|
Tilbage til Jupiter En soldrevet sonde er planlagt til at strejfe skytoppene for at finde ud
af hvad der er nedeunder Frank Morring, JR./Washington
NASA
forbereder opsendelse af endnu et rumfartøj, der vil prøve at afdække nogle
af de mysterier, som planeten holdt skjult sidste gang en menneskebygget
robot begav sig ind i dens kolde, radioaktive og relativt mørke nabolag. Det
enestående rumfartøj, som har fået navnet Juno efter den romerske gud
Jupiters hustru, vil sætte en rekord ved at køre på solkraft i stedet for de
radioisotop termoelektriske generatorer (RTG), der tidligere plejede at drive
rumfartøjer så langt fra Solen. Sonden vil starte, hvor Galileo missionen
stoppede i september 2003, da sonden blev sendt til nedstyrtning i
gasgigantens skyer ved slutningen af sit tjenesteliv for at forhindre
tilfældig forurening af en af Jupiters måner. Juno er i
det væsetligste en flyvende vindmølle, der roterer omkring en titanium kasse.
Det meste af rumfartøjets 22 meter diameter optages af enorme solpaneler, der
er konstrueret til at fange så megen solenergi som muligt i det svage sollys
ved Jupiter. Og for at skærme følsom hardware fra høj-energi strålingen ved
den massive planet er det meste af instrumenternes elektronik klemt inde i en
kasse med titanium vægge op til 1,3 cm. tykke, som er anbragt i midten af
rumfartøjet for maksimal beskyttelse. I
kredsløb ved Jupiter vil Juno dreje to gange i minuttet, mens den samler
information om gasgigantens struktur og sammensætning. Ulig Galileo, som
kredsede ved planetens ækvator, hvor den også kunne besøge Jupiters måner,
vil Juno indtage et kredsløb over Jupiters poler for at undgå det værste af
strålingsbælterne. "Vi
har dette eliptiske kredsløb, som dykker ned mellem det inderste
strålingsbælte og skytoppene ved omkring 4.000 kilometer," siger Jan
Chodas, Juno projektleder på Jet Propulsion Laboratory (JPL). "Vor
primære dataopsamlingspassage er omkring 6 timer omkring perijove (Jove =
(myt.) Jupiter, o.a.), tæt på planeten og så svinger vi tilbage ud i dette 11
dages kredsløb og sender data tilbage og gør klar til næste passage. Så det
er det kendskab til, hvor strålingsbælterne er, og den præcise navigation til
at lokalisere rumfartøjet på den bane, der muliggør missionen." Rummet
omkring Jupiter er så varmt, at missionens konstruktører forventer at Juno
kun overlever dér i 30 kredsløb - mindre end et år.Planlægningen for at undgå
strålingen begyndte tidligt, siger Chodas, og den inkluderede udvikling af
den kubikmeter store titaniumkasse, som på projektet kaldes
"boksen." Bortset
fra solpanelerne er rumfartøjet "kort og tykt," siger Tim
Gasparrini, Juno programleder på Lockheed Martin i Denver. Kroppen er 3,5
meter høj og 3,5 meter i diameter. Lige i midten er titanium boksen. Den
måler 0,8 x 0,8 x 0,6 meter, den vejer 150 kg og er "ikke den typiske
luftfartskonstruktion," siger han. Titanium
væggene giver beskyttelse mod stråling, hvor al rumfartøjets elektronik er
placeret. "Alle følerne er udenfor," siger Gasparrini. "Men så
meget som muligt af den kritiske elektronik er pakket sammen i boxen. Det
ydre udstyr er så hærdet som det med rimelighed kunne blive indenfor
begrænsningerne af omkostningerne. Det forventes at rumfartøjet efter 30
kredsløb har taget så store bestrålinger, at det ikke vil overleve ret meget
længere." Indfaldsvinklen,
som beslutningen om at bruge solkraft, blev taget for at begrænse missionens
pris og den blev udviklet under det omkostningsbegrænsede New Frontiers
program. En af de største udfordringer var at få alle stumperne til at passe
ind i boksen. "Det
er ligesom et puslespil," siger Chodas. "Man har en terning og man
har ting monteret på et centralt panel og på alle de paneter, der folder sig
sammen til terningen. Det layout er nemt at lave, men kablingen, der løber
fra boks til boks og ind og ud af boksen, er et kunststykke. Første gang jeg
så flyvekablet sagde jeg, 'Wow, vil I virkelig stoppe alt det derind?"
