BepiColombo odkryje tajemnice Merkurego

Merkury pozostaje jedną z najbardziej tajemniczych planet wewnętrznego Układu Słonecznego. BepiColombo, pierwsza europejska misja na Merkurego, w październiku 2018 r. rozpocznie podróż do jednej z najmniejszych i najmniej zbadanych skalistych planet Układu Słonecznego.

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), Japońska Agencja Kosmiczna oraz Airbus – główny przemysłowy wykonawca stojący na czele konsorcjum 83 firm z 16 krajów – przedstawili naukowe cele misji i zaprezentowali imponujący czteroczęściowy statek kosmiczny podczas ostatniego pokazu przed startem w przyszłym roku. 4-tonowy BepiColombo, ułożony w stos o wysokości 6,4 metra, niebawem zakończy kampanię testów. W marcu 2018 r. zostanie przetransportowany na europejski kosmodrom Kourou w Gujanie Francuskiej.

Blask Słońca uniemożliwia szczegółowe badanie Merkurego z wykorzystaniem teleskopów, a bardzo wysoka temperatura i bliskość Słońca utrudniają dotarcie do planety. Dotychczas odwiedziły ją tylko dwie misje NASA: Mariner 10 w latach siedemdziesiątych oraz Messenger, który orbitował wokół Merkurego od 2011 r. do wyczerpania się paliwa w kwietniu 2015 r.

Misja BepiColombo, nazwana tak na cześć włoskiego profesora Giuseppe „Bepiego" Colombo, który miał wielki wkład w sukces misji Mariner 10, została przygotowana wspólnymi siłami ESA i JAXA. Obejmuje ona dwa oddzielne orbitery, Mercury Planetary Orbiter (MPO dostarczony przez ESA) oraz Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO dostarczony przez JAXA).

Misja BepiColombo zbada szczególne cechy wewnętrznej struktury Merkurego oraz wytwarzania pola magnetycznego, a także interakcje planety ze Słońcem i wiatrem słonecznym. Zbada również ukształtowanie i właściwości chemiczne terenu, na przykład lód znajdujący się w stale zacienionych kraterach na biegunach. Misja pozwoli lepiej zrozumieć proces powstawania Układu Słonecznego oraz ewolucję planet znajdujących się blisko macierzystej gwiazdy.

Dziś satelitę będzie można po raz ostatni zobaczyć w całości w Europie. Kiedy Arianespace pod koniec lipca zakończy próby systemów łączenia i separacji z rakietą nośną, statek zostanie zdemontowany w celu przetestowania systemu separacji modułów. Po programie testów mechanicznych nastąpią dodatkowe próby funkcjonalne i wydajnościowe, po czym w listopadzie odbędzie się końcowy test termiczny modułu transferowego. Pod koniec marca 2018 r. statek kosmiczny zostanie wysłany do Kouoru. W Gujanie Francuskiej stos modułów zostanie ponownie złożony i zainstalowany w rakiecie nośnej Ariane 5, której start zaplanowano na październik 2018 r. Po siedmioletniej podróży moduł transferowy zostanie odrzucony, a pozostałe moduły dotrą do Merkurego w grudniu 2025 r.

Statek kosmiczny BepiColombo

Jako główny wykonawca z ramienia ESA, Airbus jest odpowiedzialny za projekt i budowę modułu Mercury Planetary Orbiter oraz pozostałych europejskich urządzeń na pokładzie sondy. Inżynierowie zaprojektowali statek kosmiczny w formie stosu, aby oba orbitery mogły polecieć do Merkurego jako jedna jednostka napędzana przez moduł MTM (Mercury Transfer Module), również zaprojektowany i zbudowany przez firmę Airbus.
 
Podróż z Ziemi na Merkurego wymaga wyhamowania statku kosmicznego, co umożliwia przyciągnięcie go przez grawitację Słońca, a przez to zmniejszenie rozmiaru orbity.  Aby osiągnąć prędkość umożliwiającą wejście na orbitę Merkurego, statek kosmiczny musi zwolnić o 7 km/s – jest to przyspieszenie siedmiokrotnie większe od wymaganego podczas podróży na Marsa. BepiColombo osiągnie to poprzez dziewięć przelotów w pobliżu planet (1 x Ziemia, 2 x Wenus, 6 x Merkury) oraz wykorzystanie elektrycznego systemu napędowego (opracowanego specjalnie na potrzeby misji), który zwolni prędkość lotu o 4 km/s.


