Eksperci: dzięki misji JUICE otworem stanęły dla nas największe programy ESA

Prof. dr hab. Hanna Rothkaehl kierowała polską grupą uczestniczącą w pracach nad jednym z kluczowych instrumentów badawczych sondy - RPWI (Radio & Plasma Wave Investigation - instrument do odbioru fal radiowych i plazmowych). Mgr inż. Konrad Skup jest kierownikiem wykonawczym polskiego projektu będącego częścią prac nad SWI (Sub-millimeter Wave Instrument).

PAP: Dlaczego Europejska Agencja Kosmiczna zdecydowała się poświęcić flagową misję układowi Jowisza, a w szczególności jego księżycom?

Prof. dr hab. Hanna Rothkaehl: To rzeczywiście przełomowa misja. System Jowisza przypomina mały układ planetarny. Jego badanie dostarczy więc wielu informacji o tym, jak działają i powstają systemy planetarne, w tym Układ Słoneczny. Będziemy m.in. badać zjawiska elektromagnetyczne, np. oddziaływanie magnetyczne płaszcza Jowisza chroniącego cały układ przed promieniowaniem słonecznym. Dokładne badanie księżyców jest równie ważne. Kiedyś sądzono, że są to proste, skaliste twory bez wewnętrznej struktury. Okazuje się jednak, że mają złożoną budowę - posiadają m.in. wulkany, struktury lodowe, potężne termiczne źródła cieczy, ukryte wodne oceany. Sonda będzie zdalnie badała m.in. właśnie te oceany, a także atmosfery, jonosfery, magnetosfery księżyców.

Mgr inż. Konrad Skup: Jowisz to największa, a dla niektórych najpiękniejsza planeta Układu Słonecznego. Posiada wspaniałe, wielokolorowe pasma chmur, które okrążają tę planetę. Fantastyczne zorze polarne ozdabiają północny i południowy biegun. Czerwona plama, większa od Ziemi, to trwająca ponad 400 lat burza. Potężne pole magnetyczne opasa planetę, efektem czego są pasy radiacyjne działające niczym akcelerator cząstek. Posiada też 92 księżyce, z których 4 największe i przy okazji najciekawsze znamy co najmniej od czasów Galileusza.

PAP: Księżyce, które bardzo interesują dzisiejszych naukowców...

K.S.: Jest wśród nich Io, na powierzchni którego podobnie jak na Hawajach działają aktywnie wulkany, przy czym z ich wnętrza wydobywa się nie lawa, nie magma, lecz płynna siarka, a być może coś więcej. Europa to księżyc pokryty grubą warstwą lodu o grubości kilkuset metrów, być może kilku kilometrów. Pod powierzchnią tego lodu znajduje się woda. Czy w tej wodzie może być życie? Być może gejzery, które wydobywają się z jego powierzchni, pomogą nam udzielić odpowiedzi na to pytanie. Ganimedes to największy w Układzie Słonecznym księżyc, większy od planety Merkury. Na jego powierzchni znajdują się lodowce, a pod nimi być może rzeki, morza lub oceany, podobnie jak na Grenlandii. Pozostała część jego powierzchni to skały. Pytanie z czego się składają? Na koniec Kallisto, bardzo ciemny księżyc, ale jednocześnie piękny. Dlaczego jego powierzchnia jest właśnie ciemna? Skąd się wzięła i z czego się składa? Czy jest to węgiel, czy jakaś inna substancja chemiczna? I na koniec, dlaczego te wszystkie 4 księżyce są od siebie tak dramatycznie różne pomimo, że okrążają tę samą planetę?

PAP: Sonda ma szczególnie dobre przyjrzeć się Ganimedesowi - w planach jest wejście na jego orbitę. Dlaczego akurat ten księżyc został wybrany?

H.R.: Ganimedes jest szczególnie ciekawy, ponieważ prawdopodobnie posiada płynne jądro, ma też swoją magnetosferę, jonosferę, atmosferę. Wokół niego powstają prądy przyspieszające cząstki, w tym ogromne ilości pyłu. To także ważna informacja, które powie nam wiele o tym, jak działa nasz Układ Słoneczny oraz lepiej zrozumiemy procesy fizyczne zachodzące na Słońcu i innych gwiazdach. Ganimedes to jednocześnie największy księżyc Układu Słonecznego. Obecnie planowana jest eksploracja Księżyca, następnym przystankiem ludzkości będzie Mars. Jednak później bazy pozwalające na eksplorację jeszcze dalszej przestrzeni prawdopodobnie będą powstawały właśnie na Ganimedesie.

