Jövőbeli Jupiter-küldetés a tervezőasztalon  (JIMO)

 

Ralph Lorenz cikke alapján /Astronomy Now/

Forrás: http://spaceflightnow.com/galileo/030921jimo.html

 

A Jupiterhez induló következő űrszonda forradalmi jelentőségű lesz - egy atommeghajtású monstrum, melynek élettartama százszorosa lesz elődjének, a Galileóénak. Az űrkutatás történetében még sosem volt példa ilyen drámai léptékű képességbeli fejlődésre.

 


 Egy művészi elképzelés a Jupiter Icy Moons Orbiterről (forrás: NASA/JPL)

 

A tudósok eredeti elképzelései szerint az évtized végén egy kis méretű (kb. 300 kg tömegű) keringő egység indult volna az Europához, hogy bizonyítsa a holdon lévő óceán jelenlétét, valamint hogy tanulmányozza a fölötte elterülő jégburok vastagságát, szerkezetét és összetételét. Azonban egy hasonló küldetés megvalósítása két okból is különleges technikai kihívást jelent. Először is ahhoz, hogy a szonda elérje a Jupitert, majd belépjen a bolygó gravitációs terébe és pályára álljon az Europa körül, igen nagy mértékű hajtóerő (vagyis sok rakéta-üzemanyag) szükséges. A másik probléma oka a Jupiter két belső holdja körül tapasztalható intenzív sugárzás.

 

Bár egy Europa-misszió biztos pontként szerepelt a NASA tervei között, a túl komolynak tűnő technikai akadályok, valamint a küldetés költségeinek elfogadhatatlan mértékű növekedése miatt a programot elhalasztották.

 

A Jupiter Icy Moons Orbiter az Europa holdnál (fantáziarajz, forrás: NASA/JPL)

A probléma „méregfoga”

 

Az előzmények ismeretében a tudósok meglepődve tanulmányozták át a NASA új tervét, amely a torkánál ragadja meg a hajtóerő által felvetett problémát. Az elkövetkező pár évben a NASA kétmilliárd dollárt fog költeni egy atommeghajtású űreszközökből álló flotta kifejlesztésére. Azt, hogy a program megvalósításának teljes költsége végül mennyi lesz, még senki sem tudja – bizonyára jó pár milliárdot felemészt majd, melynek egy részét talán más kormányügynökségek fogják állni. De a NASA és az amerikai kormány teljes mellszélességgel támogatja a projektet, amely nevét a tüzet az istenektől ellopó, és azt az embereknek adó Prométheuszról kapta. Az űrügynökség már meg is kötött három, egyenként hatmillió dolláros szerződést különböző ipari cégekkel az első tervek elkészítésére.

 

Az első ilyen új űreszköz a JIMO – Jupiter Icy Moons Orbiter – nevet viseli, amely egy mini-atomreaktor által működtetett ionhajtóművek segítségével hagyja el a Földet, majd áll pályára néhány hónappal később a Callisto, a Ganymedes és az Europa körül.

 

Ionmeghajtás vagy kémiai üzemanyag?

 

A kémiai rakétahajtóművek vegyi anyagokat égetnek, melyek felforrósodnak, majd a kitáguló gáz egy fúvókán áramlik át, kb. 3 km/s-os sebességgel lövellve ki hátrafelé. A newtoni hatás-ellenhatás törvény értelmében ez előrefelé hajtja az űreszközt. Az ionhajtóművek egy elektromos mező segítségével ionizált gázt gyorsítanak fel, és nincs égési folyamat, ami limitálná a tágulási sebességét. Általában a villanólámpákban is alkalmazott semleges xenongázt használnak, amit 30 km/s-ra gyorsítanak fel, tízszer – vagy még többször – akkora tolóerőt létrehozva ezzel, mint az azonos mennyiségű kémiai hajtóanyag esetén.

 

Az Europa Orbiter elvileg csak kémiai hajtórakétával működhetne, de egy nagyszabású utazás a Jupiter rendszerébe ezzel a módszerrel teljes mértékben kivitelezhetetlen lenne. Így a JIMO fogja elvégezni az Europa Orbiter feladatát, sőt, jóval többet is annál. Emiatt választották ki ezt a küldetést, hogy demonstrálják vele a nukleáris energia űrbéli felhasználása által nyerhető teljesítményt.

 

Hasonló atomreaktorok - melyek jóval nagyobb teljesítményűek, mint a Voyager, a Galileo és a Cassini esetében használt kicsi, nem mozdítható alkatrészekből álló radioaktív termoelektromos generátorok (RTG) – korábban keringtek már földkörüli pályán, méghozzá a kis teljesítményű lokátoros légtérellenőrző műholdak fedélzetén. A nyílt űrben azonban még sosem lettek kipróbálva. Az ionmeghajtást ugyan alkalmazták már műholdaknál, a NASA Deep Space-1 nevű űrszondáján (amely két éve látogatott meg egy üstököst), valamint az ESA (Európai Űrügynökség) nemrég indított, SMART-1 nevű holdszondáján, de a nukleáris energia és az ionmeghajtás kombinációja (NEP – Nuclear Electric Propulsion) teljesen új ötlet. 

 

Energia minden mennyiségben

 

A hatalmas teljesítmény lehetővé teszi, hogy iskolai vagy otthoni kísérletként egy udvari parabolaantennával fogjunk egy egyszerű jelet a JIMO-ról, mikor az már a Jupiternél jár. Ennél persze jóval lényegesebb, hogy a szonda rendkívül nagy mennyiségű adatot fog majd visszaküldeni – az átviteli sebesség 10 megabit lesz másodpercenként, szemben a Voyager ill. a Cassini 100 kilobit/s-os teljesítményével.

