Udział polskich naukowców i inżynierów w przełomowej misji kosmicznej JUICE

Już w kwietniu polscy naukowcy i inżynierowie po raz kolejny wyślą swoje instrumenty badawcze w przełomową misję kosmiczną. Tym razem polecą w kierunku księżyców Jowisza w ramach flagowej misji ESA JUICE.

Trzy z dziesięciu instrumentów zostały zrealizowane dzięki udziałowi polskich podmiotów, w tym przede wszystkim Centrum Badań Kosmicznych PAN, które stało za częścią naukową oraz projektowało prototypy instrumentów i wykonywało modele lotne, i firmy Astronika Sp. z o.o, jako projektanta modeli kwalifikacyjnych i lotnych. Z kolei Sener Polska Sp. z o.o. wykonała podzespoły wchodzące w skład paneli słonecznych zasilających sondę.  Instrumenty pomiarowe i komponenty funkcjonalne dla misji JUICE opracowały zespoły naukowe łącznie z 16 krajów europejskich oraz USA (NASA), Japonii (JAXA) i Izraela (ISA). Udział naukowców i inżynierów z Polski był kluczowy dla całego przedsięwzięcia.

Misja JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer) zbada cechy fizykochemiczne satelitów Jowisza, a w tym, czy na lodowych księżycach gazowych gigantów mogą powstać warunki do powstania i podtrzymania życia. Wcześniejsze badania wykazały, że pod grubymi lodowymi skorupami tych księżyców znajdują się oceany płynnej słonej wody. Możliwe jest więc, że powstały w nich związki organiczne, szczególnie jeśli istnieją tam wyziewy hydrotermalne, które znamy z ziemskich głębin oceanicznych. Zainteresowanie astrobiologów budzi przede wszystkim Europa.

– Celem misji jest układ Jowisza, bo Jowisz wraz ze swoimi księżycami tworzy jakby miniaturę Układu Słonecznego. Instrumenty badawcze JUICE’a będą diagnozować głównie Europę, Kalisto i Ganimedesa. Szczególnie zależy nam na dokładnym zbadaniu Ganimedesa. Mamy nadzieję, że właśnie ten księżyc w przyszłości będzie mógł służyć jako baza przesiadkowa do eksploracji dalekiego kosmosu. – mówi dr hab. Hanna Rothkaehl z Centrum Badań Kosmicznych PAN, Co-Principal Investigator przyrządu RPWI (Radio & Plasma Waves Investigation na sondzie JUICE).

Okno startowe dla misji, czyli czas, w którym może wystartować rakieta z sondą na pokładzie, otwiera się 5 kwietnia. Start z kosmodromu w Gujanie Francuskiej planowany jest na 13 kwietnia.

Polskie akcenty i zasługi polskich zespołów

W styczniu tego roku Europejska Agencja Kosmiczna zaprosiła do Tuluzy przedstawicieli mediów w celu prezentacji oryginalnej sondy JUICE przed jej podróżą do kosmodromu w Gujanie Francuskiej. To z tego miejsca w kwietniu 2023 roku wystartuje ona w podróż ku lodowym księżycom Jowisza. Podczas styczniowego wydarzenia została odsłonięta tablica pamiątkowa zamontowana na statku kosmicznym, będąca hołdem dla włoskiego astronoma Galileusza, który w 1610 roku jako pierwszy, przy pomocy prostego teleskopu, zaobserwował cztery największe księżyce Jowisza. Misja wystartuje więc 413 lat po tym pamiętnym wydarzeniu.

– CBK PAN przewodziło pracom związanym z powstaniem konstrukcji mechanicznych i komputera głównego instrumentu RPWI. Jest współautorem narzędzia badającego pole elektromagnetyczne w szerokim zakresie częstotliwości. Pełnimy też rolę lidera zarządzającego konstrukcją i przygotowaniem urządzenia oraz programu do zbierania, przetwarzania i publikowania zebranych danych. – mówi dr hab. Hanna Rothkaehl.

