Lot na Jowisza za 5 miliardów dolarów. Start Europa Clipper na pokładzie Falcon Heavy

Jowisz ze swoją czerwoną plamą i jego największe księżyce to jedne z najbardziej interesujących obiektów w Układzie Słonecznym, które w najbliższej przyszłości zbadają jedynie pojazdy bezzałogowe. Pierwsze zdjęcia z bliska Jowisza, jego księżyców, w tym Europy, wykonała sonda Pioneer 10 w 1973 r. Najnowsze pochodzą z kolei z sondy NASA Juno, która zajmuje się badaniem całego układu jowiszowego.

Najstarsze i jedne z najnowszych zdjęć księżyca Europa wykonane w pobliżu Jowisza. (fot: NASA)

Na księżycach Jowisza, koncentruje się europejska misja JUICE, która już od półtora roku leci w kierunku gazowego giganta, a także misja NASA Europa Clipper, której start ma nastapić nie wcześniej niż 12 października, gdy tylko huragam Milton przestanie szaleć nad Florydą. Jak wskazuje nazwa, głównym celem tej drugiej misji jest księżyc Europa. Jego znaczenie zarówno w nauce (spodziewany ogromny rezerwuar wody pod lodową skorupą) jak i kulturze masowej (2001: Odyseja Kosmiczna i kolejne) jest nie do przecenienia. Jest to lodowy księżyc o średnicy 3122 km, która stanowi 90 procent rozmiaru Księżyca.

Sonda z ogromnymi panelami fotowoltaicznymi

Jowisz znajduje się średnio w odległości 780 milionów km od Słońca, gdzie promieniowanie słoneczne nie jest już tak silne jak np. w okolicy Marsa, czy nawet w pasie asteroid. Do Jowisza dociera tylko 4 procent promieniowania słonecznego, które trafia do Ziemi. Dlatego konstruktorzy sond, którzy nie chcą stosować jako źródła energii radioizotopowych generatorów termoelektrycznych, muszą zdecydować się na bardzo duże rozmiarem panele fotowoltaiczne.

Zdjęcia pokazujące rozmiar pojazdu i paneli słonecznych - szerokość sondy z rozłożonymi panelami wyniesie około 30 metrów. (fot: NASA)

Tak jest w przypadku sondy Europa Clipper, która otrzymała ogromne panele o łącznej powierzchni 102 metrów kwadratowych. W odległości Jowisza zagwarantują one budżet energetyczny na poziomie ponad 700 W. Tyle zużywa średniej mocy odkurzacz przewodowy, prosta mikrofalówka lub opiekacz do kanapek, a także komputer do gier pracujący pod obciążeniem. Gdy panele zostaną rozłożone tuż po starcie na orbicie, będą generować aż 23 kW.

Misja Europa Clipper to w pewnym sensie wyprawa do piekła

Europa obiega Jowisza w średniej odległości około 600 tysięcy km od jego powierzchni. To wciąż na tyle blisko, by księżyc znajdował się stale w obszarze silnego pola magnetycznego macierzystej planety (20 tysięcy razy silniejszego niż ziemskie) i powstającego tam silnego promieniowania.

Przykładowa orbita Europa Clipper wokół Jowisza. Zaznaczone są orbity księżyców galileuszowych, a także obszary o silnym (źółty kolor) i bardzo silnym (czerwony kolor) promieniowaniu. (fot: NASA)

To właśnie ono czyni otoczenie Europy jak i jej powierzchnię radiacyjnym piekłem, gdzie ciągłe przebywanie stwarza zagrożenie nie tylko dla organizmów żywych, ale też elektroniki i to nawet tej dobrze izolowanej. Dlatego też sonda Europa Clipper nie będzie bezpośrednio orbitować wokół Europy, a z każdym obiegiem Jowisza zanurzać się na pewien czas w okolice księżyca, by wykonać obserwacje. Część eliptycznej orbity sondy znajdująca się z dala od Jowisza, będzie miejscem, skąd sonda bezpiecznie dokona transmisji danych i odbierze polecenia z Ziemi.

