Przed europejską sondą JUICE jeszcze bardzo długa droga zanim przybędzie w 2031 roku na Jowisza. Jednak przyszłość misji zależy też od milowych kroków jakimi są asysty grawitacyjne w kolejnych latach misji. Będzie ich cztery, a pierwsza już w sierpniu 2024 r.
Niedawno ESA przeprowadziła w większości udany pierwszy test orbitalny rakiety Ariane 6, połączony z wyniesieniem satelitów. To następczyni rakiety Ariane 5, która pod koniec 2021 r. wyniosła w kosmos teleskop kosmiczny Webb, a w kwietniu 2023 r. w swoim przedostatnim locie zapoczątkowała europejską misję JUICE. To akronim od nazwy JUpiter ICy moons Explorer, która jest pierwszą w historii misją skoncentrowaną na badaniach trzech lodowych Księżyców Jowisza - Ganimedesa, Kallisto i Europy.
Z czterech ksieżyców galileuszowych, które przez lornetkę dostrzeże nawet amator obserwacji astronomicznych, tylko Io nie jest interesującym celem dla misji JUICE.
To jednak nie jedyna ciekawa rzecz w przypadku tej sondy ESA. Inną jest sposób, w jaki dotrze ona do Jowisza w 2031 r., a wymaga on na pewnym etapie pomocy Ziemi i Księżyca.
Lot prosto do celu jest kuszącą, ale kosztowną perspektywą
Podróże do odległych planet możemy realizować na dwa podstawowe sposoby. Jeden to bezpośredni lot w stronę celu, tak jak ma to miejsce w przypadku misji na Marsa, a także miało miejsce w przypadku sond Voyager. Oczywiście te ostatnie wykorzystały ostatecznie asysty od planet gigantów by lecieć dalej, ale pierwsza część misji, dotarcie do Jowisza, odbyła się jako lot bezpośrednio do celu. Sondy nie poruszają się oczywiście po linii prostej, są to elipsy lub ich fragmenty, bo w przypadku podróży do innych ciał niebieskich ważne jest nie tylko dotarcie do celu, ale też dostosowanie momentu przylotu do chwili, gdy planeta znajdzie się w podobnej pozycji co sonda.
Jeśli chcemy oszczędzić paliwo w podróży sondy na inną planetę, często wymaga to pomocy natury, czyli tak zwanych asyst grawitacyjnych. Mówiąc inaczej sonda, nie leci bezpośrednio do celu, a trochę kręci się dookoła Słońca, przelatując w pobliżu planet, które stopniowo modyfikują jej orbitę. Oszczędność paliwa ma swoją cenę, wydłuża się czas podróży, nawet kilkukrotnie. Jednak czas to coś co można mieć praktycznie za darmo w przypadku badań innych planet, w przeciwieństwie do potężnej rakiety i pojazdu transferowego.
Na dodatek sonda musi mieć możliwość wejścia na orbitę danej planety, a nie tylko jej ominięcia, co robiły właśnie Voyagery. W praktyce wygląda to tak, jakby sonda dogoniła planetę w jej wędrówce wokół Słońca i po zahamowaniu zaparkowała na jej orbicie.
Sonda JUICE w trakcie przygotowań do misji. Jest duża, ale w żaden sposób nie dałoby się w niej zmieścić dziesiątek ton paliwa. (fot: ESA)
W przypadku bezpośredniego lotu na Jowisza wymaga to ogromnej ilości paliwa. Można je oszczędzić dostosowując orbitę pojazdu za pomocą asyst grawitacyjnych co stanowi drugi sposób podróży międzyplanetarnej. To dzieje się w przypadku sondy JUICE. Nie leci ona wprost na Jowisza, bo według obliczeń, taki lot wymagałby dodatkowych 60 ton paliwa, ewentualnie potężnej rakiety, a także dużo zapasów paliwa, by sonda zdołała potem wyhamować i wejść na orbitę wokół swojego celu. A JUICE w momencie startu ważyła tylko 6 ton, z czego dwie trzecie to właśnie paliwo.
Co to jest asysta grawitacyjna i jak to wygląda w przypadku JUICE
W trakcie asysty grawitacyjnej, sonda przelatuje blisko masywnego obiektu (planety, ale może to być też duży księżyc) tak, by nastąpiła modyfikacja trajektorii lotu, a czasem i prędkości, w pożądanym stopniu i kierunku. Zmiany są tu konsekwencją połączonego wpływu ruchu orbitalnego planety asystującej i jej grawitacji na przelatujący obiekt.
Planeta niejako chwyta nadlatującą sondę w niewidoczne dłonie swojej grawitacji, zakrzywia tor jej podróży, gdy sonda mija planetę i zmienia jej prędkość (zwiększa lub zmniejsza), a potem gdy sonda odlatuje zwalnia swój uścisk pozwalając sondzie na dalszą podróż w innym kierunku. Sonda zyskuje lub traci trochę energii kinetycznej, planeta jej trochę traci lub zyskuje, ale w związku z bardzo dużą jej masą w stosunku do masy pojazdu kosmicznego, wpływ asysty na planetę jest znikomy.
