OSVAJANJE SVEMIRA

Pripremio: Dragan Lazarević

Misija „Galileo“

Putovanje u Jupiterov bezdan

Kosmičko doba čovečanstva započeto lansiranjem prvih sputnjika. Nedugo potom došlo je do misija mesečevih sondi luna 2 i 3 i početka istraživanja drugih svetova kosmičkim aparatima bez ljudske posade. Do sada je oko stotinu kosmičkih sondi slanjem podataka o planetama, prirodnim satelitima, asteroidima i kometama kao i samom Suncu,doprinelo da se saznanja o Sunčevom sistemu mogu nazvati naučnom revolucijom 20. i 21. veka.

Misije nekih sondi su tehničkim rešenjima i naučnim saznanjima prevazišle maštu vizionara naučne fantastike. Među njima je i kosmička sonda NASA-e upućena ka Jupiteru nazvana galileo po velikom naučniku Galileo Galileju koji je svojim teleskopom prvi otkrio Jupiterove prirodne satelite.

Cilj misije sonde galileo je bio da istraži Jupiter, najveću planetu Sunčevog sistema. Jedanaeset puta većeg prečnika i 318 puta veće mase od Zemlje, Jupiter je i svojim sastavom potpuno drugačiji svet. Najveći deo mase te planete čine vodonik i helijum tako da je po sastavu Jupiter znatno sličniji Suncu nego stenovitim planetama Zemljinog tipa. Tipičan je predstavnik gasovitih planeta u koje se ubrajaju i Saturn,Uran i Neptun.

Gornji slojevi njegove atmosfere imaju sastav od 75% H2, 24% He - ostatak čine uglavnom metan i amonijak. Prekriven je oblacima amonijaka i amonijum-hidrosulfata a karakterističnu narandžasto mrku nijansu atmosferskim pojasevima daju ugljovodonici i jedinjenja vodonika sa fosforom i sumporom. Jupiter nema ni čvrstu ni tečnu površinu, njegova atmosfera je sa dubinom izložena rastućem pritisku i postaje fluid gustine bliže tečnom stanju.

Ako se uslovno i analogno Zemljinoj atmosferi uzme za nulti nivo Jupiterove atmosfere područje sa pritiskom od jednog bara, može se pratiti promena pritiska i temperature sa visinom, odnosno dubinom u odnosu na taj nivo. Na 42 km iznad nultog nivoa pritisak je 0,13 bara a temperatura -163° C; na nultom nivou temperatura je -107° C da bi dalje rasla sa dubinom. Oblačni sloj počinje 13 km ispod nultog nivoa gde je pritisak oko 1,6 bara, a na 92 km dubine p=10 bara a t= +63° C. Na dubini od 134 km p=20 bara a t=+140° C. Na -163 km p=30 bara a t=+163° C.

Ovaj atmosferski profil promene p i t je prosečan i podložan je odstupanjima u zavisnosti od toga da li je oblast bliža polovima ili ekvatoru kao i od vertikalnih atmosferskih strujanja. Na dubini od 1000 km vodonik je gust kao tečnost, a na 15000 km dubine, pri pritisku od 2 miliona bara i na temperaturi 9700° C, vodonik prelazi u metalizovano stanje deset puta veće gustine od molekularnog; to je superprovodljivi fluid u kome električna i konvekcionalna strujanja stvaraju jako magnetno polje, 14 puta jače od Zemljinog, kao i intenzivno Jupiterovo radio-zračenje.

Postojanje izdvojenog jezgra na t=36000 K i p=30-45 miliona bara od gvožđa, silicijuma i svih drugih elemenata težih od helijuma do sada nije sasvim potvrđeno ali ipak postoje procene mase tog jezgra koje se kreću u širokom opsegu od 12 do 45 masa Zemlje.

Svet ka kome je poslata sonda galileo je fizički veoma različit od našeg sveta i priroda je svojom raznolikošću daleko nadmašila ljudsku maštu.

