Misja JUICE zbada lodowe księżyce Jowisza. Polscy naukowcy zbudowali instrumenty badawcze na jej potrzeby

Z kosmodromu w Gujanie Francuskiej startuje flagowa misja Europejskiej Agencji Kosmicznej pod nazwą JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer). Jej celem jest zbadanie cech satelitów Jowisza, głównie Europy, Kalisto i Ganimedesa. Chodzi m.in. o ocenę, czy na lodowych księżycach mogą powstać warunki do powstania i podtrzymania życia. Ważną rolę w tej trudnej technicznie misji pełnią polskie firmy odpowiedzialne za realizację trzech z dziesięciu instrumentów.

– Ganimedes jest głównym celem misji ze względu na jego ciekawą budowę. Pod zamarzniętą powierzchnią znajdują się oceany płynnej wody, poza tym jako jedyny księżyc w Układzie Słonecznym wykazuje własne pole magnetyczne. Może to być dobry przystanek w przyszłej podróży do dalszych części Układu Słonecznego, może będzie tam dobra okazja do zbudowania habitatu dla ludzi, ale także poznania samych księżyców. Potencjalnie jest to miejsce, gdzie mogłoby rozwijać się życie, właśnie w wodach, czy to Ganimedesa, czy Europy. Poza tym sama Europa jest ciekawym księżycem, bo ciekłą wodę, która znajduje się pod jej powierzchnią, wyrzuca w formie gejzerów. Ich skład może zbadać sonda JUICE, choćby pod kątem obecności związków potwierdzających ewentualne życie – mówi w wywiadzie dla agencji informacyjnej Newseria Innowacje Kamil Bochra, menedżer ds. jakości i materiałów w firmie Astronika, która uczestniczy w przygotowaniach do misji JUICE.

Operacja ta jest skomplikowana pod względem technicznym, na co wpływa m.in rozmiar sondy. To pierwsza misja Europejskiej Agencji Kosmicznej z wykorzystaniem sondy o takiej wielkości, by mogła pomieścić na pokładzie 11 eksperymentów naukowych i około 4 t paliwa. Łączna masa z paliwem to ponad 5 t, więc inżynierowie musieli dbać o to, by ograniczać masę poszczególnych instrumentów. Kolejnym z wyzwań jest duża odległość do Jowisza i długość lotu (około siedmiu lat).

– Bardzo duża odległość do Słońca od Jowisza powoduje, że sama sonda będzie dostawała bardzo mało energii ze Słońca, więc musimy mieć bardzo duże panele słoneczne. Odległość jest także problemem w komunikacji – wyjaśnia Kamil Bochra.

Z uwagi na dużą odległość z jednej strony trzeba się liczyć ze znacznymi opóźnieniami w przesyłaniu danych. Z drugiej ograniczona będzie też ilość danych możliwych do przesłania, więc niezbędna będzie ich wnikliwa selekcja przed eksportem.

Poza tym wysyłana na księżyce Jowisza sonda będzie musiała wytrzymać chociażby skrajne warunki temperaturowe. Podczas przelotu koło planety Wenus będzie się ona znajdowała w temperaturze otoczenia sięgającej plus 250 stopni, z kolei w okolicach Jowisza temperatura spadnie do około 230 stopni poniżej zera.

– Musimy mieć materiały odporne zarówno na tak szeroki zakres temperatur, jak i na zmiany tych temperatur. Poza tym, ze względu na silne pola magnetyczne, zarówno Jowisza, jak i Ganimedesa, sonda wyposażona jest w bardzo skomplikowane układy. Mamy tam też bardzo wysokie poziomy radiacji, więc odporność materiałów czy elektroniki na te warunki jest niezbędnym aspektem doboru ich do takiej misji. Oczywiście wszystko musi być przetestowane i potwierdzone w sposób empiryczny. Poza tym zawsze staramy się projektować tak, żeby uzyskać jak największą niezawodność oraz redundancję naszych rozwiązań – podkreśla ekspert Astroniki.

Instrumenty pomiarowe i komponenty funkcjonalne dla misji JUICE opracowały zespoły naukowe łącznie z 16 krajów europejskich oraz USA (NASA), Japonii (JAXA) i Izraela (ISA). Polscy naukowcy i inżynierowie odegrali w tych pracach kluczową rolę. Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk brało udział w realizacji części naukowej i przewodziło pracom związanym z powstaniem konstrukcji mechanicznych i komputera głównego instrumentu RPWI, czyli Radio & Plasma Waves Investigation, a firma Astronika brała udział w jego budowie.

RPWI przeznaczony jest do scharakteryzowania emisji radiowych i środowiska plazmowego Jowisza i jego lodowych księżyców. Składa się z 10 czujników i trzech odbiorników, ma cztery sondy Langmuira (LP-PWI) do pomiarów plazmy i pola elektrycznego, magnetometr z trzema antenami oraz analizator pola elektrycznego (RWI) do pomiarów radiowych.

– Dostarczyliśmy cztery maszty LP-PWI do pomiarów plazmy kosmicznej i jej potencjału oraz jedno urządzenie RWI, czyli system trzech anten do pomiaru fal radiowych. Poza tym nasi koledzy z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk dostarczyli elektronikę sterującą tymi urządzeniami – mówi Kamil Bochra. – Prace w Polsce zaczęły się w okolicach 2015 roku. My nasze urządzenia dostarczyliśmy do klienta pod koniec 2020 roku, po czym zostały one zamontowane na samej sondzie i przetestowane razem z nią.

Jak wyjaśniają przedstawiciele Astroniki, sprzęt do misji JUICE musi być jednocześnie ultralekki i ultrawytrzymały, a do tego po otwarciu i uruchomieniu musi osiągać spore rozmiary. Antena RWI w trakcie startu i lotu będzie złożona do długości ok. 26 cm, a w wyznaczonym miejscu na orbicie będzie musiała rozłożyć się do długości 2,5 m. Drugi z instrumentów, LP-PWI, ważący ok. 1,3 kg, ma za zadanie pozycjonować czujniki pomiarowe w odległości 3 m od sondy.

– Na Ziemi posiadamy zapasowe urządzenia. Zawsze dostarczamy zapasowe instrumenty, które mogą być wymienione, np. na etapie testów na poziomie sondy. Poza tym oczywiście same urządzenia zawierają pewne redundantne elementy. Jeśli nasz pierwotny system otwierania się jednego z zawiasów zawiedzie, to zawsze mamy zapasowy. Zawsze staramy się zarówno projektować, budować, jak i testować urządzenie tak, by mieć pewien zapas i  alternatywne rozwiązania – podkreśla menedżer w firmie Astronika.

Prace naukowe podczas misji JUICE zaczną się około sześciu miesięcy po dotarciu do Jowisza. Pierwsze rezultaty badań będą możliwe do osiągnięcia około 2032 roku. JUICE będzie pierwszą sondą kosmiczną w historii, która wejdzie na orbitę księżyca innego niż ziemski. Szacowany budżet przedsięwzięcia to około 1,6 mld euro.