14.5 C
Craiova
vineri, 29 martie, 2024
Știri de ultima orăMagazinMisiunea Herschel-Planck, călătorie spre originile Universului

Misiunea Herschel-Planck, călătorie spre originile Universului

Agenţia Spaţială Europeană a lansat joi, 14 mai, cel mai important proiect spaţial din ultimii ani, misiunea dublă Herschel-Planck. Este vorba de doi sateliţi ştiinţifici care au costat împreună 1,9 miliarde de euro şi ale căror origini datează de acum 20 de ani. A fost un efort internaţional susţinut de ESA, NASA, Thales Alenia Space, Astrium Space, Danish Space Centre, Netherlands Institute for Space Research, Max Planck Institute, Cardiff University, Saab Space etc.

Lansarea s-a efectuat la bordul unei rachete Ariane5, versiunea ECA, singurul lansator comercial capabil să ridice încărcătura totală de şase tone, compusă din două platforme diferite (sateliţii împreună cu echipamentul de integrare şi protecţie aferent). Lansarea, botezată „Ariane188“, a marcat astfel cel de-al 44-lea zbor efectuat de o rachetă Ariane5. În vârful rachetei este integrată structura internă SYLDA, ce încadrează cei doi sateliţi (Herschel deasupra, Planck dedesubt) şi structura de protecţie termică pentru zbor, dezvoltată de compania Oerlikon Space. Conform secvenţei de zbor, la ora 13.12 GMT, ArianeSpace a dat semnalul pornirii motoarelor rachetei din complexul numărul 3 din Kourou Guiana Franceză, acolo unde se află centrul de control al lansării. La şapte secunde după pornirea motorului criogenic principal, cele două boostere cu combustibil solid au fost, la rândul lor, pornite, marcând desprinderea de sol. Racheta a urcat vertical timp de aproximativ şase secunde, apoi a continuat ascensiunea într-un plan paralel cu cel ecuatorial, păstrând incidenţa traiectoriei. În acest fel se face uz de viteza suplimentară imprimată de rotaţia naturală a Pământului şi se minimizează încărcarea aerodinamică asupra rachetei în timpul traversării atmosferei.
După 2 minute şi 18 secunde de la lansare, cele două boostere externe s-au desprins de corpul rachetei, urmate la 4 minute şi 3 secunde de desprinderea protecţiei externe. Prima treaptă s-a oprit din funcţionare la 8 minute şi 55 de secunde, la o altitudine de 214 km şi o viteză relativă de 7.032km/s, detaşându-se şase secunde mai târziu şi căzând înapoi pe Pământ în apropierea coastei africane a Oceanului Atlantic (în Golful Guinea).
Etajul superior a continuat ascensiunea rachetei până la T0+24,5 minute, realizând o injecţie în orbită la altitudinea de 852 km şi viteza relativă de 9,967km/s. Un minut şi 29 de secunde mai târziu a urmat separarea satelitului Herschel la o altitudine de 1.100 km, iar patru minute mai târziu separarea lui Planck la o înălţime de 1.700 km.
După aproximativ încă zece minute, staţiile de sol ale agenţiei europene au recepţionat primele date ale sateliţilor, marcând astfel începutul aşa-numitei faze operaţionale LEOP (Launch and Early Orbit Phase) şi transferul operaţiunilor către centrul spaţial european din Germania.

