Úton a BepiColombo
(Rovat: Távoli világok kutatói, Hazai kutatóhelyek és űripar , A Nap és bolygótestvéreink - 2018.10.20 07:20.)

Francia Guyanából elindult hosszú és kalandos útjára az európai és japán együttműködésben – és magyar részvétellel – készült „dupla” Merkúr-szonda.

A BepiColombo egy Ariane-5 hordozórakétával startolt a Kourou űrközpontból, magyar idő szerint október 20-án 3:45-kor. Az űrszonda célpontja a Merkúr. A Naprendszer legbelső bolygója körül 2025-ben áll majd pályára két külön egység, az európai MPO (Mercury Planetary Orbiter) és a japán Mio (másik nevén Mercury Magnetospheric Orbiter, MMO). A BepiColombo programjáról, tervezett útjáról nemrég az indítást beharangozó cikkünkben beszámoltunk.

Mind az európai, mind a japán Merkúr-szonda elkészítéséből és tudományos programjából magyar mérnökök és kutatók is kivették a részüket. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontja honlapján megjelent részletes információs anyagból megtudhatjuk, hogy mit és miért fognak vizsgálni a szondák, milyen fedélzeti tudományos berendezéseket visznek magukkal, és nem utolsósorban kiderülnek a magyar hozzájárulás részletei.

Az MPO a Merkúrnál. (Fantáziakép: ESA)

A mintegy négy tonna tömegű, négy részből álló űreszköz a tervek szerint bonyolult pályát követve, 2025. december 5-én érkezik meg a Merkúrhoz. A szükséges hajtóanyag-mennyiség minimalizálása miatt tart ilyen sokáig az út: a mérnökök kilenc gravitációs hintamanővert is beleiktattak az útvonalba, melyek újabb és újabb lendületet adnak a szondának. A hintamanőverek elméleti megalapozását Giuseppe (Bepi) Colombo (1920–1984) olasz matematikus és asztrofizikus fektette le, akiről a szondát elnevezték. A manőverek a BepiColombo esetében előbb a Föld, majd kétszer a Vénusz, végül hat alkalommal a Merkúr gravitációs terét használják ki. A Merkúr körüli pályára állás után a tervek szerint a küldetés egy évig fog tartani, amit remélhetőleg sikerül meghosszabbítani még egy évvel.

A Naphoz legközelebbi bolygót eddig csak két NASA űrszondának, a Mariner-10-nek és a MESSENGER-nek sikerült megközelítenie (de csak ez utóbbi állt pályára a Merkúr körül). A Naphoz ilyen közel nem csupán a napsugárzás erős (a Merkúr Naphoz közeli oldalán a Földön mérhető besugárzási energiának több mint tízszeresét kitevő a terhelés), de a szonda rendkívüli hőmérséklet-ingadozásnak is ki van téve: a bolygó napsütötte oldalán a hőmérséklet a 430 Celsius-fokot is eléri, míg az árnyékos oldalán –180 °C-ra hűl le.

Az Európai Űrügynökség (ESA) irányítása alatt valósul meg a Merkúr megközelítése az egymáshoz rögzített MMO, MPO szondák, az MTM (Mercury Transfer Module), valamint egy napárnyékoló (Sunshield) rendszerrel. A Merkúrhoz érve az egységek szétválnak, az űrszondák önálló irányítással állnak Merkúr körüli pályákra.

A Merkúr közelében szétváló egységek. (Kép: ESA)

A három tengelyre stabilizált MPO tizenegy műszere európai fejlesztésű:

• BELA (BepiColombo Laser Altimeter) lézeres magasságmérő
• ISA (Italian Spring Accelerometer) rugós gyorsulásmérő
• MPO-MAG (MPO Mgnetométer) magnetométer
• MERTIS (Mercury Radiometer and Thermal Infrared Spectrometer) infravörös spektrométer
• MGNS (Mercury Gamma-ray and Neutron Spectrometer) gamma- és neutron-spektrométer
• MIXS (Mercury Imaging X-ray Spectrometer) képalkotó röntgenspektrométer
• MORE (Mercury Orbiter Radio-science Experiment) rádiófrekvenciás műszer
• PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy) ultraibolya spektrométer
• SERENA (Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances) semleges és ionizált részecske analizátor
• SIMBIO-SYS (Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System) sztereó kamera látható tartományra valamint spektrométer a látható és infravörös tartományra
• SIXS (Solar Intensity X-ray and Particle Spectrometer) röntgen- és részecske-spektrométer

Az MPO egységen lévő műszerek elhelyezkedése. (Kép: ESA)

Az olasz vezetésű SERENA műszer együttes is további négy érzékelőből áll:

