Astronautika: misije

Čitao sam da mnogi zamišljaju kako da odu na Mars, pa su čak spremni da to urade u jednom pravcu. Nema nazad kući! Nisam toliko radikalan, ali mi često padne na pamet 'Šta li sada rade Voyageri?' i zamišljam kako bi bilo sesti jedno pola dana u jedan od njih i provozati se. Zašto? Čini mi se da dok god se s njima održava veza, oni će predstavljati naše graničare i osvajače kosmosa u bukvalnom smislu.


<< prethodni deo


Deep Space

'Ajde da se vratimo na uvod u ovu priču i zamislimo da ja nekako ležim zavaljen u tanjiru glavne antene 'Voyagera 1'; ona je prilično komotna za to, jer ima prečnik od 3,7 metara! U svim pravcima oko mene leži beskrajno crnilo sa milijardama netrepćućih zvezdâ. Sazvežđa su mi poznata i neizmenjena. Veliki Medved mi se nalazi iznad glave, a Južni Krst je ispod nogu. S desna se ističe Cassiopeia (ona u obliku slova 'W'), lepa kraljica iz grčke mitologije. Pravo napred vidim lovca Oriona sa njegovim džinovskim lukom i zvezdanim pojasom i vernim Velikim Psom, Canic Major, koji ga prati nebom. Sjajni dragulj, Sirius, visi oko vrata psa. Ali jedna stvar je potpuno drugačija. Sirius sa magnitudom[1] -1,5, najsjajnija zvezda na Zemljinom nebu, nadjačana je daleko, daleko sjajnijom zvezdom (magnitude -16) koja leži u Orionovom stopalu. Ta zvezda je dovoljno jaka da baca senku kao naš Mesec (magnitude -12,6). Latinsko ime te zvezde je 'Sol', ali mi je znamo jednostavno kao 'Sunce'. Ja i 'Voyager 1' smo trenutno na 148 AJ od Sunca. To znači da smo 148 puta dalji od Sunca od vas na Zemlji. Znači da je Sunčeva svetlost 148 na kvadrat, tj. oko 22.000 puta slabije. Sunce je ovde samo ekstremno snažna zvezda ali nedovoljno jaka da bi solarni paneli bili od ikakve koristi. Zato 'Voyager 1' radi na nuklearni pogon.

Još uvek gledajući u tom pravcu, gde je moja kuća? Sigurno je da se Beograd, ili Pasadena, odakle je 'Voyager', ne mogu da vide. Ali vidi li se Zemlja? Potrebno je da potražim sitnu plavu tačkicu otprilike 1/148 radijana[2] (oko ½ stepen) od Sunca. U stvarnosti, prošlo je mnogo godina od kada je Zemlja poslednji put bila vidljiva golim okom. Zapravo, sa ove daljine, nijedna od planeta nije lako vidljiva golim okom. Čak i gasoviti džinovi, Jupiter i Saturn, bleđi su od 5. magnitude i jedva uočljivi. Ja se ustvari nalazim daleko, daleko iza orbita svih osam planeta. 'Voyager' zapravo poseduje teleskop odlične rezolucije, koji je uneo revoluciju u našem poznavanju Jupiterovog i Saturnovog sistema. No čak ni tim snažnim teleskopom nemam više šta da fokusiram, pa su ga inženjeri, da bi mene nervirali kad stignem tamo, pre puno godina – isključili.

Iza mene, diž pravca kojim se 'Voyager' i ja krećemo, nalaze se konstelacije Hercules i Ophiuchus (nosač zmije). Iako letimo brzinom od 61.200 km/h – 3,6 AJ godišnje – nemam nikakav osećaj ni brzine ni kretanja. Kada me ne bi mrzelo da se izležavam u anteni i čekam, za oko 40.000 godina 'Voyager 1' i ja bi proleteli u blizini zvezde Gliese 445, koja će do tada da odluta iz svog sadašnjeg sazvežđa Camelopardalis (Žirafa) i sa naše putanje.

vII1
U kom pravcu lete sonde? Strelica nije uperena u heliopauzu već u mene.