Instrument RPWI przeznaczony jest do scharakteryzowania emisji radiowych i środowiska plazmowego Jowisza i jego księżyców lodowych. Składa się z 10 czujników i 3 odbiorników. Instrument RPWI posiada cztery sondy Langmuira (LP-PWI) do pomiarów plazmy i pola elektrycznego, magnetometr z trzema antenami oraz analizator pola elektrycznego (RWI) do pomiarów radiowych. System zamontowany jest wewnątrz bloku elektronini EBOX, w którym znajdują się zasilacze niskiego napięcia (LVPS A&B) oraz jednostki przetwarzania cyfrowego (DPU A&B). RPWI  pozwala na pomiary pola elektrycznego aż do częstotliwości 1,6 MHz oraz scharakteryzowania plazmy termicznej. Anteny i odbiorniki średniej i wysokiej częstotliwości posłużą do pomiarów pól elektrycznych i magnetycznych w emisjach radiowych w zakresie częstotliwości 80 kHz-45 MHz.

Inżynierowie z polskiej firmy Astronika, znanej z wcześniejszego udziału w marsjańskiej misji NASA InSight, wspólnie z CBK PAN przygotowali dwa rodzaje urządzeń.

– Są to anteny RWI (Radio Wave Instrument) oraz wysięgniki LP-PWI (Langmuir Probe – Plasma Wave Instrument) w ramach  instrumencie RPWI. Anteny RWI posiadają trzy wzajemnie prostopadłe anteny, które zapewniają możliwość kierunkowego odbioru emisji radiowych obecnych w środowisku plazmy wokół układu Jowisza. Z kolei LP-PWI to cztery trzy metrowe wysięgniki, które pozycjonują w różnych kierunkach czujniki pomiarowe (sondy Langmuira). – tłumaczy Łukasz Wiśniewski, kierownik projektu w firmie Astronika.

Największą trudność stanowiło, jak zwykle w misjach kosmicznych, spełnienie wszystkich wymagań jednocześnie. Sprzęt musi być jednocześnie ultralekki i ultrawytrzymały, a do tego po otwarciu i uruchomieniu musi osiągać naprawdę spore rozmiary.

– Antena RWI w trakcie startu i lotu ku układowi Jowisza będzie złożona do długości zaledwie 26 cm, a w wyznaczonym miejscu na orbicie będzie musiała rozłożyć się do długości 2,5 metra. Drugi z instrumentów, LP-PWI, który waży zaledwie 1,3 kg, ma za zadanie pozycjonować czujniki pomiarowe w odległości trzech metrów od sondy. W ramach naszych prac inżynieryjnych przy instrumentach JUICE’a musieliśmy stworzyć kilka nowych technologii, z których jedną opatentowaliśmy. – dodaje Łukasz Wiśniewski.

Dodatkową trudnością jest rozpiętość temperatur, która podczas misji wahać się będzie od plus 250oC, podczas przelotu koło Wenus, do -230oC w okolicach Jowisza, co wymagało zastosowania unikalnych materiałów i powłok. Zadanie to wymagało ścisłej i wieloletniej współpracy szeregu polskich podwykonawców – uczelni, instytutów i prywatnych firm. Za każdym z nich kryje się osobna technologia, która musiała zostać opracowana w ramach projektu.

CBK PAN i Astronika w przygotowaniu ich części projektu współpracowały z szeregiem krajowych podwykonawców, których warto wymienić, aby podkreślić istotną rolę rozwijania tego typu kontaktów: Worktech, Creotech Instruments S.A., Politechnika Warszawska, Politechnika Koszalińska, ELPOD, Gutronic, Wareluk S.C., Instytut Technologii Elektronowej, Powłoka S.C., Instytut Lotnictwa.

Sonda JUICE wyposażona będzie w największe w historii międzyplanetarnych misji panele słoneczne o powierzchni 97 m². Według informacji otrzymanych z firmy Sener Polska, jej zespół pozyskał kontrakt od Airbus Aerospace and Defence na zaprojektowanie i wyprodukowanie zestawu urządzeń wspomagających ostateczny montaż, transport wewnątrz obiektów oraz testy funkcjonalne i wibracyjne tychże paneli słonecznych. Na jego podstawie firma zaprojektowała i wyprodukowała tzw. Support Frame (urządzenie służące do podnoszenia, obracania oraz przewożenia paneli słonecznych wraz adapterem do wibracji) oraz nadzorowała produkcję w Polsce czterech typów urządzeń zaprojektowanych przez zleceniodawcę. Sener Polska odpowiadała również za przeprowadzenie symulacji FEM (Finite Element Method – Metoda Elementów Skończonych) komponentów wchodzących w skład ważnego elementu sondy – ponad 10-metrowego manipulatora magnetometru służącego do umieszczenia instrumentów naukowych z dala od sondy, aby uniknąć zakłóceń magnetycznych. Ponadto zespół Sener stworzył stanowisko symulujące warunki mikro grawitacji, które zostało wykorzystane do końcowych testów manipulatora magnetometru na Ziemi. Firma uczestniczyła także w produkcji zespołu reflektora antenowego, wchodzącego w skład podsystemu antenowego o średnim zysku energetycznym (MGAMA) – odpowiadała za produkcję, testy i weryfikację komponentów wchodzących w skład urządzenia.