Odiseja kroz Sunčev sistem

Sonda je lansirana 18. oktobra 1989. sa Zemljine orbite na koju je izneo spejs-šatl u misiji STS-34 . Na međuplanetarnu putanju je izbačena stepenom na čvrsto gorivo IUS. Pošto taj stepen nije mogao da ubrza do brzine kojom bi sonda bila upućena direktno ka Jupiteru, ona je upućena ka Veneri. Cilj je bio da se metodom tzv. „gravitacione praćke“ i bliskim prolazima pored Zemlje, ona i sa manje goriva uputi ka Jupiteru.

Odmah po lansiranju pojavio se problem: glavna „kišobran“ antena nije mogla da se raširi, 3 kraka od 18 su ostala slepljena - i pored svih pokušaja, ostala je neupotrebljiva. Stručni tim koji je upravljao sondom uspeo je da prilagodi program misije komunikaciji preko druge antene manjeg opsega prenošenja informacija i misija je spasena ali i je protok informacija bio nekoliko stotina puta manji.

Sonda je prošla pored Venere 10. februara 1990. da bi krajem te godine prošla pored Zemlje sa zadnje strane u odnosu na smer njenog okretanja oko Sunca,“ukrala“ joj deo kinetičke energije i dobila brzinu koja ju je odbacila do asteroidnog pojasa, pri čemu je snimila asteroid 951 Gaspra . Potom se vratila ka Suncu i krajem 1992. opet prošla pored Zemlje na samo 303 km da bi konačno bila odbačena ka Jupiteru. Usput je snimila asteroid 243 Ida i njegov mali satelit Daktil .

Sa rastojanja od 240 miliona km od Jupitera sonda je 16-22. jula 1994. snimila padove delova komete Šumejker-Levi na Jupiter iz ugla nedostupnom zemaljskim teleskopima. Znatno pre ulaska u Jupiterovo gravitaciono polje 13.7.1995. odvojila se kapsula sa atmosferskom sondom od orbitera.

Nemoguća misija kapsule atmosferske sonde

Kapsula mase 339 kg ušla je u Jupiterovu atmosferu 7.decembra 1995. a orbiter je proletao iznad nje i poslužio kao relej za prenos podataka na Zemlju. Brzina ulaska u atmosferu je iznosile 47,8 km/s na visini od 450 km iznad nultog nivoa. Tokom kočenja u trajanju od samo 2 minuta, termički štit je izdržao temperaturu od 15500° C, preko 2,5 puta višu nego na površini Sunca. Pri tome je od 152 kg mase termičkog štita od grafit-fenol kompozita isparilo 80 kg i na taj način zaštitilo sondu. Najveće usporavanje je iznosilo 230 ge, što znači da je u tom trenutku u jednoj sekundi smanjanje brzine bilo 2,3 km/s. Sve je to uspešno obavljeno, toplotni štit je odbačen, otvoren je padobran i sonda je 58 minuta slala podatke tokom spuštanja.

Od svih atmosferskih kapsula galileo se kretao najvećom brzinom i bio izložen najvećoj temperaturi (jedino je kapsula sonde pionir Venus izdržala 400 ge pri ulasku u Venerinu atmosferu, 1978. Kompanija Hjuz koja je izradila tu sondu radila je i na atmosferskoj sondi galileo .)

Tok spuštanja posle kočenja je prošao kroz nekoliko faza. Otvaranje padobrana i odbacivanje štita je iz nerazjašnjenih razloga zakasnilo oko 1 minut u odnosu na planiranu proceduru i 2min i 52 s posle ulaska u atmosferu. Pri pritisku od 0,4 bara i t= -145° C na 23 km iznad nultog nivoa, otvoren je mali padobran da bi se potom odbacio zadnji štit. Nekoliko sekundi kasnije otvoren je glavni padobran prečnika 2,5 m i odbačen prednji štit. Brzina sonde je iznosila oko 250 m/s a 50 s kasnije sonda počela je da emituje radio-signale i šalje podatke o svojoj okolini.