Når Juno
når Jupiter i Juli 2016 og begynder at opsamle videnskabelige data vil den
sætte rekord i afstand fra Solen for et rumfartøj, der opererer på solkraft.
Stardust komet prøvereturneringsmissionen brugte solkraft ved 2 astronomiske
enheder (AU), det dobbelte af Jordens afstand fra Solen. Men Juno vil operere
ved 5 AU. For at opnå kraften, som missionen behøver på den afstand, er
sondens solpaneler meget store - to vinger med fire solpaneler hver og en med
tre, plus bommen, der holder Junos magnetometer. De
"ultra triple junction" gallium arsenid solceller, som er bygget
til Juno af Boeings datterselskab Spectrolab Inc., vil være i stand til at
omdanne 28% af den solenergi, der rammer dem, til elektricitet i begyndelsen
af missionen. De har tykkere dækglas end paneler, der kredser om Jorden, for
ekstra beskyttelse mod stråling, men vil alligevel blive mørkere med tiden
under strålingens påvirkning, hvilket vil reducere deres effektivitet ved
planeten. Alligevel skulle de frembringe rigelig kraft til det job, de skal
udføre. "Ved
Jorden frembringer solpanelerne omkring 18 kw," siger Gasparrini.
"Ved Jupiter frembringer de omkring 400 watt. Så det gælder generelt, at
hvis man har nok energi til at tænde en 100 watts pære på Jorden, vil man kun
have energi til en natlampe ved Jupiter." Ud af de
400 watt, som de enorme solpaneler vil frembringe ved Jupiter, vil halvdelen
gå til varmeapparater og andre termiske undersystemer, der holder
elektronikken varm. Det er endnu en faktor, når man opererer så langt fra
Solen. Ved Mars, f.eks., behøves kun en tredjedel af sondens kraft til
opvarmning. Men selv de 200 - 250 watt der er tilbage til Junos
videnskabelige pakke vil være nok til at indsamle data, optage dem og sende
dem tilbage til Jorden gennem antennen med høj forstærkning. Når vi
taler om formål, kan man sige, at halvdelen går til termiske undersystemer;
den anden halvdel går til alt andet," siger Gasparrini om Junos
kraftfordeling. "Vi har bestemt ikke så megen kraft som nogle af de
andre missioner, vi udfører, har, men det er ikke fire eller fem gange
anderledes. Det bliver i familien." Junos
solpaneler forbruger faktisk mindre rumfartøjsmasse end en RTG, men
spørgsmålet var uden betydning for missionens konstruktører, for der var ikke
en RTG til rådighed. Den sidste i det amerikanske inventar bliver brugt på
Mars Science Laboratory, der skal opsendes til efteråret (2011, o.a.) og
udvikling af et nyt sæt RTG'er til Juno "ville have sprængt
banken," siger Gasparrini. Ligesom den præcise navigation og titanium
boksen var solpanelerne med til at muliggøre missionen. Som med
ethvert rumfartøj er masse afgørende og Juno er ingen undtagelse på grund af
al manøvreringen for at få Juno til Jupiter og indsamle data. Selve det
grundlæggende fartøj vejer 1.500 kg. med en brændstoflast på 2.000 kg.
