Na Słońce śpiesz się powoli - misja NASA Parker Solar Probe w szczegółach

Kilka dni temu z jednodniowym poślizgiem wyruszyła w kierunku Słońca sonda Parker Solar Probe. Wczesniej nazywana inaczej - Solar Probe Plus, ale przemianowaną jej nazwę by uczcić 91 letniego pioniera badań wiatru słonecznego. W tytule napisałem na Słońce spiesz się powoli, co jest w pewnym sensie zaprzeczeniem słów wylewających się z licznych doniesień prasowych o najszybszym statku kosmicznym w historii, ale też wskazuje na kilkudziesięcioletnią historię badań Słońca, która poprzedziła lot Parker Solar Probe.

Nie ma też powodu by prześcigiwać się w doniesieniach o starcie sondy. Bo to samo w sobie jest mało znaczącym faktem - ważne że się udało. Istotniejsze i ciekawsze jest dokładne wyjaśnienie dlaczego Parker Solar Probe stanie się najszybszym ziemskim pojazdem w dziejach (w pewnym momencie osiągnie prędkość ponad 700 000 km/h), po co tak naprawdę leci ku Słońcu i dlaczego nie jest to trywialne zadanie. Bo dotarcie choćby w pobliże Słońca, tak jak Parker Solar Probe, który za ponad sześć lat zbliży się na około 6,16 miliona kilometrów od powierzchni Słońca (uznajemy za nią warstwę fotosfery, która widzimy za dnia) wymaga skomplikowanych zabiegów.

Parker Solar Probe z rozłożonymi panelami słonecznymi na orbicie Ziemi (wizja)

Na Słońce nie możemy polecieć prosto niczym rakieta wystrzelona w jednej ze scen filmu Star Trek: Pokolenia. Taki lot byłby przy zastosowaniu obecnych technologii napędowych bardzo trudny do zrealizowania i nieefektywny.

Obecni rekordziści i kilka liczb

Dotychczas najbliżej słońca trafiła sonda Helios 2, która w 1976 roku znalazła się 43,5 miliona kilometrów od Słońca. To siedem razy dalej niż osiągnie w momencie największego zbliżenia Parker Solar Probe, ale też 3/4 średniej odległości Merkurego od Słońca, która wynosi około 58 milionów km. Każdy kolejny milion kilometrów mniej wymaga dużych nakładów energetycznych.

Parker Solar Probe będzie też koniec końców najszybszy. Tę maksymalną prędkość będzie osiągał w punkcie swojej orbity, który leży blisko Słońca. Można powiedzieć, że sonda Parkera stanie się bardzo krótkookresową kometą wokółsłoneczną o orbicie sięgającej w aphelium (najdalszy jej punkt od Słońca) nieznacznie poza orbitę Wenus.

Parker Solar Probe zbliża się do Słońca (wizja)

Wydawałoby się, że najszybsze pojazdy badające i przemierzające Kosmos to sondy wysłane ku zewnętrznym rubieżom Układu Słonecznego. Pionier 10 mijając Jowisza osiągnął w 1972 roku prędkość 52 000 km/h, New Horizons pędzi obecnie ku swojemu kolejnemu celowi z prędkością 58 000 km/h, a Voyager 1 ucieka z prędkością 61 000 km/h.

Dla porównania druga prędkość kosmiczna dla startujących z Ziemi pojazdów wynosi nieco ponad 40 000 km/h (celowo podaję w tym jednostkach, a nie w km/s), a trzecia, czyli ta, która pozwala pokonać grawitację Słońca to dla startujących z Ziemi pojazdów około 60 000 km/h (w przypadku innych planet będą to inne wartości). Wiatr słoneczny, który stanowi cel badań sondy porusza się z kolei z prędkością 1,8 miliona km/h.

Historia badań Układu Słonecznego zna dużo szybsze pojazdy niż New Horizons, lecz osiągane przez nie prędkości nie są utrzymywane stale, a tylko chwilowo. Wspomniana sonda Helios 2 osiągnęła prędkość 241 000 km/h, z kolei w pewnym momencie sonda Juno została przyśpieszona przez grawitację Jowisza do 266 000 km/h.

