Astronautika: misije

Studenti sa Univerziteta Kolorado u Boulderu, koji su napravili brojač prašine za misiju na Pluton, sigurno će imati materijala za proučavanje podataka decenijama. Rezultati pokazuju da solarni sistem prilično pust, ako ne računamo planete, prstenove, mesece, komete i asteroide.

New Horizons“ poseduje 7 instrumentata: 3 su optička, 2 za merenje plazme, 1 za radio-eksperiment i 1 senzor za merenje broja čestica kosmičke prašine. Danas bih rekao nešto o ovom poslednjem, jer ne samo da je to prvi naučni instrument konstruisan i proizveden od strane studenata a koji je poslat na neku međuplanetnu misiju, već predstavlja detektor prašine koji i dan-danas radi sa rekordnih daljina čija kilometraža iz dana u dan raste[1]. Zvanično, instrument se zove Venetia Burney Student Dust Counter, VBSDC, ili u prevodu slobodnom prevodu studentski brojač čestica prašine Venecija Barni, u čast 11-godišnje devojčice iz Oksforda u Engleskoj koja je 1930. predložila ime Pluton za tada novootkrivenu planetu.

Zašto je ikom bitna kosmička prašina, toliko da postavi brojač njenih čestica na jedan kosmički brod? Podsećam da je to bio jedini instrument na “Horizonsu” koji je non-stop radio, čak i kada su tokom dugih godina prilazne faze svi drugi instrumenti i podsistemi bili u stanju hibernacije.

POREKLO PRAŠINE

Prašina u kosmosu pruža naučnicima podatke o procesima koji se odvijaju u solarnom sistemu i galaksiji. Ove čestice veličine od nekoliko molekula do 10.000-og dela milimetra nastaju u nekoliko procesa, uključujući uzejamne sudare asteroida ili Kajperovih objekata, superbrze udare u tela bez atmosfere, kao što su naš Mesec ili bezbrojni Galilejevi sateliti, ali i drugim, još egzotičnijim procesima, poput vulkana na Jupiterovom mesecu Iu ili hidrotermalnim ventilima na Jupiterovom meseci Enkeladu. Proučavanje tih čestica može da da naučnicima podatke o formiranju solarnog sistema pre nekoliko milijardi godina ili kako on funkcioniše danas.

nh1 copy
Snimak elektronskim mikroskopom jedne čestice međuplanetne čestice.

VAŽNOST PRAŠINE

Kosmos polako reciklira svoju (a i našu) prašinu, pomerajući je sa jedne lokacije na drugu. Umiruće zvezde izbacuju prašinu u međuzvezdani prostor. Ona se potom skuplja, zajedno sa gasovima, u oblake koji se polako okreću, hlade i zgušnjavaju. Na kraju, ti oblaci gasa i prašine će se uz pomoć gravitacije kontrahovati u nove zvezde i planete, i ciklus se ponavlja[2]. Obzirom da smo uronjeni u pepeo mrtvih zvezda, proučavanjem tog pepela omogućava nam proučavanje univerzuma koji nas okružuje.

PROUČAVANJE PRAŠINE

Proučavanje se vrši na više načina, uključujući uređaje za prikupljanje na Zemlji, infracrvenu astronomiju, i instrumente na kosmičkim letilicama. VBSDC spada u treću kategoriju[3].

Generalno, „dust counter“ je instrument koji broji čestice prašine u kosmosu, najčešće one koje se sudare sa instrumentom. Aparat može da prikuplja informacije o masi, brzini, gustini, veličini, ili neku od kombinacija ovih osobina.

nh2 copy
Aerogel
koji je već korišćen za hvatanje međuzvezdane prašine a potom vraćen na Zemlju.

