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.

A JUICE űrszonda tudományos műszereinek elhelyezése (ESA; IRF). A PEP detektorainak elnevezése: Nadir Plane Zenit Plane JDC Jovian Dynamics and Composition JENI Jovian Energic and Ions JEI Jovian Electron and Ions JoEE Jovian Energetic Electrons JNA Jovian Neutrals Analyzer NIM Neutral Ion Mass Spectrometer.

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.

A tápegység repülő példányának környezeti hatástesztelése hő-vákuum kamrában a kirunai (Svédország) Űrfizikai Intézetben (WFK)

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 10,5 méteres rúd kinyitásának tesztelése, amelyre a J-MAG érzékelője kerül. A földi mechanikai tesztelésnél a ballonok biztosítják a súlycsökkentést (ESA)

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.

A PEP detektorainak elhelyezése a JUICE szondán, felül a PEP-NU, alul a PEP-ZU

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.