Începutul misiunii

În primele zile ale misiunii, pentru ambii sateliţi vor urma manevre succesive de corecţie orbitală cu ajutorul motoarelor de bord. Prin aceste acţiuni în stadiul incipient al misiunilor se intenţionează anularea perturbaţiilor induse de rachetă la lansare şi minimizarea efortului (combustibilului consumat) pentru atingerea orbitei finale în jurul punctului lagrangian L2.
Cea de-a doua fază a misiunii care va urma este aşa-numita „commissioning phase“, atunci când sistemele de bază ale satelitului sunt setate pentru funcţionare nominală şi sateliţii vor începe călătoria lor de aproximativ două luni către destinaţia finală. Ultima fază va fi cea operaţională, atunci când sateliţii parcaţi pe orbita lor normală vor începe să furnizeze primele date ştiinţifice.
Herschel va funcţiona pentru minimum trei ani şi jumătate, iar Planck va avea o durată de viaţă de minimum 21 de luni, cele două misiuni fiind construite pe o platformă ce integrează sistemele de bază care asigură funcţionarea instrumentaţiei ştiinţifice de la bord. Analogia se opreşte însă aici, cei doi sateliţi fiind fundamental diferiţi, nu doar ca investigaţie ştiintifică, ci şi ca operare, orbită etc.

Orbite ale Terrei

Ambii sateliţi vor orbita în jurul punctului Lagrange L2 al sistemului Soare-Pământ/Lună, Herschel pe o orbită înaltă cu amplitudinea de 800.000 km, iar Planck pe o orbită joasă, cu amplitudinea de 400.000 km. Punctul L2 descoperit în 1772 de matematicianul francez Louis Lagrange este un punct imaginar în spaţiu, localizat la 1,5 milioane km în spatele Pământului pe linia ce uneşte Terra de Soare şi unde forţele de atracţie gravitaţională se anulează. Orbitele Lissajous în jurul punctului L2 au fost pentru prima dată aplicate în practică odată cu lansarea misiunii WMAP a NASA, care gravitează şi astăzi L2. În trecut, misiunile de acest gen (observaţii în infraroşu) aveau de obicei orbite heliocentrice în jurul Pământului, dar acestea sufereau de interferenţe majore asupra instrumentelor ştiinţifice din cauza radiaţiei terestre, ceea ce înseamnă că aveau perioade destul de mari de inactivitate (asemenea misiunilor mai vechi ISO, Most, Corot, Kepler, Spitzer etc). În contrast, orbitele plasate în apropierea L2 asigură un mediu extrem de stabil important în special pentru investigaţii cu privire la originile Universului – aşa- numitul „cold Universe“.
Cu Pământul şi Soarele aflate întotdeauna în aceeaşi direcţie, se poate obţine o protecţie naturală faţă de interferenţa radiaţiei luminoase în planul focal al telescopului. Temperaturile externe scăzute din spaţiul cosmic aduc, de asemenea, o contribuţie importantă la păstrarea echilibrului termic al echipamentului electronic. Pe măsură ce Pământul îşi realizează traiectoria anuală în jurul Soarelui, punctul L2 (şi implicit sateliţii) se deplasează în spaţiu acoperind 360 de grade în planul galactic.
Agenţia europeană va folosi pe viitor intensiv acest tip de orbită pentru misiunile sale (de exemplu, Gaia şi Darwin), la fel ca şi agenţia americană NASA pentru JWST (James Webb Space Telescope).
Pe lângă avantajele enumerate, există totuşi şi dezavantaje ale orbitelor de acest fel: în principal, ele sunt instabile, orice perturbaţie fiind amplificată exponenţial. De aceea, ele trebuie permanent ajustate pentru menţinerea stabilităţii, ceea ce aduce o presiune suplimentară pentru operarea unor astfel de sateliţi.

Ce înseamnă Herschel şi Planck pentru domeniul spaţial?

Inspirat de numele astronomului Frederick William Herschel (1738-1822), cel care a devenit celebru prin descoperirea lui Uranus, satelitul destinat studiului originilor şi evoluţiei stelelor şi galaxiilor va purta în spaţiu cel mai mare telescop Cassegrain utilizat vreodată. Misiunea a fost aprobată în noiembrie 1993 sub numele de „First“, ca parte a planului ştiinţific pe termen lung al ESA, devenind ulterior Herschel.
Oglinda principală, cu un diametru de 3,5 metri, va fi de patru ori mai mare decât predecesoarele telescoape în infraroşu şi de 1,5 ori mai mare decât cea a lui Hubble, reuşind să capteze de 12 ori mai multă radiaţie luminoasă decât telescopul ISO, din a cărui misiune a fost inspirat, sperându-se că va revoluţiona domeniul observaţiilor în infraroşu şi va oferi comunităţii ştiinţifice internaţionale noi puncte de studiu pentru astrofizica fundamentală. Oglinda secundară va fi mult mai redusă în dimensiuni – aproximativ 0,3 metri în diametru. Prin observaţii în banda 60-670 μm va completa măsurătorile făcute de celelalte observatoare astronomice cu privire la radiaţia „rece“ din Univers, produsă de praful şi gazul interstelar, stele reci, nuclei ai unor galaxii îndepărtate şi altele.