Nulti nivo prošla je posle 6 min i 24 s a bazu sloja oblaka od smrznutog amonijaka prošla je na dubini od 18 km pri p=1,6 bar i t = -80° C. Brzina propadanja sonde opadala je sa sve gušćom atmosferom - u tom području ona je oko 60 m/s. Posle 61min i 24s od ulaska u atmosferu, na dubini od 143km, pri p=22 bara i t=+153° C, konačno je otkazala i prestala sa emitovanjem. Instrumenti na sondi su poslali podatke koji su donekle izmenili prethodne predstave o Jupiterovoj atmosferi.

Neutralni masspetroskop i interferometar su ukazali da helijuma ima manje od očekivanog a nefelometar za merenje lokacije oblaka i veličinu čestica u njima da su amonijačni oblaci rasplinuti i više nalik magli. Instrument za detekciju radio-talasa nastalih od munja je registrovao daleko manje emisije od očekivanih i nije potvrdio postojanje nižeg oblačnog sloja od čestica vodenog leda i vodenih kapljica. Jupiterova atmosfera je suvlja nego što se očekivalo.

Grupa atmosferskih instrumenata je, tokom celog puta, merila pritisak i temperaturu a podatke su slali i merači ubrzanja i radiometar. Sonda je bila izložena turbulentnim strujanjima koja su dostizala brzinu preko 500 km/č.

Oblačni sloj i okolna atmosfera su, prema podacima atmosferske sonde galileo , ispunjeni amonijačnim maglama i vrlo su turbulentna i suva sredina. Dalje propadanje sonde u sve toplije slojeve je prvo dovelo do topljenja i isparavanja padobrana a potom i aluminijumskog dela konstrukcije da bi, posle više sati propadanja na dubini gde je t= 1800°C, bila istopljena i konstrukcija od titanijuma a potom isparila u dubljim i vrelijem slojevima Jupiterovog bezdana.

Slalom između Jupiterovih prirodnih satelita

Orbiter je, pošto je odigrao ulogu releja za prenos podataka sa atmosferske sonde, radom raketnog motora ušao u veoma ekscentričnu eliptičnu orbitu oko Jupitera sa peroidom obilaska 6,5 meseci. Masa orbitera je iznosila 2280 kg a masa goriva i oksidatora 925 kg. Glavni raketni motor i 12 manevarskih motora izradila je nemačka kompanija DASA. Radom ovog pogonskog sistema orbiteru je smanjena najveća udaljenost od Jupitera a povećana najmanja i postignuta je eliptična putanja sa periodom obilaska od oko 2 meseca.

Tokom 35 obilazaka oko Jupitera, proletao je pored njegovih prirodnih satelita Ioa, Evrope, Ganimeda i Kalista. Pod dejstvom njihove gravitacije, orbiter je pri svakom prolasku menjao svoju putanju. Iako je zbog otkaza glavne antena izostalo slanje slika visoke rezolucija koje je orbiter mogao da snimi, njegova misija je dovela do niza novih saznanja. Na osnovu otkrića slabih magnetnih polja Ganimeda, Kalista i Evrope došlo se do zaključka da su ona nastala električnim strujanjima u endookeanima slane vode ispod ledene kore tih satelita.

Ustanovljeno je da je lava vulkana na satelitu Io temperature 1700o C i da je vrelija od lave Zemljinih vulkana. Mereno je i Jupiterovo radio-zračenje; jedan njegov mali deo odgovara emisijama koje potiču od munja tipičnih za vodene oblake. Verovatno da se atmosferska sonda spustila u oblast u kojoj nema takvih oblaka ali prirodno je da džinovska planeta bude i vrlo raznolika.

Pošto orbiter nije bio sterilisan a usled bojazni da bi padom na neki od Jupiterovih prirodnih satelita mogao da ih kontaminira zemaljskim mikroorganizmima, donešena je odluka da se on, po isteku programa istraživanja, obruši u Jupiterovu atmosferu. Poslednje preletanje je bilo 2002. pored Amalteje, manjeg satelita nepravilnog oblika. Naredne godine je orbiter postigao najveće udaljavanje od Jupitera - 26 miliona km - da bi konačno bio usmeren ka njemu. U atmosferu Jupitera je uleteo 21. septembra 2003. brzinom od 48,26 km/s i gotovo momentalno potpuno ispario, a teški atomi plutonijuma 238 koji je davao energiju u radio-izotopskom generatoru sonde propadali su kroz sve slojeve fluida Jupitera dok konačnog raspada.