PAP: Tymczasem JUICE będzie miała towarzysza...

H.R.: NASA przygotowuje sondę Europa Clipper, która w stronę Jowisza ma wystartować w 2024 roku. Próbnik będzie prowadził podobne eksperymenty, jak JUICE. Będziemy więc mogli złożony system Jowisza oglądać z dwóch punktów. W pewnym momencie nawet obie sondy znajdą w pobliżu orbity Europy. To znacznie zwiększy nasze możliwości badawcze.

PAP: Jeden z ważniejszych instrumentów badawczych sondy JUICE był współtworzony przez Państwa zespół. Za co będzie odpowiadał?

H.R.: Urządzenie nosi nazwę Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI, instrument do odbioru fal radiowych i plazmowych). Jego zadanie będzie polegało na badaniu pola elektromagnetycznego pyłu otaczającego poszczególne księżyce. Pomiar gradientów tych pól pozwoli na zajrzenie pod powierzchnię i m.in. na analizę właściwości ukrytych oceanów. Umożliwi też badanie księżycowych jonosfer, atmosfer i magnetosfer.

PAP: Czy czujniki sondy będą też mogły wykryć ewentualne ślady życia?

H.R.: Próbnik nie ma na pokładzie sensorów, które mogłyby wykryć ślady biologiczne, ale ma instrumenty mogące zauważyć ewentualne związki chemiczne związane z życiem, obecne na przykład w atmosferze któregoś księżyca. Atmosfera Ganimedesa zostanie zbadana przy tym wyjątkowo dokładnie, bo na koniec misji sonda ma się na tym księżycu rozbić. Z tego powodu musi m.in. przejść przez procedury i testy związane ze sterylizacją. Chodzi o wykluczenie zagrożenia, że docelowy obiekt zostanie „zakażony” ziemskimi formami życia.

PAP: Jaki jest Państwa udział w budowie sondy?

H.R.: Już 15 lat temu zajmujący się strukturą plazmy w Układzie Słonecznym badacze z Europy doszli do wniosku, że niezwykle ciekawe byłoby wysłanie próbnika do układu Jowisza. My także braliśmy udział w promowaniu tego pomysłu. W tym czasie ESA ogłosiła konkurs na nową misję typu L (Large), czyli misje na dużym statku kosmicznym. Pomysł na podobne badanie Jowisza mieli także Amerykanie i miał z tego powstać program Laplace, który niestety upadł. Na szczęście ESA kontynuowała ten cykl badań i w trzyetapowym konkursie wygrał pomysł wysłania sondy do Jowisza. Nasz zespół, razem z kolegami ze Szwecji, Wielkiej Brytanii, Francji, Austrii, Czech oraz Japonii zajął się budową wspomnianego instrumentu RPWI. Objęłam stanowisko CoPrincipal Investigator (CoPi), czyli osoby zarządzającej naszym zespołem. Rolę Principal Investigator, czyli eksperta kierującego całym projektem RPWI przyjął Jan-Erik Wahlund z Uniwersytetu w Uppsali. Nasza grupa zbudowała centralny komputer, niektóre sensory i części mechaniczne.

PAP: Jak wyglądały prace?

H.R.: Najpierw dla całej misji zakłada się cele badawcze, potem opracowuje program, jak te cele zrealizować (co chcemy mierzyć i w jaki sposób), z uwzględnieniem parametrów fizycznych środowiska. Do tego oblicza się orbitę, ilość niezbędnego paliwa. Jeśli chodzi o nasz przyrząd, najpierw musieliśmy określić cele pomiarów, sposoby ich prowadzenia, kodowania danych. Budowaliśmy kolejne modele instrumentu i je testowaliśmy, najpierw na Ziemi, potem na pokładzie satelity. Trzeba wyeliminować wszelkie zakłócenia i mieć ponad 100-procentową gwarancję bezawaryjności. Jeśli coś się zepsuje w czasie misji, nie będzie jak tego naprawić, a do Jowisza sonda będzie leciała ponad 7,5 roku. Co więcej, przejdzie przez wiele asyst grawitacyjnych i np. pobliżu Wenus może osiągnąć temperaturę 300 st. C, a w innym miejscu - minus 200 st. To nie wszystko - w układzie Jowisza panuje potężne promieniowanie, więc wszystkie pokładowe systemy trzeba przed nim zabezpieczyć.

PAP: Jakie wyzwanie było w tych pracach największe?