Herschel – detalii constructive şi obiective ştiinţifice

Herschel este un satelit stabilizat pe trei axe, cu un sistem de control al altitudinii complex, format din 12 motoare alimentate cu hidrazină ce produc fiecare 20N, roţi volante de control, camere stelare, giroscoape şi senzori solari, poziţia în zbor fiind în permanenţă menţinută graţie calculatorului ACMS.
Sistemul de producere a energiei este alimentat de panouri solare cu celule Ga-As în triplă joncţiune în suprafaţă totală de 12 metri pătraţi şi producând minimum 1450W. Energia este, la rândul ei, înmagazinată în baterii Li-ion cu capacitatea de 39Ah. Sistemul de comunicaţie cu solul conţine trei antene şi este capabil să furnizeze datele ştiinţifice la o rată de aproximativ 130 kbps. Platforma de bază care asigură sistemele vitale pentru buna funcţionare a satelitului este completată de platforma ştiinţifică (aşa numitul „payload module“), rezultând în final un satelit de 7,5 metri lungime, 4 metri diametru şi 3,4 tone greutate la lansare. Punctul central al acesteia este telescopul, care deserveşte toate cele trei instrumente de ştiinţă de la bord şi a cărui oglindă este alcătuită din 12 straturi de carbură de silicon (SiC) ce formează un bloc monolitic prelucrat cu foarte mare acurateţe (rugozitatea nu trebuie să depăşească 0.001 mm).
Carbura de silicon are o duritate şi rigiditate ce fac din aceasta un material foarte potrivit pentru construcţia oglinzilor utilizate în tehnologia spaţială. Materialul şi tehnologia de prelucrare alese au reuşit să îndeplinească toate condiţiile de stres vibraţional impuse de lansare şi au redus substanţial masa până la 315 kg. Pe viitor, singurul telescop care va întrece în mărime oglinda lui Herschel va fi JWST (cu un diametru de aproximativ 6,5 metri), dar acesta va fi constituit din celule individuale grupate împreună (prin urmare, nu va fi un monobloc).
Protecţia termică şi faţă de radiaţia luminoasă va fi realizată pasiv, printr-un scut de protecţie extern şi activ printr-un sistem foarte complex de răcire, folosind un aşa numit „criostat“ şi coolerele aferente, totul bazat pe folosirea a circa 2.300 de litri de Heliu lichid menţinut la temperatura de -271.15 grade Celsius. Heliul superfluid se va evapora la o rată constantă, golind treptat rezervorul, dar va asigura, în acelaşi timp, o temperatură constantă aproape de 0.3 grade Kelvin pentru o funcţionare perfectă a instrumentelor (fără perturbaţii induse din exterior).

Ce se doreşte de la Planck

Cel de-al doilea satelit a preluat numele fizicianului german Max Planck (1858-1947), una dintre cele mai proieminente figuri ale secolului trecut, laureat al Premiului Nobel în 1918. Misiunea, numită iniţial Cobras/ Samba (1994), a fost redenumită ulterior şi proiectată ca o evoluţie a satelitului american WMAP, urmând să măsoare ca şi acesta anizotropiile din spaţiul cosmic (aşa numitul „cosmic microwave background“), dar la o rezoluţie mult mai bună decât acesta. În acest fel, prin investigarea fluctuaţiilor prezente în radiaţia cosmică se va putea răspunde la unele dintre întrebările fundamentale ale cosmologiei referitoare la Big Bang.