Gasparrini siger, at der med tiden vil komme til 100 kg mere brændstof end
planlagt, når den endelige vægt af fartøjet justeres mod de 3.625 kg, som
fartøjet må veje på Atlas V 551 raketten. Atlas
varianten er den samme som løftede New Horizons missionen den 19. Januar,
2006 mod en forbiflyvning af Pluto i Juli 2015. Den opsendelse satte en
rekord for den hurtigste flugt fra Jordens gravitation, der stadig står idag
og New Horizons nåede Jupiter på kun 13 måneder. Juno er tungere og vil
skride frem i et mere stateligt tempo mod sin indsættelse i kredsløb i 2016. Opsendelsesvinduet
for Jupiter vil åbne den 11. August 2011, med flyvemuligheder til 31. August.
Atlas V vil drive rumfartøjet mod Jupiter, siger Gasparrini, og dens Centaur
øvre trin vil sende den i den rigtige retning. Derefter vil det være et
relativt rent skud mod Jupiter, som kun kræver én forbiflyvning af Jorden - i
September 2013 - før sonden bevæger sig ind i sit polare kredsløb den 5. Juli
2016, eller lidt senere. Solpanelerne
vil begynde at folde sig ud 70 minutter efter opsendelsen med udfoldning ved
deres fjederbelastede hængsler i omkring 30 minutters intervaller, mens
rumfartøjet spinder ved 0,5 rpm. Opsendelsesfartøjet vil spinde Juno op og
den vil fortsætte med at spinde med forskellige hastigheder i løbet af
missionen. Under
turen til Jupiter vil den normale spindhastighed være 1 rpm, øgende til 5 rpm
ved indsættelse i kredsløbet. Den vil spinde med 2 rpm, mens den indsamler
videnskabelige data. Man kan grundlæggende stabilisere sig gratis uden kraft,
gennem den kendsgerning at man er spindstabiliseret," siger Gasparrini.
"Det blev taget i betragtning ved konstruktionen af nyttelasten; den
skulle konstrueres til at kunne lave videnskab mens vi spandt." Missioner
finansieret under NASAs New Frontiers program ledes af den første forsker som
foreslog det. Scott Bolton fra Southwest Research Institute i San Antonio,
Texas foreslog Juno og han siger ideen opstod, da han brugte radaren på
Cassini Saturn sonden til at studere Jupiters strålingsbælter. "Gløden"
i radiobølgelængder fra Jupiters relativt varme atmosfære var støj, der
gjorde hans kun lytten observationer uklare, hvilket havde virkningen at gøre
Cassini radaren til et langdistance mikrobølge radiometer.
I
diskussioner med kolleger, der forfulgte spørgsmålet om hvor meget vand der
er i Jupiter, rester af Gallileo missionen, erkendte Bolton, at det måske var
muligt at lave mikrobølgemålinger af den atmosfæriske glød fra en polar bane
under strålingsbælterne, som ellers dækker for præcise temperaturmålinger. "Hvis
jeg får denne måling i atmosfæren på en hel masse forskellige frekvenser, kan
jeg sammenligne dem med min model af, hvor varm Jupiter er og den eneste
variabel er, hvor meget vand der er, " siger Bolton. Der var
andre spørgsmål, som kunne besvares med en polkredsende sonde, der fløj under
strålingsbælterne, inkluderende dem som involverede Jupiters magnetosfære og
gravitationsfelter. Det førte til Juno forslaget, der blev valgt som NASAs
andet New Frontiers projekt. Den
videnskabelige nyttelast, som dukkede frem, bærer ni instrumenter og 25
følere. I dens kerne er mikrobølgeradiometeret (MWR), som voksede frem af
Boltons arbejde med Cassini radaren. MWR vil være i stand til at sondere
meget dybere ind i atmosfæren end den fysiske sonde, som Galileo udsendte,