Galileo i buduće sonde

Iskustva sa orbitera su primenjena na sondi kasini i na budućem Jupiterovom orbiteru sondi juno. Neprilike sa antenom se više nisu ponovile.

Najveći tehnološki poduhvat misije, ulazak kapsule u Jupiterovu atmosferu, uspešno obavljeno atmosfersko kočenje i istraživanje koje je obavila atmosferska sonda decenijama se neće primeniti za neki sličan projekat. Trenutno ne postoje planovi da se nastavi sa istraživanjem Jupiterove atmosfere. Na osnovu sadašnjih tehnoloških mogućnosti i iskustva sa sondama lenderima, za Veneru bi se mogla izgraditi sonda koja bi dospela do veće dubine i izdržala uslove pritiska 100 bar i t=500° C. Glavni izazov za istraživanje ostaje sloj vodenih oblaka na dubini od 56 km gde je p=5 bar i t=0° C.

Naučnik ali i fantasta Karl Segan je pretpostavljao da bi složeni organski molekuli mogli da u vodenim kapima Jupiterovih oblaka dovedu do nastanka jednoćelijskih oblika života pa čak i da evolucijom nastanu i složeniji organizmi. Da bi se ti oblaci istražili, nije dovoljna sonda koja će samo propasti kroz taj sloj već letelica koja bi letela kroz njega i obavljala merenja i hemijske analize. Konstruisanje aparata koji bi leteo kroz vodonično helijumsku atmosferu koja je i na p=5 bara tri puta ređa od Zemljine, u uslovima Jupiterove sile teže koja je 2,64 puta veća od Zemljine, predstavlja izuzetno težak zadatak za buduće aerokosmičke inženjere.

Aerostati-baloni za Jupiterovu atmosferu napunjeni vodonikom morali bi da imaju veoma velike dimenzije i malu nosivost a pitanje je kako bi se smestili u kapsulu, razvili i izdržali vetrove brzine do 150 m/s. Avion koji bi leteo u takvim uslovima morao bi da ima veliku površinu krila i, da bi se smestio u kapsulu a potom razvio po izbacivanju iz nje, morao bi da ima ultralaku naduvavajuću konstrukciju. Brzina zvuka u vodonično-helijumskoj atmosferi preko tri puta je veća nego u Zemljinoj atmosferi i letelica podzvučne forme bi mogla (i morala) da se kreće vrlo brzo, do 1000 m/s. Jedina pogodnost je što bi takva letelica za rad motora mogla da koristi vodonik iz atmosfere kao gorivo ali bi morala da u rezervoaru nosi tečni kiseonik kao oksidator.

Možda bi atmosferske oblasti sa jakim usponim strujanjima bile najpogodnije da se održi takav let. Pošto su atmosfere Saturna, Urana i Neptuna sličnog sastava kao Jupiterova (ali i gušće u slojevima sa temperaturom od 0° do 30° C) a gravitacija samo malo veća od Zemljine, one su i pogodnije za letenje. Verovatno je da bi takva letelica prvo bila upućena ka tim planetama a ne ka Jupiteru.

Ka Jupiteru se sada kreće sonda juno koja će ući u eliptičnu polarnu orbitu 2016. Približavajući se Jupiteru na samo 4300 km, ispitivaće njegovu atmosferu i unutrašnji sastav merenjem magnetnog polja i njegovog prirodnog zračenja. Po završetku misije, planira se da, posle 33 obletanja, i ona završi obrušavanjem u Jupiterovu atmosferu. Ta misija će dati odgovore na mnoga sadašnja pitanja o Jupiteru ali i, verovatno, otvoriti nova pitanja za koje bi odgovore mogla da potraži neka buduća atmosferska sonda sa letelicom u velikoj kapsuli - nasledniku kapsule sonde galileo.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"