Nasi rodacy biorą udział w przełomowej misji dotyczącej Słońca. O kulisach PROBA-3 opowiedział dr Orleański z CBK PAN

Wraz z przedstawicielami licznych nacji Polacy zajęli się projektowaniem instrumentów, które wejdą w skład misji PROBA-3. W rozmowie z dr Piotrem Orleańskim zapytałem o przebieg tych przygotowań i planowane działania naukowe, które będą miały miejsce po rozpoczęciu samej misji.

Czym jest PROBA-3?

Misją Europejskiej Agencji Kosmicznej o podwójnym przeznaczeniu: naukowym i technologicznym. Oba zadania są szalenie istotne i dość skomplikowane. Jeśli chodzi o misję naukową, to będą to obserwacje korony słonecznej. Dysk słoneczny ma temperatury tysięcy stopni, a korona słoneczna temperatury milionów stopni. Patrząc na dysk słoneczny widzimy jasność kilka (o ile nie kilkanaście) rzędów wielkości większą niż jasność samej korony. Nadal nie wiemy, skąd się biorą tak wysokie temperatury w koronie słonecznej, dlatego trzeba ją obserwować. A żeby to zrobić, należy się w jakiś sposób odseparować od niezwykle jasnego dysku słonecznego. I to jest właśnie zadaniem koronografu.

PROBA-3 jest misją Europejskiej Agencji Kosmicznej

Obserwując Słońce w czasie zaćmienia widzimy poświatę dookoła, ponieważ Księżyc zasłania tarczę słoneczną. Takie zaćmienie trwa jednak kilka-kilkanaście minut i jest bardzo rzadkie. Powtórzenie zaćmienia Słońca przez Księżyc, w postaci układu dwóch satelitów, wydaje się najrozsądniejszym rozwiązaniem. Jeden satelita zasłania wtedy tarczę słoneczną, a drugi – znajdując się za nim – prowadzi obserwacje. Kluczowe jest utrzymanie takiej formacji z precyzją dochodzącą do kilku milimetrów. Problemem pozostaje umieszczenie jej w kosmosie, a następnie tak precyzyjne kontrolowanie.

Źródło: ESA

Czy takie przedsięwzięcia były już wcześniej podejmowane?

Na orbitach znajdują się pojedyncze satelity wyposażone w koronografy, ale nie występują w formacjach z innymi. Istniały plany tworzenia konstelacji satelitarnych, lecz jak do tej pory nie mówiło się o tworzeniu tak precyzyjnych formacji. Była też misja Cluster Europejskiej Agencji Kosmicznej, która nie powiodła się przy pierwszym podejściu, ale drugie wystrzelenie zaowocowało rozmieszczeniem czterech satelitów oddalonych o kilkadziesiąt czy kilkaset kilometrów od siebie. Każdy z nich wykonywał pomiary związane z charakterystyką plazmy wokół Ziemi i udawało się utrzymać dokładność liczoną w metrach. W PROBA-3 formacja musi być bardziej konkretna i ściśle określona.

Czytaj też: Słońce wygląda na tych zdjęciach niczym żywa komórka. Uwiecznił je fotograficzny weteran

CNES, czyli francuska agencja kosmiczna zaczęła badania nad formacją mającą skupiać się na promieniowaniu rentgenowskim. Dwa tworzące ją satelity miały być od siebie oddalone i wspólnie stanowić jeden instrument rentgenowski.

Jaki będzie udział polskich naukowców w realizacji tej misji?

Badania w zakresie promieniowania rentgenowskiego czy ogólnie w kontekście analizy wszystkich zjawisk zachodzących w koronie słonecznej, stanowią dość dobrze rozwiniętą gałąź polskiej astronomii. Poza naukowym ważny będzie też udział techniczny, który umożliwi naukowcom zbieranie danych, ich obrabianie i publikację. Z tego względu zacząłbym od udziału technicznego.

My budujemy dość dużo elementów instrumentu naukowego i niektóre elementy tzw. platformy satelitarnej. Każdy satelita z reguły składa się z dwóch części: platformy satelitarnej oraz instrumentarium naukowego. Projektujemy specjalny zestaw filtrów, które później są ustawiane przed samym koronografem, tak, aby mógł on prowadzić obserwacje w różnym zakresie widmowym. Robimy to w CBK, głównie we współpracy z Solaris Optics: oni robią filtry, a my całą mechanikę, elektronikę, sterowanie.