ved brug af seks bølgelængder til at måle sammensætning over et område af
højder. Andre
instrumenter i gruppen er: ·
Jovian Auroral Distributions Experiment (JADE), som vil studere plasma
strukturen af planetens nord- og sydpolarlys ved at måle partikelfordelinger
i den polare magnetosfære. ·
Jupiter Energetic-partikel Detector Instrument (JEDI), til at måle
brint, helium, ilt, svovl og andre ioner i den polare magnetosfære. ·
Ultraviolet Stectrograph (UVS) en billeddannende spektrograf der
arbejder mens rumfartøjet spinder ved at optage data på ultraviolette fotos
detekteret under hver rotation. ·
Jovian Infrared Auroral Mapper (Jiram), som vil studere forbindelserne
mellem nord- og sydpolarlysene og planetens magnetosfære. ·
Plasma Wave Instrument (Waves), som vil måle radio- og plasmaspektre i
nord- og sydpolarlysene. ·
Fluxgate Magnetometer (FGM), to følere der vil måle styrken og retningen
af planetens magnetiske felt. ·
Advanced Stellar Compass (ASC), en startracker konstrueret til at give
ekstremt nøjagtige data om magnetometernes pegen. ·
Gravity Science (GS), som vil bruge Doppler virkninger på rumfartøjets
kommunikationer med Jorden for at studere planetens masseegenskaber. ·
Desuden vil rumfartøjet bære et trefarve kamera kaldet JunoCam til at
levere billeder til offentlighedens interesse og rækken ud, såvel som
videnskabelige sammenhænge. Ulig Mars
Science Lab og James Webb Space Telescope - begge lider af overforbrug af
omkostninger - er Juno en af de første store rumvidenskabsmissioner der har
gennemgået en NASA proces kaldet Joint Confidence Level (JCL), som bruger
udenfor stående eftersyn til at vurdere omkostninger på et 70% niveau af
sikkerhed. I budgethøringer for Kongressen i år har administrator Charles
Bolden pralet af at Juno og måne Gravity Recovery og Interior Laboratory
(Grail) missionerne har draget fordel af processen. "Vi
har uafhængige vurderinger af vore omkostninger og planlægning,"
fortalte han House Appropriations sub commitee, der fastsætter NASA forbrug.
"Grail og Juno kommer hjem på omkostninger og planlægning, fordi de blev
udsat for JCL processen, hvor vi fik uafhængige vurderinger af, hvad vore
virkelige omkostninger ville være." Generelt
siges New Frontiers missioner som Juno at toppe ved 700 millioner dollars.
Men opgørelsen for Juno er lidt mere kompleks på grund af tidlige ændringer i
budgetprofilen for projektet. Ifølge
Jim Adams, vicedirektør for planetvidenskab i Science Mission Directorate i
NASA hovedkvarteret, var det oprindelige låg på den anden New Frontiers
mission - som blev til Juno - 650 millioner dollars, inkluderende
opsendelsen, målt i finansåret 2003 dollars. Da Juno
blev udvalgt to år senere var det citerede låg 842 millioner dollars i det års
dollars, inklusive opsendelsen. Forskellen blev tilskrevet inflation og
ændringer i NASAs regnskabsplaner og kunne troværdigt spores tilbage til
tallet 650 millioner dollars, siger Adams. Det tal
krævede en opsendelsesdato i 2009; men NASAs ledere strakte næsten
øjeblikkeligt programmet to gange for at imødekomme andre behov - først til
en opsendelse i 2010 og så til det nuværende planetvindue i August. Med den
første ændring gik vurderingen af omkostningerne op til 931 millioner dollars
på grund af den yderligere tid, inflation og stigende omkostninger ved
opsendelsen. Den anden udstrækning tog omkostningerne op til 1,07 milliarder
vurderingen.