Jak należy lecieć na Słońce i jak to zrobi sonda Parkera

Parker Solar Probe osiągnie prędkość prawie trzy razy większą niż sonda Juno i będzie to konsekwencją planowanego bliskiego Słońcu przelotu. Jednak określenie najszybszy w historii pojazd kosmiczny należy rozumieć nieco inaczej. Otóż lot na Marsa wymaga około 55 razy mniejszych nakładów energii (które można też przełożyć pośrednio na powiązaną z tym prędkość) niż lot do Słońca.

Każdy obiekt, który opuszcza Ziemię zachowuje składową prędkości jaką nadaje mu Ziemia w swoim ruchu obiegowym wokół Słońca. To aż 108 000 km/h.

Ten fakt sprawia, że Ziemia nie spada na Słońce, choć stanowi ono ponad 99% masy Układu Słonecznego, ale też utrudnia obranie trajektorii wprost na Słońce, za to ułatwia lot ku planetom zewnętrznym. Musimy zniwelować znaczącą część wspomnianej prędkości, która sprawia, że normalnie wysłana ku Słońcu sonda okrążyłaby je raz i to wcale w nie tak niewielkiej odległości, a potem odleciała w siną dal.

To ten fakt jest najważniejszy w tej chwili, istotniejszy niż rekordowa prędkość, którą w końcu osiągnie Parker Solar Probe. Fakt, że jedna ze składowych prędkości zostanie zmniejszona o około 85 000 km/h.

By zrozumieć o co w tym wszystkim chodzi pomocne jest poniższe wideo przygotowane przez NASA.

Parker Solar Probe został wyniesiony na orbitę w niedzielę 12 sierpnia 2018 roku przez rakietę Delta IV Heavy. Teraz sondę czeka orbitowanie wokół Słońca. W ciągu siedmiu lat, wykonane zostaną 24 obiegi (ostateczny okres orbitalny wyniesie 88 dni), w trakcie których wykorzystane będą grawitacyjne asysty ze strony Wenus (siedem razy), by zawęzić orbitę.

Orbity Parker Solar Probe - stopniowo coraz ciaśniejsze

Wydłużona orbita Parker Solar Probe będzie stopniowo zmniejszać swoje peryhelium (najbliższy Słońcu punkt), aż osiągnięte zostanie rekordowe zbliżenie i rekordowa prędkość. Zresztą już przy pierwszym obiegu znajdzie się dużo bliżej niż jakikolwiek inny pojazd z Ziemi.

Ale czyż nie wiemy o Słońcu już wszystkiego?

Szczęśliwym zbiegiem okoliczności Słońce jest gwiazdą, a gwiazdy to bardzo powszechne obiekty w Kosmosie, których zrozumienie jest bardzo ważne. Nie tylko dla wyjaśnienia zagadnienia ewolucji tego typu obiektów, ale też by móc skuteczniej przewidywać tak zwaną kosmiczną pogodę. Zakłócenia, których źródłem jest wiatr słoneczny i związane z nim zjawiska na Słońcu, mają duży wpływ na funkcjonowanie naszej cywilizacji. Zarówno w skali globalnej (zagrożenia dla technologii, szczególnie elektroniki umieszczonej na orbicie z dala od Ziemi) jak i pojedynczych jednostek (czyli nie tak zwykłe bóle głowy itp., potencjalne zagrożenia w trakcie misji międzyplanetarnych).

Badania Słońca powiązane z procesami zachodzącymi w jego wnętrzu i na powierzchni, które wybiegają poza naziemne obserwacje (tak zwany cykl słoneczny, związany z liczbą plam na powierzchni Słońca, odkrył w 1843 roku Samuel Heinrich Schwabe), prowadzone są od dość niedawna (pierwsze znane nam obserwacje plam słonecznych wykonał Galileusz).

Słońce nie świeci jedynie w świetle widzialnym, w jego widmie obecne są również podczerwień, ultrafiolet, a nawet promieniowanie rengenowskie. Wysyłane są także wiązki promieniowania gamma.

