Bepillantás a Naprendszer születésébe

A BepiColombo program

2018. október 20-án indult a BepiColombo űrszonda az ESA Ariane–5 rakétájával a Merkúrhoz. A program tervezése 2005-ben kezdődött, és több jelentős áttervezés után jött létre jelenlegi változata. A szonda Merkúrhoz érkezése 2025. december 5-ére várható.

A BepiColombo két keringőegységet (orbitert) foglal magában, amelyek a tervek szerint egy évig fogják kutatni a Merkúr szilárd és olvadt vas-szulfid magját, felszínét, mágneses terét és igen ritka légkörét. A hosszú idejű utazás oka az indítási energia korlátja. Giuseppe (becenevén Bepi) Colombo ötlete volt, hogy a bolygókutató űrszondák az útjukba eső bolygók gravitációs terének felhasználásával is gyorsíthatók (hintamanőver). Az ő tiszteletére lett a program neve BepiColombo. A Merkúrt azért nehéz elérni, mert ugyan a bolygó pálya menti sebessége nagyobb, mint a Földé, paradox módon mégis fékezni kell az űrszondát.

A Merkúr megközelítése és a bolygó körüli pályára állás kilenc hintamanőverrel, valamint ion- és kémiai hajtóművek segítségével valósul meg. A hintamanővereket a Föld, majd kétszer a Vénusz, végül hat alkalommal a Merkúr gravitációs terében hajtják végre. Az űrszonda repülése a Merkúrhoz az ESA irányításával történik.

A Naphoz legközelebbi bolygó felszínének hőmérséklete különleges technológiai megoldást igényelt a tervezőktől, mivel a Merkúr Naphoz közeli oldalán a hőmérséklet a 430 Celsius-fokot is eléri, míg az árnyékos oldalán mintegy –180 fokra hűl le.

Az összetett űrszonda fő egységei: az ESA által fejlesztett MTM (Mercury Transfer Module); a szintént az ESA által fejlesztett keringőegyég, az MPO (Mercury Planetary Orbiter); a JAXA (japán űrügynökség) által épített keringőegység, az MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter), továbbá egy a napsugárzást árnyékoló egység (védőpajzs). A repülés a két hatalmas (42 m²) napelemtáblával rendelkező MTM egység irányításával történik. A két napelemtábla 15 kW energiája a szonda elektronikáját és a gyorsítást szolgáló négy ionhajtóművet is működteti. Az MTM egységen még 24 kémiai – a pályakorrekciót és a fékezést szolgáló – segédrakéta van.

A Merkúrhoz érve az egységek szétválnak. A Merkúrnál a két tudományos űrszonda már egymástól független irányítással, azonos sarki pályasíkban áll különböző ellipszispályákra. Az MPO-n a 11 tudományos berendezés tömege 85 kg, a MMO-on pedig az 5 tudományos kísérlet eszközei együtt 45 kg tömegűek. Önálló telemetriai kapcsolatuk a Földdel az MPO esetében 50 kb/s, az MMO-nál pedig 5 kb/s adatátviteli sebességű. Az MMO elnyúlt sarki pályán (590 × 11 640 km) kering majd, keringési ideje 9,3 óra, a Nap irányára merőleges tengely körüli forgással stabilizálva (4 s periódus). A szintén három tengelyre stabilizált MPO pályája közepesen elnyúlt (480 × 1500 km), keringési ideje 2,3 óra.

A Merkúr

2011 és 2015 között a NASA Messenger űrszondája is feltárta, hogy a bolygó felszínén meteoritkráterek és vulkanikus síkságok találhatók. A bolygó tömegét és belső szerkezetét még a Mariner–10 mérései alapján derítették fel 1974–75-ben. A mag többségében vasból és kénből áll, és a dinamóeffektus révén mágneses teret hoz létre. A bolygó körül igen ritka és nagyon változékony atmoszféra alakult ki, amelynek kicsi a sűrűsége, és nem viselkedik gázként, ezért exoszférának nevezzük. A Merkúr magnetoszférájában észlelhetők mágneses viharok, és mágneseserővonal-összecsatolódási események is.

A BepiColombo küldetés alapvető célja a Naprendszer kialakulása előtti szoláris felhő összetételének meghatározása, bolygórendszerünk születésének vizsgálata. Néhány további kérdés, amelyre választ kaphatunk: miért nagyobb a Merkúr sűrűsége (a Földet leszámítva), mint a többi kőzetbolygóé? Milyen arányban szilárd a magja? Tektonikusan aktív-e a bolygó? Miért nem észlelhető vas a bolygó exoszférájában? A sarki kráterek állandó árnyékban lévő mélyén valóban vízjég vagy kén található? Hogyan alakul ki a bolygó exoszférája, milyen fizikai és kémiai folyamatok zajlanak ott? Pontosan hogyan hat kölcsön a napszél a bolygó mágneses terével? Lehetséges-e pontosítani a Merkúr perihélium-vándorlásának értékét a relativitáselmélet tesztelése céljából?

A BepiColombo műszerei

Az MPO műszerei: magasságmérő; gyorsulásmérő; magnetométer; infravörös spektrométer; gamma- és neutron-spektrométer; képalkotó röntgenspektrométer; rádiófrekvenciás műszer; UV-spektrométer; semleges és ionizált részecske analizátor (SERENA); sztereókamera látható tartományra, valamint spektrométer a látható és infravörös tartományra; röntgen- és részecske-spektrométer.

A Wigner FK (korábban KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet) és az SGF Kft. részt vett a SERENA műszeregyüttes megvalósításában. A SERENA vizsgálja majd a Merkúr exoszférájának a folyamatait, illetve annak részletes összetételét, függőleges szerkezetét. A SERENA-nak négy érzékelője van: semleges részecskedetektor, analizátor a magnetoszféra mérésére, ionkamera (PICAM), valamint spektrométer semleges részecskék vizsgálatára. A Wigner FK az ionkamera tápegységét (amely az ionok energiaszint szerinti szétválasztását szolgáló két tartományban is folyamatosan változtatható feszültségeket ad), az SGF Kft. pedig a kamera földi ellenőrző berendezését fejlesztette ki.

A Merkúr mágnesestér-momentuma a földinél négy nagyságrenddel kisebb, és a plazmakörnyezet ritkább annál, hogy ionizált, állandó légkörről beszélhetnénk. A bolygó anizotróp plazmája a földiével rokon jelleget mutat, a környezetünkben ismert fizikai folyamatok, jelenségek nagy csoportja várható és vizsgálandó. Ezek eredményei a bolygókutatási célon túl a földi környezet működésének, a napszél-magnetoszféra kölcsönhatás dinamikájának jobb megértését is segítik. Az MMO a Merkúr környezetében kulcsszerepet játszó magnetoszféra vizsgálatára fókuszál. Fedélzetén öt műszercsoport foglal helyet: pormonitor, magnetométer, plazmadetektor, a nátrium D2 emissziós vonalában képet készítő interferométer és a PWI plazmahullám kísérlet. Ez utóbbi három rádióhullám-vevővel összekötött két elektromostérhullám-érzékelőt (10 MHz frekvencia alatt) és két (0,1 Hz és 640 kHz között mérő) magnetométert foglal magába. A PWI is magyar résztvevőkkel készült: az ELTE Űrkutató Csoportja és a BL Electronics Kft. fejlesztette ki a fedélzeti szoftvert a PWI intelligens jelfelismerő moduljához.

Szalai Sándor