Surovo okruženje

Dosađujući se, a još uvek u svom udobnom skafanderu domaće proizvodnje, razmišljam o ostalim atributima 'Voyagerove' okoline. Očigledno je da se nalazim u vakuumu (ne pada mi na pamet da skidam kacigu! Izgubio bih svijest za desetak sekundi i možda, ali samo možda, umro nekoliko minuta kasnije). To je izuzetno dobar vakuum, sa oko deset- ili sto-milijarditih delova Zemljinog atmosferskog pritiska, sa samo nekoliko atoma po kubnom metru. Prosečna udaljenost koju neki atom oko mene prođe pre nego što se sudari s drugim atomom (srednja slobodna putanja) iznosi otprilike 10 000 km (tj. veličine male planete poput Zemlje). Ovaj vakuum je bolji od gotovo svega što možemo da proizvedemo na Zemlji. Tipična 'lampa', CRT (cev s katodnim zracima koja je bila uobičajena u televizorima i računarskim monitorima u XX veku), sadržavala je u sebi oko milijarditi deo atmosferskog pritiska, a ipak je imala oko milijardu atoma po kubnom santimetru. Ogromne pumpe za pravljenje vakuuma, koji se koriste u proizvodnji glava i diskova za HDD (Hard Disc Drive), mogu da prave slične ili bolje vakuume, ali obično operišu sa možda 1/10.000 delom atmosfere s plazmom[3] stvorenom električnim pražnjenjem u namerno uvedenom čistom gasu kao što je argon.

Većina atoma u međuzvezdanom prostoru oko mene nalazi se u obliku molekularnog vodonika, ali otprilike četvrtinu njih čine atomi helijuma. Postoje samo retki tragovi kiseonika, azota, vodene pare, ugljenikovog dioksida i drugih gasova poznatih na Zemlji. Mnogi atomi su jonizovani i čine plazmu. Plazme ne samo da reaguje na električna i magnetska polja, već, reagujući, stvaraju sledeća magnetna i električna polja. To dovodi do vrlo složenih ponašanja i struktura. Te strukture mogu da postoje u doista džinovskoj razmeri.

Međuzvezdani kosmos je takođe okupan i značajnim visokoenergetskim jonizujućim zračenjem u obliku gama zraka (elektromagnetskog zračenja) i naelektrisanih čestica. Svaki 'Voyager' je dobro opremljen instrumentima za merenje istih u vrlo širokom rasponu energija. Čestice najviših energija su gola atomska jezgra lišena elektrona, koja putuju vrlo blisko brzini svetlosti. Takve čestice su poznate kao kosmički zraci. Njihovo podreklo je još uvek predmet rasprava, ali se veruje da ih generišu supernove u našoj galaksiji i aktivna jezgra udaljenih galaksija. 'Apolovi' astronauti su na svojim putovanjima na Mesec izveštavali o tome kako su svakih nekoliko minuta doživljavali blještave flešove, čak i kada su pokušavali da spavaju. Kasnije se pokazalo da su takvi bljeskovi povezani s kosmičkim zracima koje su prolazili kroz oči astronauta i njihove optičke nerve. Energetski najjači kosmički zrak ikad prijavljen, imao je energiju uporedivu sa Sereninom lopticom prilikom servisa od 150 km/h (40 m/s), iako, na sreću, većina ima milijardu puta manju energiju. Izloženost visokoenergetskom zračenju poput ove definitivno nije dobra za zdravlje (na mene se to ne odnosi) i glavni je problem za buduća ljudska svemirska putovanja, poput planiranih misija do Marsa koja bi trajala više meseci.

Ako još uvek nije očigledno da ovo nije baš gostoljubivo okruženje za ljude, trebalo bi da pomenem da je temperatura na ovoj udaljenosti od Sunca izrazito niska. Apsolutna temperatura objekta u Sunčevom sistemu varira vrlo grubo u obrnutoj srazmeri od kvadratnog korena udaljenosti od Sunca[4], pa bi 'Voyager 1' trebalo da bude na temperaturi od oko 300 Kelvina[5] (približna sobna temperatura, 17°C) podeljeno sa kvadratnim korenom od 148, ili oko 24 K (-247°C). Međutim, ovo sigurno nije slučaj sa 'Voyagerom 1', koji zrači mnogo kilovata toplote iz svojih trostrukih nuklearnih izvora energije i koristi veliki deo električne struje koju stvaraju kako bi svoju opremu držao na temperaturi bliskoj ugodnoj sobnoj.

Kosmos je takođe prožet gravitacionim, električnim i magnetnim poljima, iako prosečni ljudi nisu dovoljno opremljeni da bi osetili posljednja dva od njih. Solarno gravitaciono privlačenje[6] sledi poznati Njutnov zakon obrnutog kvadrata (kao i jačina Sunčeve svetlosti) i stoga je 148 na kvadrat, odn 22.000 puta slabije od Sunčevog gravitacionog privlačenja na Zemljinoj orbiti[7]. Sunčevo gravitaciono privlačenje na Zemljinoj orbiti iznosu 6 mm u sekundi, tj. manje od 0,1% Zemljinog gravitacionog privlačenja s kojim smo toliko upoznati. Na udaljenosti 'Voyagera 1', Sunčevo gravitaciono polje iznosi samo 0,3 mikrometra u sekundi, ili samo trideset-milioniti deo g. Tako smo konačno dobili pravi podatak: prosečna osoba u vidu mene (100 kg) teži na 'Voyageru' golemih 3 miligrama! Trenutna masa 'Voyagera 1' od ~720 kilograma deluje poput nekadašnjeg 'Juga', ali bi na ovoj udaljenosti, Sunčevo gravitaciono polje stvara gotovo neprimetnu silu, ili težinu od oko 24 miligrama. Međutim, ta gravitaciona polja, prema definiciji, ne mogu da se osetiti na brodu 'Voyager 1', jer je, kao što je Ajnštajn objasnio, on objekat u stalnom slobodnom padu.

vII4
Selfi koji sam napravio tokom nedavne vožnje.