Mimo to dowiedzieliśmy się o Słońcu już sporo. W XX wieku zaczęto stosować tak zwane koronografy (dzięki nim mamy sztuczne zaćmienia Słońca), a w kierunku centrum Układu Słonecznego wysłano pierwsze sondy badawce.

Wiemy skąd bierze się emitowana przez nie obecnie energia (reakcje przemiany wodoru w hel w pobliżu podgrzanego do kilkunastu milionów stopni C jądra Słońca), jak jest transportowana do powierzchni (wewnątrz promieniście, w zewnętrznych warstwach za pomocą konwekcji), czym są zjawiska, które sprawiają, że powierzchnia Słońca jest tak aktywna (ludzkie oko tego niedostrzega), potrafimy w przybliżeniu ocenić jego wiek (niespełna 5 miliardów lat, jeszcze przed półmetkiem) i przyszłość (stanie się białym karłem). Wydawałoby się, że więcej wiedzieć nie musimy. A jednak…

Okazuje się, że nie

… wiedza rodzi również pytania. Pytania dlaczego słoneczna korona (poświata, którą widać w momencie całkowitego zaćmienia Słońca) jest tak gorąca (fotosfera, czyli warstwa Słońca, która emituje światło odpowiedzialne za postrzeganą temperaturę barwową ma około 5500 stopni C, a leżąca na zewnątrz korona jest podgrzewana do milionów stopni C), w jaki sposób wiatr słoneczny jest przyśpieszany, a także czy proces jego powstawania jest ciągły. Liczymy też na poznanie najwcześniejszego etapu powstawania wiatru słonecznego, blisko Słońca i roli jaką odgrywają znane nam już zjawiska.

Korona widoczna podczas zaćmienia Słońca

Odpowiedź na te pytania można wysnuć jedynie z danych zebranych w pobliżu naszej dziennej gwiazdy. Dane te będą zbierać następujące instrumenty sondy Parker Solar Probe.

• FIELDS - pomierzy fale i pola elektryczne i magnetyczne w sąsiedztwie sondy, dane będą zbierane bez przerw co pozwoli stworzyć dokładne modele zjawisk zachodzących w wewnętrznej heliosferze (ta część otoczenia Słońca, gdzie wiatr słoneczny dominuje)
• WISPR - instrument najbardziej interesujący z perspektywy medialnej, zobrazuje w 3D niezwykle spektakularne koronalne wyrzuty materii i podobne im zjawiska
• SWEAP - to eksperyment, którego celem jest „policzenie” wiatru słonecznego, stworzenie dokładnych statustyk dla cząstek go tworzących, które obejmują pomiary prędkości, temperatury i gęstości promieniowania
• ISʘIS - to narzędzie z kolei zajrzy w przeszłość wiatru słonecznego mierząc rozkład energii emitowanych cząstek, w ten sposób spodziewamy się ostatecznie rozwiązać tajemnicę powstawania wiatru słonecznego

Laikowi takie pomiary mogą z początku wydawać się sztuką dla samej sztuki. Żyjemy jednak w takich czasach, w których natura mocno daje się nam we znaki. Paradoksalnie, mimo rozwoju cywilizacyjnego dotarliśmy do momentu, w którym jesteśmy od natury uzależnieni bardziej niż kiedykolwiek w historii. Dlatego konieczne jest jej dokładne zrozumienie, a nasze Słońce odgrywa tu ważną rolę. Poza tym, skoro Słońce jest gwiazdą, badając je przyczyniamy się do poznania całego Wszechświata.

Idea misji Parker Solar Probe jest starsza niż Intel

W 1958 roku astrofizyk Eugene Parker napisał przełomowy artykuł, w którym zasugerował istnienie wiatru słoneczego. Miał rację, a świat nauki szybko zrozumiał, że kiedyś misja pokroju Parker Solar Probe musi mieć miejsce. Kiedyś, bo dopiero 10 lat później w 1968 roku powstała firma Intel.

