Misja BepiColombo - którędy, po co i za ile

Zawiła droga BepiColombo na Merkurego

BepiColombo wystartował 20 października 2018 roku. Najpierw nabierze perspektywy trochę oddalając się od Słońca. Wiosną 2020 roku ponownie przeleci w pobliżu Ziemi i wykorzysta jej grawitację, by skierować się w kierunku Wenus. Tę planetę odwiedzi po raz pierwszy dokładnie prawie dwa lata po starcie. Niespełna rok później minie Wenus ponownie, by potem zanurzyć się w głębi Układu Słonecznego. Zanim to zrobi wykorzysta aktywne w tym czasie instrumenty, by dostarczyć kolejną próbkę informacji o Wenus.

Niedługo po starcie (wizja) - oddzielenie ostatniego modułu napędowego rakiety Ariane - od tamtej chwili BepiColombo zdany jest na siebie (i grawitację)

Pierwszy raz Merkurego BepiColombo minie już w październiku 2021 roku, trzy lata po starcie. Potem będą kolejne przeloty w pobliżu tej planety, aż w grudniu 2025 roku (kto wie jakie problemy będziemy mieli wtedy na głowie) po 18 obiegach wokół Słońca i pokonaniu około 9 miliardów kilometrów (największa względna prędkość sondy w trakcie asyst grawitacyjnych wyniesie 60 km/s), BepiColombo wejdzie na orbitę Merkurego. Dwa miesiące wcześniej odrzucony zostanie moduł transferowy z silnikiem jonowym (szczegóły w dalszej części tekstu). Co ciekawe stosunkowo niewiele więcej kilometrów na liczniku w połowie przyszłej dekady będzie miała też sonda New Horizons (o ile będzie dalej lecieć), a przecież już w 2015 roku odwiedziła Plutona.

W marcu 2026 roku rozpoczną się badania naukowe. W ich trakcie odległość BepiColombo od Ziemi będzie znacząco się zmieniać (w linii prostej do Merkurego mamy od 77 do 222 milionów kilometrów). W najgorszym przypadku zwłoka w komunikacji wyniesie 26 minut (po takim czasie dostaniemy odpowiedź na zapytanie).

Pierwsza faza misji BepiColombo zakończy się 1 maja 2027 roku, a na kolejny rok planowania jest misja rozszerzona. Dalsze plany nie sa jeszcze znane, ale warto być dobrej myśli. Wiadomo, że okolice Merkurego nie są tak pobłażliwe jak sąsiedztwo Marsa dla sond pracoholików, ale Messenger orbitował aż 4 lata zanim utracił zdolność manewrową.

BepiColombo w konfiguracji rejsowej - tak pewnie teraz wygląda przemierzając przestrzeń kosmiczną

A od tyłu działający silnik jonowy (ma kilka dysz). Tzn. będzie działał, ale dopiero za dwa miesiące.

Tymczasem po trzech dniach od startu, rozłożeniu ogromnych paneli słonecznych, aktywowaniu anten komunikacyjnych i wykonaniu serii zdjęć kontrolnych, BepiColombo rozpoczął fazę rejsową. Pod koniec roku uruchomiony zostanie główny napęd. Tak jak w przypadku obserwatorium Parkera będzie kilka krytycznych momentów jeszcze przed osiągnięciem celu po raz pierwszy w 2021 roku. I tak jak w przypadku wielu innych misji, choć start jest emocjonujący i bardzo wiele od jego powodzenia zależy, ta misja ciekawa pozostaje przez cały czas. Będziemy do niej jeszcze wracać.

We dwójkę raźniej - współpraca ESA i JAXA

Współpraca dwóch lub więcej agencji kosmicznych przy projektach eksploracji Kosmosu to coś naturalnego. Dotąd o BepiColombo mówiłem jako o pojedynczej sondzie, jednak poprawnie jest zaakceptować jego troistość. Bo w praktyce są to dwa niezależne próbniki, które wykorzystają ten sam moduł transferowy. 

Moduł transferowy wykorzystywany jest wyłącznie w trakcie podróży z Ziemi na Merkurego. Wyposażono go w silniki na paliwo chemiczne (jego łączna waga w przypadku BepiColombo wynosi około 1400 kilogramów), których celem było wyprowadzenie całego pojazdu poza orbitę wokółziemską. Po ich odłączeniu napęd sondy zapewnia grawitacja planet i Słońca oraz silnik jonowy. Ten elektryczny napęd, choć o znikomym ciągu równym 290 mN, dzięki pracy nieraz przez wiele miesięcy bez przerwy, posłuży dodatkowemu hamowaniu, co jest konieczne w przypadku lotu ku Słońcu. Czynnikiem napędowym jest tutaj ksenon, a zasilanie zapewnia bateria paneli słonecznych (budżet energetyczny około 15 kW, a im bliżej Słońca znajdzie się sonda, tym efektywniejsza będzie konwersja energii).

