwie fazy. Jedna to są tzw. testy kwalifikacyjne, które pozwalają stwierdzić, że to urządzenie będzie zdolne zrealizować stawiane przed nim cele. Te testy prowadziliśmy w poprzednich latach. Sprawdzają one taki przyrząd w nawet szerszym zakresie czynników niż te, na które będą potem wystawione. Takimi czynnikami są temperatura, radiacja, wysoka próżnia, również wibracje. To, co jest szczególnie istotne z punktu widzenia mechanizmów, to jest poprawne przejście przez fazę startu rakiety, która jest niezwykle brutalna. Poziom wibracji, jakim są poddawane urządzenia zamontowane na satelicie i sam satelita jest potworny, to są bardzo gwałtowne wstrząsy o dużych częstotliwościach. Jeśli wyobrazimy sobie, że rakieta jest jednym wielkim ładunkiem wybuchowym, który przez kilkanaście minut ciągle gdzieś tam na dole płonie, możemy sobie wyobrazić, że wibracje są olbrzymie. Poprawne przejście testów wibracyjnych jest kluczowe. Po testach wibracyjnych mówi się: sprawdzam i testuje się, czy urządzenia poprawnie wykonują swoje działania, czy poprawnie się poruszają, otwierają. To taki moment prawdy. Druga faza testów, które przechodzi każdy mechanizm, to są testy akceptacyjne. One są wykonywane na tym konkretnym egzemplarzu, który zostanie przekazany do instalacji na satelicie. Przez to, że te testy kwalifikacyjne są zwykle cięższe niż warunki, w których potem będzie działało urządzenie, wyższe wibracje, większa rozpiętość temperatur, tamte testy wykonuje się zwykle na innym egzemplarzu. Ten egzemplarz, który docelowo leci, tzw. egzemplarz lotny, jest poddawany późniejszym testom akceptacyjnym. To jest ta faza, w której jesteśmy teraz. Dla części naszych mechanizmów te testy zostały zakończone i mechanizmy są oddane. Jeden z mechanizmów, który ma być oddany później, właśnie przechodzi te testy. Wraca do nas z testów termicznych i próżniowych, będziemy wykonywać dalsze, jeszcze przed świętami.

Wiemy, że w otwartej przestrzeni kosmicznej temperatura jest bardzo niska, ale państwa urządzenia przechodzą też testy w wysokiej temperaturze. Dlaczego?

Po pierwsze, w Kosmosie nie mamy takich możliwości chłodzenia satelity i urządzeń na nim zamontowanych, jakie mamy na Ziemi. Mamy natomiast jeszcze większe natężenie światła słonecznego, bo nie ma tam atmosfery. A chłodzenie w Kosmosie nie jest prostą sprawą. Po drugie, misje kosmiczne na tak długie odległości korzystają często z tak zwanych asyst grawitacyjnych. To rozpędzanie satelity z pomocą grawitacji planet mijanych po drodze. Misja JUICE będzie wykorzystywać asystę grawitacyjną Wenus, która jak wiemy jest dużo bliżej Słońca niż Ziemia. Jest to miejsce, gdzie satelita będzie nagrzewany znacznie bardziej niż tu na orbicie ziemskiej zaraz po starcie rakiety. Dla misji JUICE bardzo charakterystyczne jest to, że należy się spodziewać nie tylko bardzo niskich temperatur w układzie Jowisza, ale i tych bardzo wysokich po drodze, przy mijaniu Wenus. To się wydaje dość nieintuicyjne, że najpierw lecimy bliżej Słońca, żeby potem dolecieć dużo dalej, bo Jowisz jest jednak pięciokrotnie dalej od Słońca niż Ziemia. Ale tak planuje się współcześnie misje i jest to dużo korzystniejsze, niż próba dostania się do Jowisza tylko na napędzie z paliwa w rakiecie. Nawet jeśli oznacza to, że wstępnie trzeba polecieć dalej od Jowisza, bo zbliżenie do Wenus jest chwilowym oddaleniem od ostatecznego celu po to, by tam nabrać prędkości i sprawniej dotrzeć do Jowisza. 