• ELENA (Emitted Low-Energy Neutral Atoms) a Merkúr felszínéről távozó semleges gázokat méri a 20 eV – 5 keV tartományban
• STROFIO (STart from a ROtating Field mass spectrOmeter) a semleges részecskék analizátora, az exoszféra gázösszetevőit méri
• MIPA (Miniature Ion Precipitation Analyser) ionmonitor, amely a felszíni plazmafolyamatok láncolatát vizsgálja
• PICAM (Planetary Ion CAMera) ion-tömegspektrométer, amely fényképezőgépként működik a töltött részecskék számára, hogy tanulmányozza a felszíni ionizációs folyamatok láncolatát; a PICAM műszer fejlesztését Ausztriában a grazi űrkutatási intézet (Institut für Weltraumforschung, IWF) fogta össze

A magyarok kutatók részben ebben az utóbbi műszerben, az ion-tömegspektrométerben, a PICAM-ban vesznek részt. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont mérnökei fejlesztették ki a PICAM alacsony feszültségű tápegységét, valamint a BepiColombo űrszonda szimuláló környezetét is az SGF Kft. bevonásával.

A PICAM műszer. (Kép: IWF)

A PICAM tulajdonképpen ion-tömegspektrométer, amely ionokat detektálva teljeség-kameraként működik (az űrszonda által ki nem takart részen) a töltött részecskék számára. Az ionkamera kísérlet célja, hogy tanulmányozzák azoknak a folyamatoknak a láncolatát, amelyek révén a felszínről semlegesen kirepülő atomok végül ionizálódnak és kölcsönhatásba lépnek a napszéllel. A PICAM ionkamera mérni fogja az alacsony, 100 eV és 3 keV közötti energiájú ionok beesési irányát, az energia/töltés és tömeg/töltés arányokat, igen jó felbontással a Merkúr ritka atmoszférájában. Ezzel a PICAM meg fogja tudni mondani az ionok tömegösszetételét, energia- és szögeloszlását a Merkúr plazmakörnyezetében. Ezen keresztül megérthetjük a magnetoszférában lezajló folyamatok részleteit. A PICAM érzékelő fejlesztésében való részvétellel az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont a SERENA mérési adataihoz elsődleges hozzáféréshez jut (ionmonitor + felszíni plazmafolyamatok + ion-tömegspektrométer).

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont által fejlesztett tápegység minősítő példánya, amely tartalmazza a PICAM elektronikájához szükséges fix és az ionok energia szerinti szétválasztását szolgáló két tartományban is folyamatosan változtatható feszültségeket. (Kép: MTA Wigner FK)

A fedélzeti elektronika a BepiColombo fejlesztői számára komoly kihívást jelentett, hiszen a szondán időnként több mint 300 °C hőmérséklet is felléphet. A mérnökök a műszerek e magas hőmérsékletre való felmelegedését kívülről különleges, többrétegű borítással próbálják megakadályozni. A műszereken belül keletkező hőt pedig megfelelő hőelvezetésekkel az űrszonda árnyékban lévő oldalára vezetik el.

A szondán a SpaceWire busz rendszert alkalmazzák, amely az ESA által kifejlesztett fedélzeti kommunikációs szabvány. Ez a szabvány viszonylag kis energiafogyasztás mellett nagy adatátviteli sebességet biztosít. A szabvány a fizikai és az adatkapcsolati rétegeket rögzíti. A NASA is ugyanezt az adatátviteli szabványt használja újabb űrszondáiban.

A kifejlesztett földi ellenőrző-berendezés (Electrical Ground Support Equipment, EGSE) két egységben valósult meg: a jelszintű szimulátor egy beágyazott processzor alapú egység, amelyen valós idejű Linux operációs rendszer fut. Ez ethernet kapcsolaton keresztül kommunikál a kereskedelmi forgalomban beszerezhető PC-vel, amely a grafikus kezelői felületet biztosítja. A grafikus kezelői felület útján vezérlik a mérnökök és a kutatók különböző üzemmódokba a PICAM szenzort, a szolgálati információt, és ezen keresztül jelenítik meg a tudományos mérési adatokat különböző formákban. A PICAM szenzor beméréséhez a BepiColombo szonda adatgyűjtő és vezérlő rendszerét szimuláló földi ellenőrző berendezést az SGF Kft. fejlesztette.

A PICAM bemérését szolgáló EGSE. (Kép: SGF Kft.)

A Merkúr magnetoszféráját vizsgáló, japán vezetéssel épült Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) a 3 tengelyre stabilizált MPO-val szemben 4 másodpercenként megfordul a tengelye körül, ami a plazmamérésekhez szükséges. Fedélzetén 5 műszercsoport foglal helyet: egy-egy pormonitor, magnetométer, plazmadetektor, a nátrium D2 emissziós vonalában képet készítő interferométer és a PWI plazmahullám kísérlet. Ez utóbbi 3 rádióhullám vevővel összekötött két elektromos tér hullám 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 (ISDM). (Forrás: MTA Wigner FK)