Bateria paneli słonecznych modułu transferowego trakcie testów wydajności

Gdy BepiColombo dotrze do Merkurego rozdzieli się na dwa orbitery. Planowano też lądownik, ale jak widać koszty tym razem były nie do pokonania. Zresztą, co za dużo to niezdrowo.

Pierwszy z orbiterów, który wchodzi w skład misji BepiColombo, to MPO (Mercury Planetary Orbiter). Jest to dzieło ESA podobnie jak moduł transferowy. Drugi orbiter stworzony z kolei przez japońską agencję JAXA to MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter). Wykorzystuje on w czasie podróży osłonę dostarczoną przez ESA.

Orbiter MPO (jeszcze bez wystających części) podczas testów w komorze termicznej

Orbiter MMO podczas swoich testów wirował, bo tak będzie unikał przegrzania

W chwili startu BepiColombo wraz z paliwem ważył 4100 kilogramów (by pokonać pierwszy krok, opuścić kosmodrom Kourou i wynieść go na orbitę sama rakieta Ariane 5 spaliła 700 ton paliwa). Z tego też powodu nie dało się skorzystać z mniej mocnej rakiety Sojuz (ale kto wie, może to i dobrze). Ta masa dość szybko ponownie się skurczyła po opuszczeniu okolic Ziemi, a po dotarciu na Merkurego podzieli się jeszcze w nierównych proporcjach. Na MPO przypada 1200 kilogramów (waga podobna jak w przypadku Messengera), w które wliczone jest też własne paliwo orbitera - wchodząc na orbitę wykorzysta on znaczną część tego zapasu paliwa. Orbiter MMO waży tylko 255 kilogramów.

Złożone elementy BepiColombo przed umieszczeniem w owiewce rakiety Ariane 5

Bepi - po co pchasz się w taki żar?

Waga instrumentów naukowych w cięższym z orbiterów wynosi 85 kilogramów (11 instrumentów), a w lżejszym 45 kilogramów (5 instrumentów). Ich celem jest:

• zebranie kolejnych pomiarów, które uściślą nasze rozumienie Ogólnej Teorii Względności (w świetle dokładniejszych modeli i obliczeń uwzględniających wpływ na orbity Merkurego nie tylko ze strony Słońca)
• zebranie informacji, które posłużą stworzeniu dokładnego modelu wnętrza planety (zakładamy dziś, że 70% objętości Merkurego to metaliczne jądro, a resztę stanowi materiał skalny - odwrotnie jak w przypadku Ziemi, Wenus i Marsa)
• badanie pozostałości procesów aktywności powierzchniowej, analiza osadów powierzchniowych i depozytów wody
• określenie składu, struktury, pochodzenia i dynamiki egzosfery Merkurego (tylko tę warstwę atmosfery wyróżniamy przy tej planecie)
• badanie dynamiki i budowy magnetosfery planety, a także zachowania się materii w otoczeniu Merkurego
• poprawa naszej wiedzy na temat pochodzenia planetarnego pola magnetycznego Merkurego
• i w końcu dostarczenie kolejnych wskazówek na pochodzenie Merkurego (przypuszcza się, że powstał on znacznie dalej od Słońca i w zasadzie tam gdzie jest należy go traktować jako imigranta), co pozwoli też lepiej interpretować obserwacje pozasłonecznych układów planetarnych

Złożony z trzech klocków - (moduł transferowy na dole, MPO i MMO) BepiColombo

A na głowę komin, czyli osłona dla próbnika MMO. Ta niby słuchawka łazienkowa z przodu to antena dużej mocy, którą BepiColombo będzie wykorzystywał w podróży

To co będzie robił BepiColombo to także kontynuacja badań prowadzonych przez Messengera. I choć tamta sonda już swoje odkryła, to BepiColombo nawet jeśli tylko potwierdzi wczesniejszą wiedzę o Merkurym zrobi to dużo większym przekonaniem.

Warto w tym miejscu wspomnieć, że w tworzeniu jednego z instrumentów o nazwie MERTIS, który ma badać skład chemiczny powierzchni Merkurego, stworzyć mapę temperaturową powierzchni, udział bierze Centrum Badań Kosmicznych. W Laboratorium Satelitarnych Aplikacji Układów opracowano system pozycjonowania urządzeń pomiarowych.