Drugim istotnym podsystemem jest coś, co nazywa się Coronograph Control Box (CCB), czyli serce całego koronografu. Jest to blok elektroniki, który zasila wszystkie detektory koronografu, steruje nimi, wydaje komendy, wstępnie przetwarza otrzymane dane. CBK PAN koordynuje budowę całego bloku CCB i opracowuje część jego bloków. Z punktu widzenia software’u pokładowego całym instrumentem będą natomiast sterowali nasi współpracownicy z N7 Space. Współpracujemy też z podwarszawską firmą Creotech, która opracowała fragment elektroniki i zajmuje się kompletnym montażem elektroniki „lotnej” w CCB.

To wszystko brzmi jak bardzo ambitny projekt, w który angażuje się wiele podmiotów. Ale jakie mogą być praktyczne korzyści z tej misji?

W każdej misji kosmicznej są zaangażowane dziesiątki podmiotów, tylko nieliczne misje są realizowane przed jeden podmiot. W tym przypadku firm jest kilkanaście, jak nie kilkadziesiąt, a sam instrument naukowy jest robiony między innymi w Polsce, Belgii, Włoszech i Czechach. Jego tworzeniem kierują inżynierowie z belgijskiego instytutu Centre Spatial de Liège.

Czytaj też: Solar Orbiter i czas próby. Sondę czeka najbardziej ryzykowny z dotychczasowych manewrów

Czego możemy się spodziewać? Przy 19-godzinnej orbicie wokół Ziemi za każdym razem przez około 6-7 godzin będziemy mogli prowadzić obserwacje Słońca. Jest to dużo więcej niż podczas zaćmień Słońca. Jednym z podstawowych pytań jest to o mechanizmy termodynamiczne, które stoją za dużo wyższą temperaturą korony słonecznej niż samego dysku. Poza tym, możemy się dowiedzieć, jak wygląda rozkład temperatur na Słońcu oraz struktura korony słonecznej. Korzystając z normalnych urządzeń nie da się tego sprawdzić, ponieważ zawsze będą w jakimś stopniu zaświetlone przez dysk słoneczny.

Przy 19-godzinnej orbicie wokół Ziemi za każdym razem będzie można prowadzić 6-7 godzin obserwacji Słońca

Spodziewamy się istotnych wyników naukowych, ale odrębną kwestią pozostaje postęp w nawigowaniu w kosmosie. Utrzymanie obu satelitów na orbicie tak, aby jeden zasłaniał dysk słoneczny, a drugi prowadził obserwacje – z dokładnością kilku sekund kątowych i kilku milimetrów – będzie stanowiło podstawę dla nawigacji przyszłych statków kosmicznych. Obecnie mamy problemy z dokowaniem w obrębie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, a mówimy o dokowaniu naprawdę dużych obiektów, kilkusetkilogramowych albo i cięższych, do obiektu, który jest jeszcze większy i jest stosunkowo nieruchomy. W przypadku tzw. flying formation PROBA-3, gdzie jeden satelita waży około 300 kilogramów, a drugi ponad dwieście, możemy mówić o zupełnie innej dynamice.

Źródło: ESA

Co można wymienić wśród największych zagrożeń, które mogą przesądzić o niepowodzeniu misji?

Ta misje jest generalnie szalenie trudna, bo ona się bardzo źle zaczęła. Problemy dotyczyły określenia założeń technicznych, koordynacji pomiędzy głównym wykonawcą a podwykonawcami. Tych kłopotów było mnóstwo. PROBA-3 rodziła się w dużych bólach i powinna wystartować już kilka lat temu. W tej chwili całość jest zmontowana, ale to wcale nie oznacza, że wszystko musi się udać.

Wystarczy wspomnieć, co przed kilkoma laty działo się z misją sondy Rosetta, którą wystrzeliła ESA i która przez dziesięć lat błąkała się po kosmosie, korzystając z tzw. asysty grawitacyjnej Ziemi czy Wenus. Ostatecznie, po dziesięciu latach, Rosetta idealnie trafiła w pobliże komety, mimo że ta pędziła z olbrzymią prędkością. Okazało się, że jesteśmy w stanie ustabilizować pozycję wokół komety, a później wylądować na jej powierzchni.

Czytaj też: Parker Solar Probe kontra kosmiczny pył. Czy sonda poradzi sobie z rozpędzonymi ziarnami?