BROJAČI U PROŠLOSTI

SDC nije prvi brojač prašine u kosmosu, ali je jedinstven jer istražuje prašinu na obodu solarnog sistema. Do sada je više principijelno sličnih instrumenata letelo u kosmos. Svaka od dole navedenih misija je „lovila“ različitu vrstu prašine ili prašinu lociranu na različitim mestima u Sunčevom sistemu. Većina uređaja se zasniva na principu sudara, gde se svojstva čestica utvrđuju na osnovu brzine i jačine sudara sa detektorom.

Recimo, misija na Saturn „Cassini“ nosila je instrument CDA (Cosmic Dust Analyzer, More information), dok je „Galileo“, koji je istraživao Jupiter, posedovao GDD (Galileo Dust Detector, More information). Evropski geostacionarni satelit GORID je svojim detektorom otkrivao prašinu i opasni kosmički otpad (More information). Japanski satelit „Hiten“, lansiran 1990, proučavao je prašinu između Zemlje i Meseca. Jedini uređaj na satelitu, „Munich Dust Counter“, slao je podatke sve do 1993. (More information), „Nozomi“ je bila neuspela japanska misija na Mars (More information). Njegov MDC (Mars Dust Counter) je trebalo da meri prašinu koja se diže sa samog Marsa, ali pristiže i sa Fobosa i Dejmosa. Slavni „Pioneeri 10 & 11“ nosili su „Meteoroid Detectore“ čije su argonske i azotne ćelije merile penetracije meteoroida. Još da pomenem Nasin „Stardust“ koji je uz pomoć aerogela prikupio prašinu iz repa komete Wild 2 i vratio je na Zemlju (More information). Primarni cilj sonde „Ulysses“ je bilo proučavanje Sunca, ali je nosio i brojač identičan onom iz misije „Galileo“ (More information).

nh3 copy nh4 copy nh5 copy nh6 copy
nh7 copy nh8 copy nh9 copy nh10 copy

Samo neke od sondi koje su nosile brojače čestica prašine. Poređao sam ih redom kao u textu.

DIZAJN BROJAČA SDC

U poređenju sa prethodnim, slično konstruisanim brojačima, SDC je lakši – težak je samo 1,6 kg – koristi manje snage (5 W), i njegov razvoj je bio mnogo jeftiniji. Strogo (najstrože!) vođenje računa o težini, potrošnji struje i budžetu čini deo svake kosmičke misije, te ove karakteristike SDC-a čine ovaj instrument atraktivnim i za neke buduće misije.

SDC je konstruisan kao set od 14 detektora, približnih dimenzija pleha za kolače 46×30 cm, koji registruje dolazeće čestice. Detektori su napravljeni od plastičnog filma nazvanog polivinilidin difluorid (PVDF). Svi detektori su montirani na veliki komad aluminijumskog superlakog saća, koji je potom postavljen na jedan nosač na anti-sunčanoj strani „New Horizonsa“, tj. u pravcu leta. Dvanaest detektora je u naučne svrhe a dva su referentna. Ukupna površina izložena česticama je 0,125 m2.

D sada nikada nijedan brojač čestica prašine nije sakupljao podatke iza orbite Urana; modeli distribucije prašine u spoljnjim regionima Sunčevog sistema , a naročito u Kajperovom pojasu, bila su do sada čisto spekulativna. Tako je bilo sve do NH ...

nh11 copy
Šema instrumenta SDC (Student Dust Counter). Desno je elektronika, „mozak“ uređaja.

nh12 copy
SDC
detektori prilikom testiranja na vibracije.

Kada detektori registuju sudar sa česticom prašine, u njima se stvara određeni napon i signal se odmah šalje ka procesoru, koji obrađuje signal i preko predajnika na NH šalje ga u vidu radio signala ka antenama na Zemlji.

PRECIZNOST

Da bi podaci SDC-a bili korisni naučnicima, moraju biti precizni. Preciznost podataka predstavlja stepen u kome je moguće iz ponovljenih merenja dobiti specifična vrednost. Npr, 3,1415 predstavlja preciznije merenje od 3,1 jer obuhvata više decimalnih mesta.