Jaki wpływ na państwa pracę miała pandemia koronawirusa? W takim projekcie na opóźnienia nie można sobie pozwolić...

Kwestia ewentualnych opóźnień w takiej misji jest zupełnie inna niż w projektach naziemnych. Nawet jeśli tu buduje się wielką zaporę czy nowy port, bariery dotyczące opóźnień podyktowane są czynnikami, które zależą od ludzkiej decyzji. W przypadku misji kosmicznych czas startu jest precyzyjnie dobrany ze względu na wzajemne położenie planet. Żeby można było skorzystać z tych asyst grawitacyjnych po drodze, trzeba wyruszyć nie tylko w odpowiedniej fazie roku ziemskiego, ale całego cyklu obiegu planet wokół Słońca. Tu nie ma żadnej dyskusji. Z inwestorem na budowie, który chce mieć oddany hotel w terminie można jeszcze dyskutować, ale z Układem Słonecznym nie ma dyskusji, trzeba zdążyć na określony moment, kiedy planety są w określonym układzie. By cała misja JUICE mogła się odbyć, bardzo dużo wysiłku włożono w to, by te skutki utrudnień zminimalizować. Bardzo dużo pracy odbywa się zdalnie w ten sposób, że zespół, który miał testować urządzenie, przekazuje urządzenie do testów zespołowi, który obsługuje urządzenia testowe, w przypadku testów temperaturowych i próżniowych, komory próżniowe. Dzięki dokładnie opisanym procedurom postępowania oraz możliwości uczestniczenia zdalnie w pracach tego zespołu testującego, zespół który konstruował ten przyrząd i przeprowadza te testy, jest w stanie asystować zespołowi, który faktycznie te testy przeprowadzi, mimo że pierwotnie nie było takiego planu. To się udaje. Wymaga to trochę innego planowania, ale zdaje egzamin. To się sprawdza. Dzięki temu jesteśmy w stanie przeprowadzić ten projekt w taki sposób, który nie wpływa na datę oddania tego urządzenia.

Wiem, że nie uczestniczył pan w pracach nad Kretem, który poleciał z sondą InSight na Marsa, ale chciałbym zapytać, jak doświadczenia poprzednich projektów wpływają na kolejne...

To, o czym pan wspomniał, czyli wpływ poprzednich projektów na obecne i przyszłe jest tak istotny, że trudno go oddzielić i powiedzieć, jak mógłby wyglądać projekt, gdyby nie było tych poprzednich. Doświadczenia są tu istotne na wszystkich poziomach, we wszystkich aspektach takiego projektu. Chodzi o tworzenie coraz lepszych projektów ze strony czysto inżynierskiej, dobór materiałów, rozwiązań technicznych, metod zapewnienia jakości, prowadzenia testów. Wszystko to, co zostaje zrealizowane w poprzednich projektach, wnosi wiedzę do następnych. Dotyczy to choćby organizacji projektu, przeprowadzania dokumentacji, której jest bardzo wiele. Ilość dokumentacji w projekcie kosmicznym jest bardzo duża właśnie dlatego, że każde z tych urządzeń jest w zasadzie jedyne w swoim rodzaju. Relatywnie rzadko zdarza się, żeby to samo urządzenie było zbudowane kilkukrotnie. Jednocześnie musi być taka możliwość, żeby to urządzenie ponownie móc wykonać. Objętość i szczegóły dokumentacji są bardzo obszerne. Takie aspekty też są przenoszone, stanowią wiedzę istotną przy kolejnych projektach. Uczymy się zarówno technicznych rzeczy - i przenosimy je do nowych projektów - jak i jakościowych, czy organizacyjnych, na każdym poziomie projektu.