Godinu za godinom,'Voyager 1' (kao i 'Voyager 2' i ostali) postepeno usporava zbog gravitacionog privlačenja unazad ka Suncu. Čak i sitna ubrzanja mogu da se pretvore u velike promene brzine ako traju godinama ili decenijama. To dovodi do pitanja: hoće li 'Voyager-1' uspeti da se otrgne? Ubrzanje bega je obrnuto proporcionalno kvadratnom korenu udaljenosti (na isti način kako se ponaša i temperatura). Zapravo je ispravnije reći brzina bega, jer smer nije važan. Brzina bega od Sunca[8] na Zemljinoj orbiti iznosi 42 km/s, tako da na udaljenosti 'Voyagera-1' iznosi 42/√148 = 3,45 km/s. 'Voyager-1' putuje brzinom od 17 km/s(61.200 km/h) i znatno nadmašuje brzinu bega. Znači da je 'Voyageru 1' suđeno da eonima luta po galaksiji, vođen haotičnom putanjom na koju će da utiču gravitaciona polja obližnjih zvezda.

Iako se gravitaciono polje ne može da izmeri, postoje mnoga druga svojstava kosmosa koja 'Voyager-1'može da izmeri i obavesti Zemlju. To uključuje magnetna i elektromagnetna polja i svojstva širokog spektra čestica. Donja slika prikazuje jednog od 'Voyagera' i glavne senzore i merne instrumente koje poseduju. Različiti zahtevi za ove različite senzore, plus radioaktivno napajanje i komunikacione antene diktirali su poprilično nezgodnu figuru kosmičke letilice.

vII3
Građa 'Voyagera' i ključni instrumenti
. Ostale elemente čine nuklearni generatori i velika parabolična komunikaciona antena. Nekoliko teleskopa i aparata za usmerena merenja su bila grupisana na skenirajućoj platformi koja je mogla da se orijentiše nezavisno od letilice. Visokoosetljivi magnetometri se nalaze na kraju 13 metara duge rešetke da bi bili što dalji od namagnetisanih uređaja, kao što su elektromotori magnetoofona i pokretne platforme. Zeleno su aktivni instrumenti, crveno isključeni a narandžasti pokvareni. Vidi i ovo.

Letilica

Dok ti čitaš ovo, ja nastavljam da se izležavam u tanjiru 'Voyagerove' antene okrenute prema Zemlji, klateći nogom preko ivice. Ispod i iza mene leži struktura same sonde. To je velika 10-stranična prizma prečnika 1,8 metara. Ovo je 'bus'[9], korpus koji čuva brodsku elektroniku. U prvom od deset segmenata ('bays') nalaze se radio predajnici, a u drugom se nalazi magnetofon. Pričvršćenih za 'bus', nalazi se nekoliko vrlo dugačkih konstrukcija, nosača ili 'booms', koji se pružaju u različitim smerova. ('Voyageri' sigurno nisu jednostavni kosmički brodovi kao što možda izgleda dok gledaš filmove). Očito da 'Voyageri' nisu izgledali ovako kada su bili spakovani u vrhove svojih raketa[10]. Ti nosači su rašireni nakon što su letilice odletele u kosmos i pametno se produžile. Na primer, delikatni nosač od stakloplastike, koja drži ultraosjetljive magnetometre daleko od korpusa sonde, na početku je bio spakovan u kontejner dug samo 60 cm, ali je u orbiti produžen do neverovatnih 13 metara! Slično tome, dve ortogonalne 10-metarske antene izrađene od berilijum-bakra automatski su se odmotale, nalik na suprotni kraj trakastog metra namotanog u rolnu.

vII2
Levo: Poslednji pogled na 'Voyager 2' pre nego što će biti pokriven vrhom rakete. Lepo se vide sklopljeni nosači plutonijumskih generatora i magnetometara, a na dnu mali ali moćan dodatni stepen na čvrsto gorivo 'Star 37E'. ('E' označava 'Elkton', deo kompanije 'Thiokol', koja je učestvovala u proizvodnji.)