Derefter
blev projektet udsat for et JCL gennemsyn for at opnå 70% tillidsniveauet,
som processen krævede. Det skubbede de vurderede totale omkostninger op til
1,107 milliarder, hvor de står idag. Af det beløb er et indre beløb kaldet
"første forsker omkostningslåg" 1,09 milliarder, hvilket giver
projektet "en lille smule plads" til stigende omkostninger under
den kommende operationelle fase. De ville
mest sandsynligt opstå hvis Juno møder et uventet teknisk problem under
rejsen til Jupiter eller mens den indsamler videnskabelige data; men ud fra
et teknisk standpunkt er den faktisk forblevet på sporet, efter planen blev
endeligt fastlagt på NASA hovedkvarteret. Indtil den 9. Marts havde
programmet 21 dages margin i planen, før opsendelsesvinduet åbner og
rumfartøjet havde afsluttet termisk vakuum afprøvning på Lockheed Martins Denver
afdeling. Chodas,
JPL projektleder som kører programmet for Principal Investigator Bolton og
Gasparrini, som udviklede flyvesystemet på Lockheed Martin, tilskriver begge
deres succes med at holde sporet til adskillige ingeniørmæssige faktorer. Disse faktorer
afhænger i stor grad af erfaringen, som deres respektive
ingeniørorganisationer havde vundet i forudgående planetare
videnskabsmissioner. Det kan have betydninger for fremtidige udforskning af
det dybe rum, hvis NASAs nuværende budgetproblemer tvinger agenturet til at
afkorte store missioner i de kommende år. "Folk,
som er i jobs hele vejen rundt, har det rette sæt erfaringer og det rigtige
samarbejde," siger Chodas. "Folk flyttede rundt på forskellige jobs,
så de vil sige ' Åh, pas på dette, eller har du tænkt på det,' fordi de
lavede det arbejde på en tidligere udvikling." Det
samarbejde var især nyttigt på Juno, fordi det hvilede tungt på nedarvet
hardware og software fra tidligere missioner - endnu en faktor som dens
topledere siger bidrog til Junos relativt glatte udvikling. Rumfartøjets
elektronikgruppe blev udledt fra udstyr oprindeligt udviklet for Mars
Reconnaisance Orbiter og andre rumfartøjer. Foruden
dette gav de to forsinkelser tidligt i programmet dets udviklere mere tid til
at forberede til det vanskelige miljø Juno vil møde og gennemtænke
potentielle fælder omhyggeligt. "Miljøudfordringerne,
som vi stod overfor blev taklet tidligt i konstruktionen, så det var ikke som
at komme halvvejs igennem bygning og afprøvning og pludselig erkende, 'Åh, du
mener, vi skal være magnetisk rene; vi brugte ikke de rette materialer, vi
brugte ikke de rette teknikker?' Der blev lagt en masse fremsynethed og
planlægning ind. Vi havde en masse typiske emner, som dukker op når man
bygger hardware og software, men ikke den slags ting." Sløret løftes Jupiters skyer menes af skjule vidnesbyrd om måden, hvorpå planeter
dannes NASAs
Juno mission vil sondere Jupiters atmosfære i søgen efter tegn på, hvordan
den største planet i Solsystemet, og selve Solsystemet, dannedes ud fra en
tidlig sky af gas. Jupiter
er sandsynligvis den ældste planet, men den holder sine hemmeligheder
tilsløret under de skyer og massive storme, vi kan se fra Jorden. Ved at
sende Juno ned under strålingsbælterne i et polært kredsløb, der fører den
ned blot 4.800 kilometer over skytoppene håber videnskabsfolkene at udrede
nogle af disse mysterier med sonderende målinger, der burde afsløre planetens
sammensætning og struktur. "De
primære spørgsmål, vi er efter, har at gøre med Jupiters oprindelse,
oprindelsen til Solsystemet og hvordan planeterne blev lavet og hvordan og
hvorfor planeterne er en lille smule anderledes end Solen og især de flygtige
stoffer der med tiden førte til Jorden og selve livet," siger Southwest
Research Institute forsker Scott Bolton, Junos chefundersøger. "Især er
det vi er efter, hvor meget vand eller ilt er der inde i Jupiter." Den
kernekraftdrevne Galileo mission sendte en sonde ind i Jupiters atmosfære i
Juli 1995, som returnerede data i næsten en time. Men mens sonden opnåede
gode målinger af nitrogen og svovl, stoppede den med at virke - knust af det
voksende tryk 150 kilometer under skytoppene - før den kunne sende et gyldigt
tal tilbage for vand. At finde det tal vil være et af Junos vigtigste mål. "Vi
ved ikke rigtigt, hvor vandet på vor Jord kom fra," siger Bolton.