Na potrzeby misji JUICE gdyńska firma Space Forest zbudowała elementy środowiska testowego dla pokładowego systemu gromadzenia danych – komputera DMCS (Data Management Control System) oraz kody wsadowe do obsługi jego pamięci masowej. Prace prowadzone były wspólnie z firmą RUAG Space ze Szwecji (obecnie Beyond Gravity).

Na orbitę obcego księżyca

JUICE będzie pierwszą sondą kosmiczną w historii, która wejdzie na orbitę księżyca innego niż ziemski. Mowa o Ganimedesie – największym księżycu Jowisza, a zarazem największym księżycu w Układzie Słonecznym, przewyższającym rozmiarami Merkurego. Będzie też ostatnią misją wyniesioną przy użyciu Ariane 5, europejskiej ciężkiej rakiety nośnej, pracującej od 1996 roku. Dzięki Ariane 5 zostało wyniesionych sześć misji kosmicznych ESA, cztery z nich z udziałem Polski, głównie CBK PAN: XMM Newton (1999), Rosetta (2004), Herschel, Planck (2009), BepiColombo (2018), Webb (2021) i JUICE (2023).

– Obecność polskich firm i instytutów naukowych w realizacji najbardziej zaawansowanych technologicznie projektów jest efektem wieloletnich starań, rzetelnego wywiązywania się z powierzonych zadań i docenienia rodzimego potencjału intelektualnego przez wiodących graczy tej branży. Dotychczasowa polska specjalizacja to głównie różnego rodzaju czujniki, analizatory i penetratory geologiczne, które mają już ugruntowaną renomę. Można zauważyć, że projektanci dużych misji międzyplanetarnych coraz częściej w pierwszej kolejności zwracają się z tym do naszych specjalistów. Wszystko jednak wskazuje, że najbliższe lata udowodnią gotowość naszego kraju do samodzielnego realizowania kompletnych projektów o wysokim stopniu skomplikowania, co będzie kolejnym krokiem ku dołączeniu do elity państw biorących aktywny udział w eksploracji przestrzeni kosmicznej. – powiedział prezes Polskiej Agencji Kosmicznej prof. Grzegorz Wrochna.

Misja ma na celu zbadanie księżyców zarówno jako ciał niebieskich, jak i pod kątem technicznych możliwości budowy w przyszłości załogowych habitatów. Naukowcy zamierzają także dogłębnie zbadać unikalne i złożone środowisko Jowisza, będącego przykładem rozpowszechnionych we wszechświecie gazowych olbrzymów. Skupią się min. na badaniu jego atmosfery, magnetosfery i pierścieni. Chcą także zgłębić wiedzę na temat formowania się gazowych gigantów oraz możliwości istnienia, obecnie lub w przeszłości, życia na planecie lub w obrębie całego jej układu. Istnieje bowiem mocno uzasadniona hipoteza, iż pod lodową skorupą trzech największych księżyców Jowisza kryją się oceany słonej wody w stanie płynnym. Te zaś mogą nieść informacje na temat możliwości rozwoju życia na wzór tego, które kryje się w stale pogrążonych w mroku głębinach ziemskich oceanów.

Prace naukowe podczas misji JUICE zaczną się około sześć miesięcy po dotarciu do Jowisza. Pierwsze rezultaty badań będą możliwe do osiągnięcia około 2032 roku. Pewne dane będą także zbierane wcześniej, podczas podróży sondy w kierunku gazowej planety. Wtedy także otrzymamy pierwsze wykonane w trakcie misji obrazy.

Duża część polskich aktywności związanych z budową instrumentów pokładowych misji JUICE została sfinansowana w ramach programu opcjonalnego ESA PRODEX. Służy on przede wszystkim finansowaniu budowy instrumentów naukowych, a Polska uczestniczy w nim, dzięki czemu ma swój udział w realizacji najważniejszych misji ESA min. JUICE, ATHENA, ARIEL, czy w najnowszej przygotowywanej misji COMET INTERCEPTOR. Projekt JUICE i jego finansowanie w ramach ESA PRODEX koordynowany jest przez Ministerstwo Edukacji i Nauki.