Naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu zaprojektowali jeden z najważniejszych elementów księżycowego systemu nawigacyjnego. Umożliwi on precyzyjne pozycjonowanie na powierzchni Księżyca i w jego pobliżu.
Księżyc ma się stać bramą do dalszej eksploracji kosmosu – na początek Marsa. Ale żebyśmy mogli budować tam bazy wypadowe w dalsze zakątki przestrzeni kosmicznej, musimy sprawnie się po tym ziemskim naturalnym satelicie poruszać. Tworzenie systemu nawigacyjnego wokół niego to ogromne wyzwanie, znacznie bardziej złożone niż może się wydawać. Dlatego Europejska Agencja Kosmiczna (European Space Agency, ESA) postanowiła stworzyć własny system nawigacyjny dla Księżyca. W przedsięwzięciu biorą udział naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.
Moonlight, czyli GPS dla Księżyca
Choć system GPS działa na Ziemi coraz sprawniej i coraz bardziej precyzyjnie, to warunki księżycowe są dla niego zbyt ekstremalne – zarówno pod względem odległości, jak też wpływu maskonów oraz promieniowania kosmicznego – by mógł działać bez istotnych modyfikacji. Trzeba więc wszystko zaprojektować od nowa.
Powstający właśnie system Moonlight ma pokonać te przeszkody i umożliwić precyzyjne pozycjonowanie na powierzchni Księżyca i w jego pobliżu. W planach są cztery orbitery (satelity) księżycowe, odbiorniki w lądownikach, łazikach i satelitach, a także sieć naziemna – stacje referencyjne, teleskopy i stacje laserowe. Misja ma wystartować w 2031 roku. Ale zanim to się stanie, trzeba opracować algorytmy, które pozwolą precyzyjnie określić pozycję satelitów i użytkownika. I tu do gry wchodzą polscy naukowcy.
Zespół z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu zaprojektował jeden z najważniejszych elementów – sposób, w jaki satelita poinformuje nas o naszym położeniu. Polacy byli odpowiedzialni m.in. za testowanie modeli opisujących ruch satelitów wokół Księżyca. ESA uznała, że wyniki badań wykonanych przez wrocławskich naukowców są najbardziej obiecujące.
Największym wyzwaniem w opracowywaniu i testowaniu modeli było uwzględnienie rzeczywistych, dynamicznych warunków, w jakich porusza się satelita przy parametrach zadanych przez ESA – tłumaczy prof. Krzysztof Sośnica z UPWr. – Praca w ramach międzynarodowego konsorcjum, pod przewodnictwem prof. Luciano Iessa, była ogromnym przedsięwzięciem, ale jednocześnie źródłem dużej satysfakcji.
Jak nie zgubić satelity w okolicach Księżyca
Zaprojektowana orbita wokół Księżyca jest silnie eliptyczna, co oznacza, że satelita porusza się znacznie szybciej, gdy znajduje się najbliżej powierzchni (czyli w perycentrum), a wolniej, gdy jest od niej najdalej (w apocentrum). Problem w tym, że to właśnie w perycentrum ruch satelity staje się najbardziej nieprzewidywalny – wpływają na niego lokalne zakłócenia grawitacyjne (takie jak maskony), siły niegrawitacyjne, a także zmienna prędkość lotu.
Zaproponowane przez ESA parametry determinowały kształt orbity jako mocno spłaszczoną elipsę, co sprawia, że w rejonie perycentrum prędkość satelity jest znacząco wyższa – wyjaśnia dr Grzegorz Bury. – Co więcej, kształt orbity nie jest idealną elipsą, a silnie zdeformowaną przez siły zakłócające krzywą. Siły te zmieniają się tym dynamiczniej, im szybciej porusza się satelita. Oznacza to, że podczas przelotu w okolicach perycentrum bardzo trudno poprawnie modelować odstępstwa od jego ruchu. Zmiany są dynamiczne, mniej przewidywalne.
Jak dodają badacze, w tej sytuacji może nie stracimy kontaktu z satelitą, ale będziemy znać jego położenie znacznie gorzej niż gdzie indziej. Dlatego orbita została zaprojektowana tak, by satelita przebywał jak najkrócej nad problematycznym rejonem przy powierzchni, a większość czasu spędzał w apocentrum, gdzie warunki są stabilniejsze.
Jednak ESA postawiła poprzeczkę wyżej – zależało jej na maksymalnej dokładności pozycjonowania przez cały czas trwania obiegu, nawet w najtrudniejszych warunkach. Dlaczego? Bo tylko wtedy system będzie w stanie dostarczać precyzyjne dane nawigacyjne wszystkim użytkownikom – niezależnie od ich położenia czy etapu misji. Od lądowników po łaziki i przyszłe załogi – wszyscy muszą wiedzieć, gdzie dokładnie są. W przestrzeni kosmicznej, nawet jeśli „bujamy się” po pełnym romantycznych skojarzeń Księżycu, nie ma miejsca na błąd.
Do największych przeszkód w misjach pozaziemskich należy promieniowanie kosmiczne – zauważa dr Radosław Zajdel. – Ziemskie satelity są częściowo chronione przed wiatrem słonecznym i promieniowaniem kosmicznym dzięki polu magnetycznemu naszej planety. W przypadku orbiterów Księżyca ta ochrona jest już o wiele słabsza, przez co elektronika, procesory, a w szczególności zegary atomowe są bardzo narażone na promieniowanie kosmiczne, rozbłyski słoneczne albo burze magnetyczne na Słońcu. Bez zegarów atomowych satelita nawigacyjny nie może funkcjonować, więc na pokładzie musi być kilka takich zegarów (minimum dwa), żeby zapewnić odpowiedni zapas. Nie bez znaczenia było też promieniowanie kosmiczne. Księżyc nie ma pola magnetycznego, więc elektronika pokładowa narażona jest na burze słoneczne i rozbłyski.
Księżyc, Mars i… cała reszta
ESA planuje już kolejne projekty, w tym system nawigacyjny dla Marsa – misję MARCONI (MARs COmmunication and Navigation Infrastructure). Ponieważ sygnał radiowy potrzebuje od kilku do nawet 22 minut, by dotrzeć z Ziemi na Marsa, przyszłe systemy muszą działać w pełni autonomicznie. Oznacza to, że satelity i łaziki powinny samodzielnie określać swoją pozycję, podejmować decyzje i nawigować – bez ciągłego wsparcia z Ziemi. Dodatkowym wyzwaniem jest atmosfera Marsa, która może zakłócać sygnał, oraz inne, bardziej kołowe orbity, które trzeba będzie wziąć pod uwagę przy projektowaniu marsjańskiego GPS-a.
Niektóre zaproponowane przez nas rozwiązania będą jednak miały zastosowanie na innych ciałach niebieskich – twierdzą naukowcy UPWr. – Dotyczy to m.in. definicji układów odniesienia oraz systemów czasu, które powinny być w miarę możliwości aplikowalne na różnych ciałach niebieskich – dodają.
Małgorzata Moczulska, źródło: UPWr