"Vi har disse oceaner og folk siger 'Tja, måske kom de fra kometer.'
Nogle af folkene forestiller sig at det kom fra perioden med tungt
bombardement ...Måske blev Jupiter også bombarderet og det er, hvor dens vand
kom fra. Måske er det derfra de tunge grundstoffer kom. Vi ved det ikke
rigtigt. Disse grundlæggende målinger er fundamentale for at fortælle os
Jupiters historie, at placere hvordan den dannedes, hvor længe det tog at
danne den og de processer, der lavede den. Det gør at vi kan spore disse
flygtige stoffer på det trin af Solsystemet." Grundlæggende
vil Juno bruge sit mikrobølge radiometer til at måle absorptionen af
radiobølger af forskellige komponenter af Jupiters atmosfære, inklusive vand
og ammoniak. Atmosfæren "gløder" i radiobølgelængder og frekvensen
fortæller forskerne, hvad der blokerer radiobølgerne eller lader dem slippe
igennem. "Hvis
jeg går dybere ned med en længere bølgelængde, så kan atmosfæren blive mere
gennemsigtig for mig ved den længere bølgelængde og jeg vil se gløden fra
længere nede," siger Bolton. "Grunden til at atmosfæren er
gennemsigtig eller uigennemsigtig er, at vand og ammoniak udfører
absorptionen i atmosfæren ved disse særlige bølgelængder."...Ved toppen
af atmosfæren og de meget høje frekvenser måler jeg ammoniak. Dybere nede
måler jeg vand, fordi det er det, der udfører det meste af dæmpningen. Så det
er en slags trick. Det er vores mikrobølge eksperiment og det er stort set
grundlaget for Juno." En sonde
i polært kredsløb tæt på planeten var også tiltrækkende for forskere, der
prøvede at udregne planetens indre struktur ved at udføre meget præcise målinger
af dens gravitation ved brug af Doppler skift i rumfartøjets kommunikationer
tilbage til Jorden. Baseret på disse data vil forskerne måske kunne bestemme
om der er en kerne af tunge grundstoffer i centrum af Jupiter, noget de ikke
ved idag. Oversigt over Junos nyttelast
NASA/JPL/CALTECH NASA
overvejede allerede en polarkredsende mission til Jupiter blot for at måle
planetens komplette magnetfelt, så Juno tilfredsstillede det. Og den polare
bane gav forskerne en chance for at bruge polarlysene der til at studere den
polare magnetosfære "som en gratis gave," siger han. "Alle
disse grupper dannedes sammen under mig for at skabe Juno," siger
Bolton. Når data
først begynder at strømme i 2016, vil Juno være i stand til at besvare
spørgsmål, der går hinsides de særlige egenskaber ved dens målplanet.
Forskerne tror, at Solsystemet blev dannet, da en sky af brint og lidt helium
samlede sig til Solen, med resterne til at gå videre og danne Jupiter. Men
Jupiter har andre grundstoffer og at måle dem nøjagtigt - begyndende med vand
- har længe været et mål for rumforskere. "Der
må være sket noget efter Solen blev dannet for at muliggøre at Jupiter og
resten af planeterne at blive dannet med en lidt anderledes blanding,"
siger Bolton, mens han forklarer at afkølingen af den tidlige planetskive
tillod forskellige materialer at skille sig ud med forskellige hastigheder,
begyndende med vandis. Målet for Juno er at udfylde de blanke huller. "Vi
tager til Jupiter og gør dette fordi den er stor," siger han "Den
har det meste af materialet foruden Solen. Hvis jeg tager alt andet i
Solsystemet får jeg ikke Jupiter." Fra Back to Jupiter og Parting the Veil, Aviation Week &
Space Technology, 21. Marts 2011. |