Wydaje mi się, że wiedza technologiczna dotycząca dynamiki ruchu satelitów jest dość dobrze opanowana i sprawdzona. Ale czy wszystkie elementy wykonawcze odpowiedzialne za zmiany pozycji będą prawidłowo funkcjonowały? Im więcej jest takich elementów, tym wyższe prawdopodobieństwo, że coś wyjdzie nie tak. Jestem optymistą, a większość misji Europejskiej Agencji Kosmicznej zakończyło się sukcesem, dlatego wierzę, że wszystko zadziała. Musimy jednak pamiętać, że będziemy operowali na orbicie, która z jednej strony jest bardzo bliska Ziemi, a z drugiej dość od niej oddalona. Pojawia się konieczność zbliżenia do pasów radiacyjnych. Radiacja jest w nich bardzo podwyższona, co wpływa na zachowanie elektroniki. Z drugiej strony, na bardzo podobnej, eliptycznej orbicie od dziewiętnastu lat pracuje satelita INTEGRAL, który raz na 72 godziny wchodzi w te pasy i nadal funkcjonuje.  

Carl Sagan, spytany o to, czym jest science fiction, odpowiedział, że powodzeniem misji  Apollo 11. Pomnożenie ryzyka usterki każdego z tworzących ją elementów sugerowało, że w czasie trwania tej misji powinno dojść do kilkuset awarii. Mimo to udało się ją zrealizować, a ludzie wylądowali na Księżycu. To było zdaniem Carla Sagana science fiction, dlatego spróbujmy przenieść to na kolejne misje.

Źródło: ESA

Centrum Badań Kosmiczny brało już udział w realizacji tego typu misji?

Braliśmy udział w przygotowaniu misji Solar Orbiter, która będzie z bliska oglądała Słońce. Mowa o odległości wynoszącej 0,28 jednostki astronomicznej. Ta misja jest bardzo trudna z punktu widzenia termiki, ponieważ fragment satelity zwrócony w kierunku Słońca będzie wystawiony na temperatury rzędu 600-700 stopni Celsjusza. Jednym z instrumentów narażonych na pracę w tych trudnych  warunkach został opracowany między innymi w CBK PAN. To STIX, czyli teleskop i spektrometr promieniowania rentgenowskiego.

Kiedy PROBA-3 wystartuje i kiedy możemy spodziewać się pierwszych rezultatów?

Start jest zaplanowany na 2023 rok. To jest misja wokół Ziemi, więc termin startu nie jest ograniczony koniecznością wykorzystania „okna astronomicznego”, tak jak w przypadkach dalekich misji do innych planet. W przyszłym roku startuje JUICE, czyli misja skierowana na Jowisza i jego księżyce, która będzie leciała osiem lat. Solar Orbiter najprawdopodobniej dopiero w przyszłym roku wejdzie na prawidłową orbitę okołosłoneczną, mimo że jest w drodze od lutego 2020. I choć Solar Orbiter wykonuje już pewne pomiary, to istotne będzie wejście na tzw. orbitę okołobiegunową, co jak do tej pory nie było realizowane.

Pierwsze pomiary wykonane w ramach misji PROBA-3 mogą pojawić się już w 2023 roku

W przypadku PROBY najważniejszą kwestią jest wyniesienie na orbitę, co zajmie maksymalnie kilka dni. Później zostaje kwestia tygodni bądź miesięcy, w czasie których zostanie przeprowadzona weryfikacja wszystkich elementów przed oddaniem misji w ręce naukowców. Spodziewam się, że już w 2023 roku pojawią się pierwsze pomiary. Być może nieco czasu zajmie się nauczenie tego, jak utrzymywać odpowiednią formację. Ale skoro tzw. cruise phase, czyli fazy dolotu praktycznie nie będzie, to nie powinniśmy długo czekać na rezultaty.

Piotr Orleański (CBK PAN) jest członkiem Rady Polskiej Agencji Kosmicznej, Komitetu Badań Kosmicznych i Satelitarnych PAN, laureatem programu FOCUS Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej oraz wykładowcą Politechniki Warszawskiej i Studium Doktoranckiego CBK PAN, a także ekspertem KE w programie Horizon 2020 Space. Jako jeden z głównych obszarów swojej obecnej aktywności w Polsce uważa rozwój polskiego przemysłowego sektora kosmicznego.