SDC može da meri masu čestica prašine unutar faktora dva. Toi znači da ako je izmereno da čestica teži 3 pikograma, naučnici smatraju da joj je stvarna težina između 1,5 i 6 pikograma.

nh13 copy
Vizuelizacija podataka prikupljenih preko SDC. Svi smatraju da će proći godine dok se svi podaci obrade i klasifikuju.

PRECIZNOST vs. TAČNOST

Precizno merenje nije isto što i tačno merenje. Tačno merenje je „tačno“ i slaže se sa naučnom teorijom. Tako je moguće imati podatke koji su tačni ali ne i precizni, odn. precizni ali ne i tačni. Evo primera:

nh14 copy
Preciznost vs. tačnost objašnjeno pomoću mete.

Zamislimo da imamo mehaničkog psa koji trči 1 kilometar za tačno 2 minuta – nikad brže, nikad sporije. Ti meriš njegove krugove 5 puta i svaki put čitaš na štoperici 2,999 minuta. To znači da ti je štoperica ekstremno precizna – uvek pokazuje isto merenje. Međutim, problem s tvojom štopšericom je u tome što nije tačna; ti znaš da tvoj pas trči 1 km za tačno 2 minuta, a ne za 2,999. Zato odlučuješ da kupiš tačniju štopericu. Pustivši psa još 5 krugova, sada očitavaš nove rezultate: 2,000, 2,002, 2,003, 2,004 i 2,002 minuta. Sve te vrednosti su mnogo tačnije od onih koje si dobio preciznom štopericom, ali sui manje precizniejer su sve vrednosti različite.

Zašto su preciznost i tačnost bitni? Bez tačnosti, teško je interpretirati podatke, ali bez preciznosti, ne bi mogli ništa specifično da naučimo iz njih.

GREŠKE U PRECIZNOSTI

Glavni doprinos greški u preciznosti merenja ogleda se u nasumičnom pozadinskom šumu. Te male, nasumične fluktuacije u detektorima i elektronici mogu da izobliče preciznost signala. Bolja elektronika i dizajn instrumenata mogu da pomognu smanjenju greške („šuma“), ali onA nikada neće moći da se u potpunosti eliminiše.

Najlakši način za povećanje preciznosti jeste u razvoju boljih instrumenata. Kako vreme prolazi a tehnologija napreduje, naučnici i inženjeri ugrađuju prošla iskustva u usavršavanje dizajna i konstrukcije instrumenata.

Sledeći način za podizanje preciznosti jeste izvođenje dodatnih merenja. Što više merenja naučnici sprovedu, to mogu preciznije da izmere slučajne fluktuacije. Naprimer, recimo da neko želi da izmeri deset zrna pirinča i utvrdi njihovu prosečnom dužinu; druga osoba sa istim zadatkom počinje sa 10.000 zrna. Čije merenje će biti preciznije? Prosek druge osobe će biti preciznije jer će bilo kakva greška u pojedinačnom merenju imati manji uticaj na konačnu prosečnu dužinu.

DOSADAŠNJI REZULTATI

Glavni razlog za pisanje ove priče je bila vest da je SDC zabeležio, nasuprot mom predviđanju[4], samo malu količinu čestica tokom prošlogodišnjeg proleta pored Plutona na svega 12.500 km od površine. Prema rečima prof. dr Frana Bagenala, rukovodioca tima za čestice i plazmu „New Horizonsa“, podaci pokazuju da kosmos oko Plutona i njegovih satelita sadrži tričavih 6 čestica prašine po kubnoj milji (4,2 km3)!

nh15 copy
Položaj brojača na „New Horizonsu“. Jedan od poslednjih snimaka pred lansiranje.

nh17 copy

nh18 copy
Jedan od SDC PVDF detektora
. Gornja površina je prekrivena posrebrenom teflonskom folijom koja reflektuje 90% solarnog zračenja, i tako sprečava pregrevanje. Tokom neprestanog 2.5-nedeljnog snimanja podataka u periodu od 14. jila do 16. avgusta 2006, prosečan broj pogodaka čestica bio je 19,7±5,4.

nh19 copy
Masa čestica koje registruje SDC je
1012< m < 109 grama, što pokriva prečnike čestica od 1 do 10 μm. Potrošnja sruje ovog instrumenta je u proseku oko 5,1 vat.