Teoria evoluţiei Universului şi rolul lui Planck

Conform acestei teorii, Universul s-a creat în urmă cu circa 13.700 de milioane de ani, atunci fiind într-un stadiu mult mai dens şi mai cald decât astăzi (conform ultimelor modele avea 1.000 de milioane de grade Kelvin la trei minute de la apariţia sa). În urma acestui proces de expansiune, temperatura Universului a scăzut în mod constant până sub valoarea de 10.000 de grade Kelvin, atunci când s-a finalizat procesul de recombinare a ionilor – undeva la 380.000 de ani de la momentul T0, atunci când se estimează că Universul a atins o temperatură medie de 3.000 de grade Kelvin. Acesta este şi momentul în care temperatura a permis luminii să înceapă să călătorească liber în mediul extern.
Până în zilele noastre, datorită continuei expansiuni, temperatura medie a acestei materii aflate în CMB a scăzut substanţial până la valoarea de 2,7 grade Kelvin, ceea ce o face extrem de greu de detectat. Odată cu constatarea făcută de satelitul COBE şi mai apoi WMAP cu privire la distribuţia neconstantă a temperaturii în spaţiul extern, s-a pus însă şi problema construcţiei unor instrumente mai performante care să fie capabile să detecteze până şi aceste mici variaţii de temperatură – iar Planck este rezultatul final al acestor cercetări. Va fi astfel posibil pentru prima dată în istorie să se efectueze o investigaţie amănunţită asupra fenomenelor fizice ce au însoţit momentul T0+380.000 ani.

Activitatea efectivă a satelitului Planck

Planck va realiza măsurători la lungimi de undă de 1/10 ale radiaţiei luminoase percepute de WMAP şi la rezoluţii unghiulare de trei ori mai bune, rezultând o calitate de 15 ori mai bună a măsurătorilor. Aceste performanţe au un preţ direct – satelitul este unul extrem de complex, ca şi Herschel, cu dimensiunea de 4,2 metri lungime şi 4,2 metri diametru şi o masă totală la lansare de 1,95 tone. Va fi o platformă stabilizată prin rotaţie (1rpm) şi va face uz de un sistem de 16 motoare: 12 mai mari, furnizând 20N fiecare şi patru mai mici, fiecare cu o forţă de 1N. Tot sistemul va funcţiona folosind hidrazina drept combustibil. În tandem pentru determinarea orientării în spaţiu se vor folosi camere stelare şi senzori solari. Sistemul de producere a energiei va face uz de aceleaşi celule solare Ga-As, având o suprafaţă totală de 13 metri pătraţi şi furnizând un minim de 1816W. Energia va fi înmagazinată în baterii Li-ion cu capacitatea de 39Ah.
Ca şi în cazul lui Herschel, platforma de bază va susţine modulul ştiinţific („payload module“) construit în jurul unui telescop ce cântăreşte 205 kg, la care sunt conectate cele două instrumente foarte sensibile: HFI (the high frequency instrument) şi LFI (the low frequency instrument), al căror plan focal va fi răcit până la 0,1 grade Kelvin pentru a păstra rezoluţia necesară măsurătorilor. În acest fel se poate spune fără exagerare că în interiorul satelitului vor fi unele dintre cele mai reci puncte din Univers. Cu atât mai semnificativ cu cât trebuie păstrat un echilibru între aceste puncte reci şi restul platformei, al cărei sistem electronic are nişte parametri impuşi pentru operare.
Cum radiaţia CMB este de circa 1% din cea radiată de Pământ, telescopului i s-au impus condiţii stricte de operare. El va fi protejat de un con de protecţie (baffle) care va împiedica pătrunderea directă a radiaţiei luminoase (provenită de la Soare, Pământ sau Lună) în planul focal. Va fi compus dintr-o oglindă primară de 1,9 x 1,5 metri şi o oglindă secundară de 1,1 x 1.0 metri, ambele înclinate faţă de axa principală a telescopului.
Cu investigaţii în gama lungimilor de undă 350-10000μm şi frecvenţe cuprinse între 27-77Ghz (LFI) şi 83-857 Ghz (HFI), satelitul Planck va realiza un număr impresionant de observaţii care vor fi făcute publice comunităţii ştiinţifice internaţionale.