Po siedmiu latach podróży i 18 okrążeniach Słońca w celu wejścia na orbitę Merkurego moduł MTM zostanie odrzucony i zadania napędowe przejmie moduł Mercury Planetary Orbiter. Poprzez swobodny przechwyt grawitacyjny, stos wejdzie na orbitę planety, po czym będzie stopniowo schodził na niższe orbity naukowe. Moduł Mercury Magnetospheric Orbiter zostanie wprowadzony na swoją orbitę przed odrzuceniem osłony słonecznej, a Mercury Planetary Orbiter zejdzie niżej na orbitę docelową. Następnie orbitery przystąpią do najbardziej szczegółowych badań Merkurego, jakie dotychczas przeprowadzono.

Będzie gorąco

Merkury, który znajduje się zaledwie 58 milionów kilometrów od słońca, stanowi szczególne wyzwanie dla odwiedzających go statków kosmicznych. W czasie dnia powierzchnia planety  nagrzewa się do 450 stopni Celsjusza, co wystarcza do stopienia niektórych metali. Statek na orbicie musi zatem radzić sobie nie tylko z palącym żarem Słońca, ale również z promieniowaniem podczerwonym emitowanym przez rozgrzaną planetę.
 
W rezultacie inżynierowie firmy Airbus okryli każdą zewnętrzną powierzchnię modułu Mercury Planetary Orbiter - z wyjątkiem jednej strony radiacyjnej – wielowarstwową, wysokotemperaturową izolacją. Materiał ten, zbudowany z 50 warstw ceramiki i aluminium, został zaprojektowany specjalnie na potrzeby misji BepiColombo. Anteny wykonano z odpornego na ciepło tytanu pokrytego nowo opracowaną powłoką. Ponieważ MPO ma badać powierzchnię Merkurego, będzie zawsze zwrócony w stronę planety, żeby jego instrumenty mogły stale monitorować powierzchnię, a przeciwległy radiator będzie oddawał ciepło w głęboką przestrzeń kosmiczną.

Udział firmy Airbus

Głównym wykonawcą jest Airbus z Friedrichshafen w Niemczech, który odpowiada za opracowanie i wykonanie systemu, weryfikację funkcjonalną i ogólne zarządzanie projektem. Zespół ze Stevenage w Wielkiej Brytanii opracował strukturę i systemy termiczne modułu MPO oraz odpowiadał za projekt i budowę MTM. Airbus z Madrid-Barajas w Hiszpanii dostarczył strukturę MTM.

W systemie napędu elektrycznego wykorzystano dwa zespoły PPU (Power Processing Unit) opracowane przez Airbus w Tres Cantos w Hiszpanii. Te urządzenia o wadze 48 kg zapewniają po 5 kW mocy i zasilają silniki jonowe systemu napędu elektrycznego. Dwa zespoły PPU mogą jednocześnie zasilać 2 spośród 4 silników jonowych, w które wyposażony jest moduł napędowy.
 
Panel słoneczny MPO zbudowany przez Airbus z Ottobrunn w Niemczech to konstrukcja, która może działać w temperaturze nawet 190°C, z komponentami zaprojektowanymi specjalnie z myślą o skrajnie trudnych warunkach pracy. Panel słoneczny zapewnia 2 kW mocy. Kontrolę termiczną zapewnia unikatowa konstrukcja stanowiąca kombinację ogniw i reflektorów OSR (szklanych luster), która zajmuje 17 proc. powierzchni panelu. Bezpieczny zakres temperatur utrzymuje się poprzez kontrolowanie nachylenia i ciągłe obracanie panelu podczas okrążania Merkurego przez statek kosmiczny.

Panele słoneczne MTM, zbudowane przez Airbus z Leiden w Holandii, również mają konstrukcję wysokotemperaturową, z maksymalną temperaturą pracy sięgającą 190°C, i wykorzystują te same technologie, co MPO. Podczas zbliżania się do Słońca moc panelu słonecznego rośnie, czemu towarzyszy wzrost temperatury. Kiedy temperatura osiągnie 190°C (w odległości około 0,5 j.a.), panel trzeba nachylić, co zmniejsza obszar wystawiony na działanie światła słonecznego i ogranicza moc wyjściową. Dwa skrzydła mają łączną powierzchnię 40 m2 i masę 290 kg.