Nie tylko sondom zdarza się korzystać z asyst grawitacyjnych. Ziemię mijają także liczne asteroidy i niektóre przelatują na tyle blisko, że nasza planeta jest w stanie znacząco zmienić ich trajektorię. To dlatego konieczne jest monitorowanie pobliskich Ziemi asteroid, gdyż ich orbity mogą przy każdym zbliżeniu się do Ziemi się zmieniać, co utrudnia prognozowanie ich ruchu orbitalnego w dłuższej perspektywie.
Rozkład jazdy dla misji JUICE. Do 2031 r. trwa etap podróży, potem przez 3,5 roku sonda 35 razy przeleci w pobliżu Księżyców Jowisza, aby pod koniec 2034 roku zaparkować bezpośrednio na orbicie Ganimedesa. (fot: ESA)
Asysta grawitacyjna w przypadku sondy kosmicznej to przeciwieństwie do asteroidy działanie zamierzone i dokładnie wyliczone. Sonda JUICE będzie w ten sposób modyfikowała tor swojego lotu w drodze na Jowisza czterokrotnie. W sierpniu 2025 r. będzie to asysta od Wenus, we wrześniu 2026 r. i styczniu 2029 r. pomoże Ziemia. Najciekawsza jest jednak najbliższa asysta, już w sierpniu 2024 r., gdyż będzie to asysta łączona Księżyc-Ziemia.
Dokładny przebieg asysty grawitacyjnej Księżyca-Ziemi. To będzie hamowanie
W trakcie asysty grawitacyjnej w dniach 19-20 sierpnia sonda JUICE przeleci najpierw w pobliżu Księżyca, który odegnie jej tor lotu tak, by mógł on zawinąć się wokół Ziemi dzień później. JUICE zostanie w wyniku tej łączonej asysty wyhamowana, tak, by spadła do środka Układu Słonecznego w stronę Wenus, które przyśpieszy i wyrzuci z kolei JUICE w stronę Ziemi, ta jeszcze dwa razy ją „popchnie”. W efekcie orbita sondy zostanie rozciągnięta tak, by ostatecznie przeciąć się z orbitą Jowisza w 2031 r. Widać to na poniższej ilustracji.
Przelatując obok Księżyca, JUICE zbliży się do niego na 700 km o godzinie 23:16 19 sierpnia. Dobę później, 20 sierpnia o godzinie 23:57 sonda minie Ziemię w odległości 6807 km. Choć procedura wydaje się prosta, to była planowana przez wiele lat i podczas jej przeprowadzania, w dniach 17-22 sierpnia, lot JUICE będzie wyjątkowo dokładnie monitorowany. Jednym z krytycznych momentów będzie pół godziny tuż przed maksymalnym zbliżeniem się do Księżyca, gdy sonda będzie przez niego przesłonięta i kontakt przerwany. By asysta przebiegła poprawnie potrzebne będą drobne korekty toru lotu z pomocą silników sondy już w trakcie asysty.
Księżycowa część asysty JUICE w dniach 19-20 sierpnia 2024 r. (fot: ESA)
Ziemska część asysty JUICE w dniach 19-20 sierpnia 2024 r. (fot: ESA)
Naukowcy wykorzystają przelot sondy w pobliżu Księżyca, by przeprowadzić generalny test instrumentu RIME. To jeden z dziesięciu instrumentów JUICE, radar zdolny do spenetrowania lodowych księżyców Jowisza na głębokość do 9 km pod powierzchnią. A odpowiedź na pytanie co dokładnie kryje się we wnętrzu księżyców Jowisza, jest obecnie jedną z najbardziej oczekiwanych.
Czy będziemy mogli zobaczyć przelot JUICE na własne oczy?
Niestety dla mieszkańców Polski, ale też większości świata, przelot JUICE nie będzie wydarzeniem możliwym do bezpośredniej obserwacji. JUICE w trakcie przelotu wykona zdjęcia i to będzie dla nas najważniejszym dowodem wydarzeń, które nastąpią na ziemskiej orbicie kilka dni po tegorocznym maksimum letniego roju meteorów Perseidy.
Szczęście może dopisać z kolei mieszkańcom południowowschodniej Azji i terenu Oceanu Spokojnego, bo to właśnie nad tymi regionami JUICE zbliży się do Ziemi. Wciąż nie wystarczy gołe oko, ale lornetka czy teleskop mogą już wystarczyć. Dokładne informacje pojawią się na stronach ESA bliżej daty przelotu.
Źródło: ESA, inf. własna
Komentarze
5