Izgleda da je tamošnji kosmos stvarno praktično prazan,“ kaže dr Bagenal, član Laboratorije za atmosfersku i kosmičku fiziku (LASP). „Bilo kakve krhotine preostale nakon zarobljavanja ili nastanka Plutonovih meseci prilikom nekog sudara odavno su nestale u planetnim procesima.

Nakon lansiranja 2006. godine, SDC je identifikovao nekoliko stotina mikroskopskih čestica prašine. A sada se čini da se puno prašine tek nalazi pred letilicom, koja leti po periferiji Kajperovog pojasa, ogromnog regiona koji se prostire nekoliko milijardi kilometara iza Neptunove orbite. Veruje se da Kajperov pojas sadrži preko 70.000 objekata većeg prečnika od 100 km i da krije uzorke drevnog materijala nastalog tokom žestokog nastanka solarnog sistema pre nekih 4,5 milijardi godina.

Svakodnevno uočavamo sporo ali postojano povećavanje stope sudara sa većim česticama, verovatno indikujući da smo već zašli u spoljnje zone Kajperovog pojasa,“ smatra fizičar i prof. mađarskog porekla Mihaly Horanyi, glavni stručnjak za rukovođenje i analizu rada SDC-a.

Nove studije uključuju radove doktoranata i postdoktoranata M. Piquetta i Jarneya Syalaya sa Istraživačkog instituta SwRI, koji su svoja zvanja ostvarili prošle godine na fakultetu, a radove objavili u eminentnom časopisu „Science“.

U osmišljavanju i konstruisanju detektora između 2002. i 2005. godine učestvovalo je 20-ak u to vreme nediplomiranih studenata. Nekoliko njih je ostalo na projektu i danas se bavi analizom prispelih podataka.

Naš instrument je projezdio kroz čitav disk prašine solarnog sistema i još od lansiranja prikupljao podatke,“ kaže dr Salaj, koji danas radi u štabi SwRI u San Anoniju. „Biće vrlo interesantno uleteti u Kajperov pojas i videti šta nas tamo čeka.“

NH trenutno leti neverovatnom brzinom, prevaljujući oko 1.400.000 km dnevno. Iako je davno obavio ključan zadatak, njegovi elektronski procesori, specijalno zaštićeni od kosmičkog zračenja, tipa MIPS R3000, rade punom parom – još uvek pretražuju memoriju i šalju slike i naučne podatke prikupljene prilikom lanjskog proleta kroz Plutonov sistem.

Sledeća i konačna meta „New Horizonsa“ biće mali Kajperov objekat 2014 MU69 (30-40 km), pored koga će sonda prošišati 31. decembra ili 1 januara 2019. godine. Tada će se nalaziti na 43 AJ od Sunca.

 


[1] Od 10. oktobra 2010. „New Horizonsov“ brojač je postao rekorder – tada je bio na 18 AJ daljine. Danas je na preko 40 AJ.

[2] Priča se da je naše Sunce i mi s njim potomak druge ili treće generacije. Vidim ja da se osećam starim ...

[3] Instrument je na sondi svrstan u uređaje II klase, tj. one koji rade bez veze ili uticaja na ostale instrumente.

[4] Moja malenkost je navijala da pronađu prsten oklo Plutona! koji bi to spektakl bio!


New Horizons: nove granice

„New Horizons“ sminio Kajperca!

Koliko košta „New Horizons“ u poređenju sa drugim misijama?

’New Horizons’ kompletirao manevre ka novom cilju


 

Draško Dragović
Author: Draško Dragović
Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi:


Dodaj komentar


Sigurnosni kod
Osveži