H.R.: Najtrudniej było chyba skorelować działanie wszystkich układów i wyeliminować wszystko, co mogłoby je zakłócać. Sensory będą tak czułe, że mierząc pola elektryczne i magnetyczne będą „zaglądały” pod powierzchnię Ganimedesa. To wymagało wieloletnich, cierpliwych, żmudnych testów. Nad całym układem pracowaliśmy ponad 10 lat. Jesteśmy podekscytowani, że się udało.

PAP: W Centrum Badań Kosmicznych w innym zespole powstał jeszcze jeden instrument. Jakie jest jego przeznaczenie?

H.R.: Przy współpracy z Niemiecką Agencją Kosmiczną powstał SWI (Sub-millimeter Wave Instrument - instrument do obserwacji w zakresie fal submilimetrowych) - radar, który będzie prowadził badania z użyciem fal milimetrowych.

K.S.: Dzięki niemu dowiemy się, z czego składa się atmosfera Jowisza, czy w gejzerach Europy znajdują się cząsteczki organiczne, wskazujące, że pod jego powierzchnią jest życie i poznamy, z czego zbudowane są lodowce na powierzchni Ganimedesa. Instrument uchyli też rąbka tajemnicy dotyczącej składu powierzchniowego księżyców Jowisza, przy odrobinie szczęścia ujawniając, czym jest tajemnicza ciemna substancja na powierzchni Kallisto. Z całą pewności zaskoczy nas też kilkoma innymi odkryciami.

PAP: Na czym polegał Państwa udział w budowie tego urządzenia?

K.S.: Byliśmy odpowiedzialni za zaprojektowanie, wykonanie i przetestowanie trzech podsystemów: komputera pokładowego dla instrumentu, systemu zasilania pokładowego dla instrumentu oraz radiatora, czyli specjalnej płyty wielkości tarczy rycerskiej, umieszczonej na zewnątrz satelity i mającej na celu wypromieniowanie ciepła generowanego przez instrument, tak aby detektory pracowały w możliwie niskiej temperaturze.

PAP: Co było najtrudniejsze?

K.S.: Projekt był niewątpliwie trudny. Z jednej strony SWI jest jednym z największych instrumentów na pokładzie JUICE, skomplikowanym, w którym powierzono nam zadania wykonania równie złożonych podsystemów. Niektóre z rozwiązań wykorzystaliśmy z naszych wcześniejszych projektów, takich jak STIX w ramach misji Solar Orbiter, czy Cassis na pokładzie ExoMars. Do innych musieliśmy dojść całkowicie od zera.

PAP: Co Pan sądzi o potencjale polskich zespołów, jeśli chodzi o udział w misjach ESA?

K.S.: W niektórych dziedzinach jesteśmy w światowej czołówce i to inni patrzą na nas, ale są też oczywiście dziedziny, w których musimy się jeszcze sporo nauczyć. W niczym nie ustępujemy naszym zachodnim kolegom, o czym świadczy fakt, że w kolejnych misjach, tj. ARIEL, Comet Interceptor czy IMAP, jesteśmy odpowiedzialni za całe instrumenty, a nie tylko ich podsystemy.

PAP: Pani Profesor, zgadza się Pani z tym?

H.R.: Dla naszej grupy udział w misji JUICE otworzył drogę do nowych programów. Współpracując z ESA, trzeba się najpierw sprawdzić w mniejszych projektach, tak aby zyskać zaufanie i móc starać się o udział w większych programach i o większą odpowiedzialność. Wcześniej mieliśmy już pewną renomę - nasze instrumenty były wysyłane w kosmos już w latach 80., ale teraz otworem stanęły dla nas największe programy. Powierzono mi teraz funkcję lidera budowy jednego z instrumentów (składającego się z siedmiu przyrządów umieszczonych na dwóch satelitach) - sondy Comet Interceptor. Ma być ona wysłana do jednej z komet po raz pierwszy wlatujących do Układu Słonecznego. Do tego programu mogły wejść tylko grupy, które miały już doświadczenie w pracy nad innymi misjami.

PAP: Polska jest więc cennym partnerem dla ESA?

H.R.: Wchodzimy obecnie na poziom, kiedy przestajemy być już tylko podwykonawcami, tylko zaczynamy odgrywać role koordynatorów i głównych wykonawców. Możliwe, że Polacy kiedyś będą mieli jeszcze większe znaczenie - np. będą kierowali całą misją. Weszliśmy już do superligi, w której się liczymy. (PAP)

Nauka w Polsce, Rozmawiał Marek Matacz

mat/ bar/