W trakcie każdego przelotu w pobliżu Jowisza i księżyca Europa, sonda będzie wystawiona na dozę promieniowania porównywalną z kilkoma milionami prześwietleń rentgenowskich klatki piersiowej.

Wymagające środowisko wokół Jowisza jeszcze niedawno budziło obawy wśród konstruktorów sondy, gdy pojawiła się obawa, że zastosowane tranzystory do kontroli przepływu prądu w obwodach pojazdu, mogą jednak nie wytrzymać silnego promieniowania. Dodatkowe testy przekonały jednak obsługę misji, że to prawdopodobnie obawy na wyrost i sonda może lecieć. Zresztą i tak już niewiele dałoby się teraz zrobić.

Cała wrażliwa elektronika, którą mogłoby uszkodzić promieniowanie, została ukryta w komorze. Jej ścianki, o grubości 9,2 milimetra, wykonano z wytrzymałego, ale też lekkiego stopu aluminium z cynkiem. (fot: NASA)

Data startu jeszcze nie jest pewna. Wszystko zależy od huraganu Milton

Lot Europa Clipper na Jowisza potrwa 5 i pół roku. W tym czasie sonda wykorzysta asysty grawitacyjne od Marsa i Ziemi, by dotrzeć do celu w kwietniu 2030 r. Podróżując pokona 2,9 miliarda km - lot nie odbywa się po prostej ku Jowiszowi, ale po pętlach wokół Słońca. Zanim jednak ta przygoda się zacznie, swoją robotę musi wykonać rakieta SpaceX Falcon Heavy, której start z sondą na pokładzie zaplanowano obecnie na 12 października o godzinie 18:19 naszego czasu. Jednak ta data nie jest pewna, czego wyraz daje SpaceX na stwojej stronie reklamując piąty lot Starshipa, a nie start Falcona Heavy z Europa Clipper, choć ten testowy lot zaplanowano dopiero na 13 października.

Na biało, trasa lotu Europa Clipper. Najpierw sonda ruszy w stronę orbity Marsa, przeleci w jego pobliżu (miesiąc wcześniej niż sonda Hera), znowu zbliży się do Ziemi, by ostatecznie ruszyć w kierunku Jowisza. (fot: NASA)

Wcześniej zakładano, że start nastąpi 10 października, jednakże szalejący w okolicy Florydy huragan Milton wymusił zmianę planów. Poniedziałkowy start sondy ESA Hera odbył się w ostatnim sprzyjającym momencie, ale na terminowy start Europa Clipper NASA i SpaceX już się nie zdecydowały.

Lot Falcon Heavy z najcenniejszym ładunkiem w historii SpaceX

Falcon Heavy to w zasadzie wariant rakiety Falcon 9, który różni się od niej zastosowaniem dodatkowych dwóch dopalaczy (pierwszy członów Falcon 9, który może być odzyskany po starcie), co nadaje rakiecie charakterystyczny wygląd. Te dopalacze nie są używane jako część rakiet Falcon 9 podczas ich startów, a wyłącznie podczas startów Falcon Heavy. Tym razem główny dopalacz będzie zastosowany po raz pierwszy. Natomiast te boczne już pięć razy były używane, między innymi podczas startu sondy Psyche oraz samolotu Boeing X-37B. Start rakiety zaplanowano z platformy LC-39A.

Rakieta Falcon Heavy podczas startu misji Psyche w 2023 r. (fot: NASA/SpaceX)

Falcon Heavy ze względu na duży ciąg podczas startu jest wykorzystywana przede wszystkim w przypadku dalekich misji międzyplanetarnych lub do wyniesienia ciężkich satelitów na orbitę geostacjonarną. Europa Clipper waży 5,8 tony, z czego 2,8 tony to paliwo potrzebne do manewrów podczas podróży na Jowisza i podczas pobytu na jego orbicie. W pozostałych zastosowaniach, także do załogowych lotów na ISS, wystarcza moc pojedynczej rakiety Falcon 9. Przestrzeń ładunkowa Falcon Heavy jest taka sama jak Falcon 9, więc nie zyskalibyśmy wiele na zastosowaniu tej rakiety w przypadku lotu na niską orbitę wokółziemską.

