Jeges holdaknál magyar nagykabátban

JUICE + Debreceni jeges kísérletek

Az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA) 2012-ben döntött a Jupiter és jeges holdjainak kutatására induló JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) űrszonda elindításáról. A jelenlegi tervek szerint a JUICE Kourou-ból, Ariane–5 rakétával indul 2022-ben, és öt gravitációs lendítés (három a Földnél, egy a Vénusznál és egy a Marsnál) után, 2030-ban érkezik meg a Jupiterhez, ahol legalább három évig végez majd méréseket. A Jupiter környezetében hatalmas napelemtáblák (összesen kb. 100 négyzetméter, 820 W) biztosítják a szonda működéséhez szükséges energiát.

Az űreszköz először a Jupiter körüli pályáról vizsgálja a bolygó légkörét, magnetoszféráját, vékony gyűrűit és holdjait. Ezt követően – illetve az Europa és a Callisto holdak vizsgálata után – a Naprendszer legnagyobb holdja, a Ganymedes körüli pályára áll, ahol több hónapot töltve egyre alacsonyabb pályáról fogja vizsgálni a jeges óriásholdat. A Ganymedes és az Europa holdak felszíni jégrétege alatt vízóceánok találhatók, amelyekben az élet kialakulásának feltételei is adottak lehetnek. A küldetés során először kerülhet sor ezek vizsgálatára a Jupiter rendszerében.

Még 2013-ban, európai űrkutatási intézetek és egyetemek nagy megmérettetése után került sor a küldetés 11 kísérletének kiválasztására. A fedélzeti műszerek között kamerák, spektrométerek, radarberendezés, lézeres magasságmérő, a plazmakörnyezetet vizsgáló magnetométer található. A műszerek fejlesztésében Ausztria, Belgium, Csehország, az Egyesült Királyság, Finnország, Franciaország, Hollandia, Írország, Lengyelország, Magyarország, Olaszország, Spanyolország, Svájc, Svédország, valamint az Amerikai Egyesült Államok és Japán kutatói vesznek részt.

A Wigner Fizikai Kutatóközpont (MTA Kiváló Kutatóhely) Részecske- és Magfizikai Intézete és az SGF Kft. két tudományos műszer elkészítésében vesz részt. Az egyik a PEP (Particle Environment Package), amely hét ország részvételével készülő, hat különböző érzékelőt tartalmazó műszeregyüttes. Ez a műszer a Jupiter rendszerének plazmakörnyezetét, mágneses terét, valamint a kozmikus sugárzás és a napszél kölcsönhatását fogja vizsgálni. A PEP méri majd a pozitív és negatív ionok, elektronok, semleges gázok, termikus plazma és energetikus semleges atomok sűrűségét és fluxusát különböző energiatartományokban, a tér minden irányában. A hat műszer két egységet alkot: az európai fejlesztésű ún. PEP-NU (PEP – Nadir Unit) az űrszonda „felső” lapján elhelyezve négy detektoregységet tartalmaz, míg az amerikai fejlesztésű, ún. PEP-ZU (PEP – Zenith Unit) a JUICE alsó részén két detektoregységet tartalmazva végzi a méréseket. Mindkét egységet egy-egy processzoregység vezérli, és továbbítja a mérési adatokat a szonda rádiórendszere felé.

A Wigner fejlesztette a PEP-NU négy detektora (elektron- és iondetektor, semlegesatom-analizátor és két ion-tömegspektrométer), valamint a vezérlő processzorai (DPU1 és DPU2) számára az alacsony feszültségű tápellátó egységet. Az öt feszültségátalakítónak (Direct Current Converter, DCC) egymástól független és egyenként kapcsolható feszültségeket kell biztosítania. A fedélzeti 28 V-os feszültségből hat különböző feszültségre van szükség. A tápfeszültségek egymástól való elszigetelése biztosítja, hogy az egyik detektor esetleges meghibásodása (pl. zárlat) ne tehesse tönkre a többi detektor hibátlan működését.

Mint minden hosszú élettartamú projekt esetében, a megbízhatóság kiemelt fontosságú. Ennek bizonyítására alapos teszteket kell végezni, nemcsak az űrbeli környezeti körülmények szimulálása mellett, hanem a különböző lehetséges nem nominális esetekben is. A tápegységeket minden fogyasztó (jelen esetben öt) és tápfeszültségeik különböző terhelésénél ellenőrizni kell. Az SGF Kft. fejlesztette a földi tesztelések számára az ellenőrző berendezéseket (Electrical Ground Support Equipment, EGSE). Az EGSE-k biztosítják a detektorok számára a fejlesztések során az űrszonda és a PEP-NU processzoregysége funkcióit (parancsokat és a mérési adatok kiolvasását). A négy detektor kétféle, a processzoregység pedig egy harmadik szabvány szerinti adatforgalommal kapta a parancsokat, illetve továbbította a mérési adatokat, valamint a tápegység számára is fejleszteni kellett a hosszadalmas tesztelést meggyorsító ellenőrző berendezést.