Czekacie na zdjęcia wysokiej jakości? No to poczekacie

Próbnik MPO wykorzystuje specjalną konstrukcję odporną na kontrasty temperaturowe i 10 razy intensywniejsze niż na Ziemi promieniowanie słoneczne, na które będzie wystawiony w okolicy Merkurego. Ma radiator połączony rurkami cieplnymi z silnie grzejącymi się modułami sondy, chroniony jest przez specjalną osłonę termiczną w podróży, bo sama izolacja wysokotemperaturową i odporne na takie warunki elementy konstrukcyjne nie wystarczą. Bateria ogniw słonecznych będzie stale utrzymywana w pozycji prawie prostopadłej do kierunku ku Słońcu, choć i tak zapewni 1000 W co kilkukrotnie przekracza potrzeby elektroniki naukowej.

Radiator BepiColombo z bliska. Wygląda jak okienna żaluzja. W tych otworach kryją się niektóre instrumenty

Ale co to ma wspólnego ze zdjęciami? Te, jak wiemy, są najwazniejszym dla miłośnika eksploracji Kosmosu produktem takiej misji. BepiColombo już przesłał pierwsze obrazy, jednak są to ujęcia z kamer, które można określić jako nadzór techniczny. Te obrazy są ważne dla kontroli lotu, choć dla nas wyglądają jakby BepiColombo oganiał się od komarów i chciał pokazać gdzie go swędzi.

Zdjęcia kontrolne i lokalizacja kamer, które je wykonały

Tymczasem na uruchomienie najważniejszej z kamer na pokładzie MPO poczekamy do 2025 roku. Dlaczego? Wymusiła to konfiguracja pojazdu, którą narzuciły z kolei warunki panujące wewnątrz Układu Słonecznego. Zakłada ona przymocowanie próbnika MPO do modułu transportowego z obiektywem zwróconym do wnętrza BepiColombo. Dopóki MPO się nie oddzieli od modułu transportowego z głównej kamery misji nie uświadczymy nic innego jak tylko zdjęcia dekielka.

Japoński MMO z kolei znajduje się w osłonie w czasie podróży, ale ta sonda i tak skupi się na badanich otoczenia i magnetosfery, a nie samej powierzchni Merkurego. Poniżej animacja pokazująca w czym rzecz.

Pozostaje mieć nadzieję, że cierpliwość będzie wynagrodzona po wielokroć. Obserwacje wizualne, które wykona instrument SIMBIO-SYS zainstalowany na pokładzie MPO (w połączeniu z pomiarami laserowymi powierzchni dokonanymi przez wysokościomierz BELA) dostarczą najlepszego modelu powierzchni Merkurego w historii. Doświadczenia w przypadku Marsa dowodzą, że na tym ESA zna się doskonale. Wybrane obszary Merkurego zostaną zobrazowane jako obrazy stereograficzne z rozdzielczością 50 metrów na piksel, a pojedyncze zdjęcia osiągną dokładność 5 metrów na piksel obrazu.

A ile to wszystko kosztuje? - no cóż, tanio nie jest, ale udało się przekonać kogo trzeba

Projekt w dużej mierze jest europejski, a skoro Polska też należy do ESA to zapewne pojawią się pytania, ile to wszystko będzie nas kosztowało. Nawet jeśli to „nas” jest na wyrost, liczby dobrze obrazują skalę inwestycji. Całkowity koszt misji to ze strony ESA i JAXA około 1,7 miliarda euro, a trzeba pamiętać, że w przedsięwzięciu, w którym znaczną rolę odgrywa Airbus, udział bierze też ponad 80 innych instytucji (w tym konsorcjum SENER, które ma oddział w Polsce). Dlatego łączne koszty projektu mogą sięgnąć nawet 3 miliardów euro.

To tyle co budowa sześciu Stadionów Narodowych w Warszawie (przy założeniu kosztów na poziomie około 2 miliardów złotych za jeden stadion). Analogią bliższą nam pamięciowo jest porównanie do kosztów budowy połowy lotniska centralnego w Baranowie (choć w tym przypadku koszty nie zasługują jeszcze nawet na miano szacunkowych).

A ile ludzi przy tym pracę ma - ekipa ESA

BepiColombo to projekt, który podobnie jak wiele innych przełomowych misji miał trudne chwile jeszcze przed startem rakiety. Gdy dziesięć lat temu światowe finanse przeżywały zapaść, przyszłość misji wisiała na włosku, ale ostatecznie ESA nie skasowała budżetu. Potem były problemy związane z technologicznymi wyzwaniami, które opóźniły start o około 3 lata. Gdyby wszystko poszło jak wcześniej planowano, BepiColombo byłby już po drugiej asyście grawitacyjnej ze strony Wenus. A tak, dopiero rozpoczął swoją wielką przygodę.

Tymczasem za miesiąc na Marsie…

Źródło: inf. własna, ESA