Wiemy jak długą drogę przeszła technologia mikroprocesorów, by stały się one super wydajnymi jednostkami obliczeniowymi. Równie długo musieli czekać naukowcy, by dostępne technologie pozwoliły skonstruować odpowiedni pojazd.

Sonda Parker Solar Probe w laboratorium

Sonda, która wytrzyma prawdziwe piekło

Parker Solar Probe kształtem przypomina kieliszek i na tym kończą się podobieństwa. Bo kieliszek w warunkach jakie panują w sąsiedztwie Słońca (panujący tam żar rozgrzeje zewnętrze sondy do 1400 stopni C) stopiłby się, a sonda musi nadal funkcjonować. Kieliszek uniesiemy w dłoni, a sonda choć nie tak ciężka jak inne pojazdy kosmiczne ważyła 685 kilogramów (w dniu startu) i ma 3 metry wzrostu.

Cenną elektronikę (która utrzymywana będzie w trakcie misji w temperaturze nie przekraczającej 30 stopni C) chroni specjalna osłona o grubości 11,5 cm i średnicy 2,3 metra (zwrócona stale w stronę Słońca). Wykonano ją w technologii warstwowej (przydaje się nie tylko w elektronice) z kompozytu węglowego, który poradzi sobie z temperaturami 1650 stopni C. Testy przeprowadzono w piecu słonecznym.

Ale nie wszystkie elementy sondy będą w ten sposób chronione. Część kieliszkowa, która jest instrumentem mierzącym strumienie jonów i elektronów, wykonana jest ze stopu molibdenowego, który radzi sobie z jeszcze wyższą temperaturą - topi się dopiero w 2349 stopniach C. Wykorzystano również elementy wolframowe, a do naniesienia wykorzystujących je ścieżek stosowano kwas. Elektronika komunikuje się z pomocą przewodów wykonanych z niobu, które zawieszono w wykonanych z szafirowego kryształu rurkach.

To nie wszystko. Panele słoneczne, które zapewnią 388 W, mniej niż niejeden zasilacz dla komputera, nie będą rozłożone stale. W momentach maksymalnego zbliżenia do Słońca, zostaną złożone, a tylko ich cześć odporna na silne promieniowanie będzie generować energię.

Testy paneli słonecznych, które oświetlane są laserami

Wiemy jak skuteczna w chłodzeniu komputerów potrafi być woda. Okazuje się, że w misji Parker Solar Probe również jest to najlepszy czynnik chłodzący. Szczególnie ze względu na duży kontrast temperaturowy w przypadku chłodzonych elementów - od 10 do 125 stopni C. Na pokładzie sondy znajdzie się 3,7 litra destylowanej wody pod ciśnieniem (zwiększa to jej temperaturę wrzenia ponad 125 stopni C).

Komunikacja z sondą i autonomiczne sterowanie

Jakby atrakcji było jeszcze mało, Parker Solar Probe nie będzie stale skomunikowany z Ziemią. Sporą część misji będzie musiał wypełnić samodzielnie, dlatego skupiono się na autonomicznym sterowaniu. Wykorzystano w tym celu liczne czujniki stanu sondy, by nie dopuścić do uszkodzenia elektroniki w warunkach gdy promieniowanie słoneczne jest 475 razy intensywniejsze niż na orbicie wokółziemskiej.

Maksymalna prędkość przesyłania danych to 555 kbps (ale może być to tez mniej, nawet tylko 167 kbps). Na szczęście dzięki pracy przez 24 godziny na dobę w trakcie okien komunikacyjnych nie przeszkodzi to w transferze danych. Będą też etapy, w trakcie których sonda jedynie trzy razy w tygodniu wyśle jedynie sygnał wskazujący na jej status, resztę załatwi wspomniana autonomia.

No i poleciała (fot: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman)

Pierwsze „dotknięcie Słońca” będzie miało miejsce już jesienią (3 miesiące po starcie) w odległości 24,1 miliona kilometrów od naszej gwiazdy.

Źródło: NASA, fot:NASA/Johns Hopkins APL, inf. własna