A másik műszer egy magnetométer (J-MAG), amely a londoni Imperial College vezetésével, Magyarország mellett még Ausztria és Németország részvételével készül. A J-MAG a Jupiter és nagyszámú (jelenleg 64 ismert) holdjának mágneses terét kutatja majd. A Wigner Fizikai Kutatóközpont valós méréseken alapuló adatbázist készített a fedélzeti szoftver minősítésére (validálására) korábbi bolygókutató küldetések magnetométeres adatainak felhasználásával. Az SGF Kft. a J-MAG működőképességének tesztelésére szolgáló berendezést (EGSE) készítette. Jelenlegi tudásunk szerint a Ganymedes az egyetlen hold a Naprendszerben, amelynek mágneses tere van. Mint ismeretes, a földi élet kialakulásának és létezésének egyik elengedhetetlen feltétele a Föld mágnesessége. A kozmikus és a napsugárzás káros hatásától a magnetoszféra védi az életet azáltal, hogy befogja a töltött részecskéket. Az űrszondák műszereit működtető elektromos áramok által keltett mágneses terek zavaró hatásának csökkentésére a magnetométer érzékelői egy 10,5 méter hosszú rúd (MAGBOOM) végén helyezkednek el.

A JUICE küldetés fővállalkozója az AIRBUS, Európa vezető műholdépítő vállalata. Az AIRBUS-hoz sok alvállalkozó szállít be részegységeket. Ezek integrálása, hőtani tervezése és összeépítése rendkívül összetett folyamat. Először valamennyi részegységet külön-külön tesztelik, majd az interfészfelületek kölcsönhatásainak vizsgálata következik. Ezt követi a több ezer elem összeépítése, végül az összeépített szerkezet együttes vizsgálata.

Az ESA-nak a hollandiai ESTEC-ben működő termikus tervező-tesztelő laboratóriuma az előző években kitűnő munkakapcsolatot épített ki a miskolci ADMATIS Kft. termikus tervező csapatával, az ADMATIS Kft. 2019–20-ban bekapcsolódott a JUICE bonyolult termikus tesztfolyamataiba is.

A JUICE-elemek termikus tesztprogramjának megvalósításához az ADMATIS-nak négy feladatot kellett megoldania. Ebből három teszthardverek tervezése, legyártása és leszállítása volt a SWI TRU, az SWI EU és a JANUS MEU egységek termikus viselkedésének szimulálására. Miután ezek egymástól nem messze, az optikai pad ellenkező oldalán helyezkednek el, a termikus kölcsönhatásokat kísérleti úton kell ellenőrizni. Az ADMATIS által gyártott hardverek a repülő hardverrel termikusan és geometriailag tökéletesen megegyező alkatrészek (dummy, azaz ’próbababa’, ’utánzat’), amelyeket beépítenek a műholdba, és részletes, szélsőséges termikus vizsgálatnak vetnek alá. A dummyk használata azért szükséges, mert a vizsgálat paraméterei messze túlhaladják a repülő hardver működési peremértékeit.

Az összeszerelés további lépései nagyban függenek a tesztek eredményeitől. Bár a vizsgálatok jelenleg is folynak, annyi már most (2020 tavaszán) bizonyos, hogy az eredeti tervekhez képest a JUICE PEP-NU egy pótlólagosan tervezett, analizált, elkészített, majd helyben tesztelt, többrétegű fóliából készített belső-külső hőszigetelő burkolatot, „ADMATIS-kabátot” kap. Ez volt az ADMATIS negyedik feladata. Ez a „kabát” MLI (Multi Layer Insulation) anyagból készül, magát az anyagot az ADMATIS tervezi és kivitelezi, majd szabja, varrja és rögzíti a védendő felületekre. Az MLI technológia igazi high-tech, ez az ADMATIS legújabb űrtechnológiai kompetenciája. Ez a borítás a részegységek közötti szükségtelen hőfluxust redukálja a kívánt szintre (azaz a nemkívánatos hőátadást csökkenti). A „kabát” termikus viselkedését hőtani számítások és az ADMATIS hő-vákuum kamrájában (TVC) végzett mérések garantálják. Egy példány készült a tesztekhez, a repülő példány gyártása pedig folyamatban van: már kiállta a próbát, készül a végső integrálásra és a hosszú kozmikus utazásra.

A Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont (MTA Kiváló Kutatóhely) Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézetének kutatói is részt vesznek egy fedélzeti tudományos műszert nem igénylő kísérletben (Planetary Radio Interferometer & Doppler Experiment, PRIDE), amely a szonda rádióadójának jelei alapján, földi rádiótávcsövek globális (nagy, hosszú alapvonalú) hálózatával fogja meghatározni a szonda mindenkori pontos helyzetét és sebességét.

A JUICE fejlesztésében való részvétel biztosítja a hazai kutatók számára, hogy elsők közt vehessenek majd részt a mérési adatok feldolgozásában és az új eredmények publikálásában.