 

A bolygókutató szakembereknek nagy kihívást jelentett, hogy az eddigi 50 wattos (vagyis egy asztali lámpaizzó teljesítményével működő) adatátviteli eszközök helyett többtízezer wattos (kb. ekkora egy stadion reflektorainak összteljesítménye) műszereket készítsenek. Kézenfekvő ötletnek tűnik, hogy a holdak jégburkába nagy energiájú radarberendezéseket juttassanak, hogy ezáltal meghatározhassák az alatta lévő vízóceán mélységét. A radikálisabb elképzelések szerint lézerek, elektromágneses fegyverek, vagy az ionhajtóművek sugárnyalábjainak segítségével végzett robbantások révén pedig vizsgálati mintát is vételezhetnénk a felszín anyagából.

 


A Jupiter Icy Mooons Orbiter tervrajza (forrás: NASA/JPL)

 

A program egyelőre a kezdeti stádiumban tart; a JIMO legkorábban 2011-ben indulhat útnak. A jelenlegi elképzelések szerint a szonda 20 tonnát fog nyomni, és kb. 20 m-es lesz a hossza. Az érzékeny tudományos felszerelést egy hosszú kar tartja távol a reaktortól, melynek hőenergiája révén a turbina kb. 100 kW-os teljesítmény leadására lesz képes. A hő az űreszköz teljes hosszában elhelyezendő, nagyméretű hősugárzó panelek révén fog visszaverődni.

 

A szonda a Föld elhagyásától számított 6-8 éven belül ér a Jupiterhez, ahol előbb a Callisto, majd a Ganymedes körül áll pályára (ez kb. 8-8 hónapot vesz igénybe), míg végül az Europa felé veszi az irányt, ahol két és fél hónapot fog eltölteni. Mindent összevetve, a misszió teljes időtartama 12 év lesz.

 

Végül egy utószó a JIMO űrszondához. Ezt az utat egy küldetéssorozat első lépésének tekintik, hiszen több milliárd dollárt fektetni egy egyszeri kalandba nem igazán kifizetődő. Hova indul majd a következő Prométheusz-misszió? A lehetséges célpontok között szerepel többek között a Neptunusz, valamint – a Cassini küldetésének folytatásaként – a Szaturnusz Titán nevű holdja.

 

A JIMO lehetséges feladatai

Bár a küldetés tudományos programja már elkészült, a szerző az Astronomy Now folyóirat hasábjain felvet néhány kérdést, melyre a JIMO vizsgálatai fényt deríthetnének.

 

A planetológusok meggyőződése szerint az Europán van folyékony vízóceán; az egyetlen vitás pont az, hogy milyen vastag a fölötte elterülő jégréteg. Sokak véleménye szerint a hold egyes kráterei alatt ez az érték mindössze 8-10 km. Egyesek pedig azon a véleményen vannak, hogy létezhetnek olyan keskeny foltok ill. repedések, melyek alatt a jégburok még vékonyabb. A JIMO feltérképezhetné, hogy az óceán hol a legkönnyebben megközelíthető, elősegítve ezzel a jövőbeni landolási pozíciók meghatározását.

 

Feltör-e az óceán vize gejzírként az Europa repedésein keresztül? Pontosan mi okozza a Jupiter viharainak fénykibocsátását? Mennyire változékonyak a Jupiteren tapasztalható sarki fény jelenségek, valamint a bolygóhoz közeli intenzív sugárzási övezetek? Az Io árapály miatt aktív vulkánjai produkálnak-e rendszeres kitöréseket? A JIMO egy nagy felbontású kamera segítségével az Europáról is megfigyelhetné az Io alakjában az árapályerők hatására bekövetkező változásokat. A JIMO-t hosszú élettartama és a gyors adatátvitel alkalmassá teszi a Jupiter rendszerének, mint dinamikus környezetnek a részletes, hosszú távú vizsgálatára.

Vannak-e nyomai az Europa jegében esetlegesen létező szerves molekuláknak, és hogyan változtatja meg őket a sugárzás? Mennyi vízgőz és ammónia van valójában a Jupiteren – vajon a Galileo csak egy folt alapján vizsgálódott? Miből állnak a bolygó gyűrűi? Az ultraibolyától egészen a kisenergiájú infravörös sugárzásig terjedő tartományban végzett színképvizsgálatok – kiegészülve a por és a plazma (melynek egy részét talán holdfelszíni lézeres robbantás révén nyerik) összetételének helyszíni mérésével – választ adhatnak ezekre a kérdésekre.

 

Van-e óceán a Callistón és a Ganymedesen, és ha igen, milyen mélyek? Fémből van-e a Ganymedes magja? A szonda fontos méréseket végez majd a holdak gravitációs és mágneses mezejéről; ezenkívül lézeres magasságmérés ill. nagyfelbontású radarfelvételek segítségével precíz képet kapunk a felszíni topográfiájukról is. A megoldandó problémák közé tartozik, hogy kiküszöböljék a nagyteljesítményű elektromos generátor mágneses mérések végzése közben fellépő zavaró hatását. A gravitációs mezőben végzett méréseket pedig a nagy nyomás teszi bonyolulttá.

 

A szerző, Ralph Lorenz az Arizonai Egyetem planetológusa. Könyve, a Jacqueline Mittonnal közösen írt „Ereszkedés a Titán felhőibe” (Lifting Titan’s Veil) a Cambridge University Press gondozásában jelent meg.

 

Fordította: Szalai Tamás (I. éves csillagász hallgató)

2003. október 20.