 

[1] Sjaj zvezda i planeta se meri logaritamskom skalom (kao i magnitude zemljotresa). Stelarna magnituda je data izrazom -2,5∙log10∙(F/FVega), gde je 'F' sjaj zvezde a 'FVega' sjaj zvezde Vega. Zvezde slabijeg sjaja imaju veće brojeve. Zvezde 6. magnitude su najbleđe koje možemo da vidimo golim okom. Sjajnost se definiše kao vidljiva optička snaga dobijena po jedinici površine.

[2] Radijan je naučna mera za ugao. U kružnici od 360° ima 2π radijana, te je 1 radijan = 57,3 stepena. Jako je dobra za iskazivanje malih uglova. Npr., prečnik Meseca podeljen sa daljinom do njega je jednak njegovoj ugaonoj širini na nebu, 3474 km / 384.400 km = 0,009 radijana = 0,52°. Slično, Zemlja viđena sa 'Voyagera' mora da leži unutar 1 AJ / 148 AJ = 0,0067 radijana = 0,38° od Sunca.

[3] Plazma je najuobičajenija forma materije u kosmosu. Plazma je gasoviti vid materije ali sa sa brojnim atomima ili molekulima u jonizovanom stanju (bez elektrona pa zato pozitivno naelektrisani), pa prema tome sa puno slobodnih negativno naelektrisanih elektrona (katodni zraci). Plazma snažno reaguje na električna i magnetna polja.

[4] Apsorbovano incidentno zračenje sa Sunca sledi zakon obrnutog kvadrata, ali snaga zračena natrag u hladan kosmos varira kao četvrti stepen apsolutne temperature. P µ 1 / r2 µ T4, dakle, T µ 1 / √r (pri čemu µ znači proporcionalno).

[5] Ovo je jedinica za temperaturu nazvana prema britanskom fizičaru, Williamu Thompsonu, koji je bio poznat kao Lord Kelvin zbog svojih radova iz termodinamike. Kelvin (sa oznakom K, bez znaka °) iste je veličine kao Celzijusov stepen ali je skala pomerena, tako da je temperatura apsolutne nule označena kao 0 K, a tačka leđenja vode 273,2 K (umesto -273,2°C i 0°C).

[6] Gravitaciona polja uzrokuju da objekt određene mase doživljava silu ili težinu, ali se jedinica odnosi na ekvivalentno ubrzanje. Stoga gravitaciono polje na Zemljinoj površini iznosi ~9,8 m/s2, što se često naziva i 1 'g'.

[7] Gravitaciono polje dato ili preko Njutnovog zakona, G∙MSunca/r2, ili ekvivalentno ubrzanju Zemlje ka Suncu, w2r, dok se kreće po skoro kružnoj orbiti. Prvi izraz uključuje 'Veliko G', univerzalnu gravitacionu konstantu, i masu Sunca. Drugi izraz uključuje ugaonu brzinu Zemlje oko Sunca (360 stepeni
godišnje = 0,2×10-6 radijana/sekundi) i udaljenost do Sunca (150×109 metara), odn. lakše prihvatljivo kao:
w2r = 6×10-3 m/s.

[8] Brzina bega se dobija po formuli √(2∙G∙MSunca/r). To se dobija izjednačavanjem kinetičke energije s potencijalnom energijom koja pada iz beskonačnosti. Brzina po kružnoj orbiti data je iz √(G∙MSun/r) izvedeno iz prethodne fusnote. tj. kinetička energija za beg dvostruko je veća od kinetičke energije na orbiti. Brzina Zemlje na njenoj orbiti je wr = 30 km/s. Brzina bega je stoga za faktor √2 veća od 42 km/s.

[9] Kroz središte 'busa', a samim tim i kroz glavnu antenu, prolazi i jedna od 3 glavne zamišljene ose, Z-osa, koja je okrenuta ka Zemlji. Sonda se okreće oko te ose zahvaljujući impulsima malih trastera smeštenih na 'busu'.

[10] Bila je to moćna 'Martin Mariettina' trostepena raketa 'Titan IIIE' (sa dodatnim stepenom 'Star 37E'), koja je za samo 3 godine lansirana samo 7 puta, ali je zato nosila sve slavne terete: dva 'Heliosa' (prve sonde koje su prišle Suncu bliže od Merkura), dva 'Vikinga' (sa lenderima koji su sleteli na Mars) i dva 'Vojagera' (samo prvo lansiranje je bilo neuspešno).


<< prethodni deo


 

 U nastavku: 

>> Nuklearna elektrana

Decembra 2019, 'Voyager-1' i dalje ima 71,62% plutonijuma-238 kojeg je imao pri lansiranju, ali je zbog degradacije termoelemenata snaga pala ispod 245 W. Do 2050, ostaće još 56,5% nukleagnog goriva.

NE


Epopeja VOYAGER - e-knjiga o Vojadžeru
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