Dotychczas sonda Falcon Heavy startowała regularnie 10 razy, pierwszy raz w 2018 r. ze słynnym ładunkiem w postaci Tesla Roadstera. Siedem ze startów miało miejsce w ciągu ostatnich dwóch lat. Cena jedenastego lotu z sondą Europa Clipper wyniesie około 180 milionów dolarów. To jednak tylko ułamek ceny programu Europa Clipper, który od zainicjowania w 2015 r. do końca głównej fazy obserwacji w 2034 r. ma wedle szacunków pochłonąć ponad 5 miliardów dolarów. To tylko dwa razy mniej niż koszt traktowanego jak puszka bez dna programu teleskopu kosmicznego Webb.

Sonda Europa Clipper podczas pakowania do komory ładunkowej rakiety SpaceX. (fot: NASA/SpaceX)

Po co nam Europa Clipper? Co da 49 przelotów w pobliżu księżyca Jowisza

Gdy Europa Clipper dotrze do Jowisza wykorzysta grawitację Ganimedesa (to główny obiekt zainteresowań sondy JUICE), największego księżyca w Układzie Słonecznym, by zwolnić i zaparkować na orbicie wokół planety. W kolejnych latach - od 2031 do 2034 r. - sonda wykona 49 przelotów w pobliżu Europy.

O tym ciele niebieskim, które przez teleskop pierwszy zobaczył Galileusz, wiemy już sporo, jednakże nie było dotychczas zakrojonego na szeroką skalę projektu badań Europy. NASA podkreśla, że choć misja Europa Clipper nie ma na celu wskazać, czy istnieje tam życie, to ma odpowiedzieć na pytanie, czy planujemy szukać w dobrym miejscu. Wszelkie kolejne misje, czy to związane tylko z lądowaniem na Europie, czy też z próbą odwiertów, a nawet dotarcia do ciekłej wody, będą bardzo kosztowne. Trzeba więc argumentu, by uzasadnić ich realizację.

Tak wyobrażamy sobie wnętrze Europy. Poniżej lodowej skorupy, która może mieć nawet kilkadziesiąt km grubości, znajduje się wszechocean, a następne skalisty płaszcz i metaliczne jądro. (fot: NASA)

Jedno z badań jakie zrealizuje Europa Clipper, jest odpowiednikiem tomografii komputerowej. Wykona je instrument REASON, który w ten sposób określi jak zbudowana jest lodowa otoczka księżyca i czy pod nią znajduje się faktycznie ciekła woda. Sonda zdoła też ocenić słoność tej wody. Niezależne rezultaty z eksperymentów grawitacyjnego i radiowego, zweryfikują potencjalną detekcję podpowierzchniowego oceanu. MASPEX to z kolei narzędzie do dokładnej analizy atmosfery Europy oraz tego co może wydobywać się w jej powierzchni (być może będzie to para wodna), a również świadczy o wewnętrznej strukturze.

Pozostała aparatura naukowa zbada obecny w otoczeniu Europy pył, określi jak wygląda dystrybucja ciepła na księżycu, a także scharakteryzuje skład chemiczny skorupy. Spektrograf Europa-UVS będzie wypatrywał wyrzutów materii na powierzchni, a kamera EIS zrobi to co będzie najbardziej efektowne, czyli dokładnie sfotografuje powierzchnię Europy i jej najciekawsze miejsca. Scharakteryzowana będzie także interakcja Księżyca z Jowiszem i jego polem magnetycznym.

Rozmieszczenie sensorów powiązanych z instrumentami na pokładzie Europa Clipper. (fot: NASA)

Łącznie sondę wyposażono w dziesięć instrumentów, które będą jednocześnie funkcjonowały podczas każdego z przelotów w pobliżu Europy. To wyzwanie nie tylko dla podsystemów gromadzenia danych, ale także kontroli termicznej, gdyż część aparatury będzie schładzana do poniżej minus 190 stopni Celsjusza, a wnętrze sondy nie będzie się nagrzewało równomiernie.

Źródło: NASA/JPL, inf. własna