Inginerii români, mândri de propriul succes  

Inginerii români direct implicaţi în acest proiect de anvergură al Agenţiei Spaţiale Europene s-au declarat extrem de mândri de această reuşită. Pentru Liviu Stefanov, inginer de operaţiuni, Herschel-Planck, ESA/ESOC, Darmstadt, Germania, această lansare „înseamnă încununarea câtorva ani de muncă susţinută, cu multe zile lungi şi weekenduri petrecute în camere de control sau în faţa monitorului ce afişează pagini de interminabile documente dintr-un uriaş pachet. Înseamnă ore de concentrare maximă în liniştea camerei principale de comandă în timpul numărătorii inverse, efectuând verificările finale ale satelitului aflat pe rampa de lansare, în vârful rachetei purtătoare. Înseamnă emoţia intensă din ultimele secunde dinaintea startului, aşteptarea înfrigurată a primului contact radio cu satelitul aflat deja la sute de kilometri depărtare şi, nu în ultimul rând, sentimentul de forţă pe care îl simţi când acest obiect zburător răspunde la comenzile tale. Este începutul unei noi misiuni“.
Pentru Aurelian Tomescu, inginer de operaţiuni Herschel-Planck, ESA/ESOC, Darmstadt, Germania, această lansare „înseamnă împlinirea unui vis, în care am investit ani de muncă, speranţe, sacrificii. Acum, la lansare, pare aproape ireal, nu-mi dau seama dacă sunt emoţionat sau dacă trăiesc într-o lume paralelă. Suntem cu toţii atât de conectaţi şi concentraţi la ceea ce facem, încât a exprima limpede ceea ce simţim devine dificil. După un efort întins pe atâţia ani, în care familia, viaţa personală au trecut de multe ori pe plan secund, a fi în camera principală de control – privind numărătoarea inversă, consolele cu telemetria de la satelit, verificând şi reverificând că totul e în ordine – e apogeul unei aventuri care, în timpul facultăţii, părea de neconceput“.
La rândul său, Gabriel Mihail, inginer de operaţiuni, Herschel-Planck, ESA/ESOC, Darmstadt, Germania, afirmă: „Din punctul meu de vedere, indiferent la câte lansări ai asistat înainte, tensiunea care se stabileşte în preajma unui astfel de eveniment este aceeaşi de fiecare dată. Emoţiile trec abia după lansare dacă totul decurge cum trebuie şi de cele mai multe ori realizezi acest lucru abia după ce camerele televiziunilor dispar din camera de control. Aşa cum se spune în acest domeniu, o zi bună este una «plictisitoare», adică lipsită de evenimente şi asta de fapt îşi doreşte întreaga echipă – să funcţioneze totul după aşteptări, fără nici un fel de surprize“.

Racheta Ariane5, caracteristici
În lungime de 50,5 metri şi cu o masă totală la desprinderea de la sol de 780 de tone, racheta Ariane5 face uz de două motoare MPS Europropulsion folosind combustibil solid cu o forţă nominală dezvoltată de 5060 kN (şi un timp de reacţie de 130 secunde), o treaptă criogenică principală Vulcain2 Snecma cu o forţă dezvoltată 1390 kN (timp de ardere 540 de secunde) şi o treaptă criogenică finală ESC-A Astrium Space Transportation propulsată de un motor HM-7B Snecma cu o forţă dezvotată de 67kN şi un timp de reacţie de 945 de secunde.

Space Alliance (spacealliance.ro)

ȘTIRI VIDEO GdS

ȘTIRI GdS