Aj najmenšia chyba by podľa Európskej vesmírnej agentúry (ESA) mohla zmeniť jej kurz a spôsobiť zlyhanie celej misie.
Sonda JUICE pri Jupiteri. Zdroj: NASA
Sondy používajú pri cestovaní vesmírom už desiatky rokov zaujímavú taktiku. Ide o takzvaný gravitačný manéver. Základný princíp spočíva v cielenom využití gravitačného poľa planéty na zmenu smeru a rýchlosti kozmického plavidla. V druhej polovici augusta sa oň pokúsi aj sonda JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), ktorá od minulého roka letí k planéte Jupiter.
V jej prípade to bude svetový unikát. Po prvý raz v ére kozmonautiky dôjde k vykonaniu dvojnásobnej gravitačnej asistencie. Sonda za jeden a pol dňa obletí najprv okolo Mesiaca a potom aj okolo Zeme, pričom zužitkuje účinky ich gravitačných polí.
Problematické palivo
V tomto momente by mohla zaznieť úplne legitímna otázka: Prečo sonda neletí priamo k plynnej planéte, ale kľučkuje slnečnou sústavou? Odpoveď zahŕňa tri dôležité faktory: množstvo paliva, hmotnosť sondy aj výkon nosnej rakety.
Predstavte si, že cestujete na ďalekú cestu bez možnosti dotankovať. Na jednej strane so sebou musíte viezť nepredstaviteľné množstvo pohonných látok, na druhej strane by hmotnosť samotného vozidla z 99 percent tvorilo iba palivo. V pozemských podmienkach to predstavuje úplný nonsens a s letom do vesmíru sa rovno môžete rozlúčiť. Každým kilogramom sa šance na to, že sa odlepíte od zemského povrchu, rapídne znižujú.
Na problematiku raketového paliva poukázal v roku 1903 ruský matematik a otec kozmonautiky Konstantin Ciolkovskij. Z jeho rovníc vyplynulo, že každá hmotnosť navyše sa javí ako enormne limitujúci faktor.
Umelecké dielo desaťročnej Yaryny vyhralo súťaž o logo misie a bolo pridané na nos rakety nesúcej JUICE. Zdroj: Manuel Pédoussaut/ESA
Pomocná ruka gravitácie
Ak by sonda JUICE letela priamo k Jupiteru, musela by prekonať vzdialenosť 800 miliónov kilometrov. Navyše by na palube musela mať viac ako 60 000 kilogramov pohonných hmôt, ktoré by pri dosahovaní obežnej dráhy planéty použila aj na dodatočné brzdenie. Súčasný stav techniky a technologického pokroku to zatiaľ nedovoľuje.
„Bez gravitačných manévrov by sa sonda JUICE k Jupiteru vôbec nedostala. Nemá totiž také veľké nádrže, aby sama dosiahla požadovanú zmenu rýchlosti,“ vysvetlil pre portál VEDA NA DOSAH český popularizátor kozmonautiky Dušan Majer. „Riešením by bolo buď postaviť menšiu sondu, vyniesť ju väčšou raketou, alebo výrazne zväčšiť jej nádrže. To všetko by sa však muselo riešiť už na začiatku plánovacej fázy.“
Ďalšie riešenie nám ponúka samotný vesmír. Ide konkrétne o gravitačné polia v okolí planét a telies slnečnej sústavy. Vždy keď sonda obieha určitú planétu a jej trajektória sa zahne iným smerom, zmení sa aj jej energia a rýchlosť. Na prvý pohľad to vyzerá, akoby ju planéta vystrelila z praku. A to ani nemusí zapnúť motory.
Čo je gravitačný prak?
Na to, aby sonda mohla využiť vo svoj prospech gravitačné pole obiehanej planéty, musí sa k nej dostať na potrebnú vzdialenosť. Nie príliš blízko, aby sa nestala obežnicou, ale ani príliš ďaleko, aby mal gravitačný manéver želaný účinok.
Je to metóda, ktorá mení rýchlosť sondy alebo kozmickej lode vzhľadom na Slnko tým, že sa sonda pohybuje gravitačným poľom planéty alebo mesiaca. Princíp spočíva v tom, že obiehajúca planéta odovzdáva sonde časť svojej orbitálnej energie.
Gravitačným manévrom môžeme sondu buď spomaliť, alebo zrýchliť. Zrýchľovanie docielime tak, že sonda obletí planétu v smere zhodnom s pohybom planéty. Ak ju chceme, naopak, spomaliť, pohybujeme sa v protismere pohybu planéty. Hoci vesmírnemu telesu pri využití gravitačného praku energiu odoberáme, je to zanedbateľné množstvo.
Americký astrofyzik Neil deGrasse Tyson použil v jednom z popularizačných videí vtipné a zároveň výstižné prirovnanie: „Je to ako komár, ktorý v plnej rýchlosti letí oproti slonovi.“
Hmotnostný rozdiel sondy a planéty je priepastný. Efekt úbytku energie by sa na hmotnom telese prejavil až za miliardu rokov. Aj to len v prípade, že by sonda gravitačný prak planéty využívala každý deň. Zatiaľ čo planéte nehrozia žiadne straty, sonda získa potrebný benefit.
Vyššia rýchlosť a usporené palivo
Gravitačný manéver je známy aj pod označeniami gravitačný alebo kozmický prak alebo gravitačná asistencia.
„Výhodou gravitačného manévru je, že dokáže zmeniť rýchlosť sondy okolo Slnka, čím žiaducim smerom upraví jej obežnú dráhu,“ vysvetlil Majer. „Ak by mala sonda vykonať rovnakú zmenu rýchlosti iba vlastným pohonom, spotrebovala by množstvo pohonných látok.“
Sonda JUICE, ktorá odštartovala 14. apríla 2023 z kozmodrómu Kourou vo Francúzskej Guyane na rakete Ariane 5, smeruje k planéte Jupiter. Počas osemročnej púte vykoná päť gravitačných manévrov, ktoré ju v polovici roka 2031 dostanú k mesiacom Európa, Ganymedes a Kalisto. Prvý manéver ju čaká v druhej polovici augusta a bude unikátny.
„Sonda JUICE sa stane prvou sondou v histórii, ktorá v rozmedzí jedného dňa vykoná dva gravitačné manévre,“ uviedol Majer a ďalej vysvetlil: „Sonda sa najprv prešmykne niekoľko sto kilometrov nad povrchom Mesiaca a takmer o 24 hodín neskôr presviští niekoľko tisíc kilometrov od Zeme.“
Oblet okolo Mesiaca jej potrvá približne hodinu, pričom dôjde k miernemu ohnutiu jej dráhy smerom k Zemi, kde dorazí o niekoľko hodín neskôr 20. augusta 2024. Zdroj: ESA
Vesmírny valčík cez slnečnú sústavu
Manéver, ktorý v ére kozmonautiky dosiaľ nemá obdobu, je označený skratkou LEGA (lunar-Earth gravity assist) a predchádza mu séria dôležitých medzikrokov.
Úplne prvým bolo 17. novembra 2023 zapnutie hlavného motora, ktorého cieľom bola zmena obežnej dráhy okolo Slnka. Zápal trval 43 minút a družica pri ňom spálila 10 percent z celkovej zásoby paliva. Najbližšie JUICE zapne motory až v roku 2031. Vtedy by sa mala podľa letových plánov priblížiť k systému 35 ľadových mesiacov Jupitera.
Gravitačná asistencia, ktorú sonda podnikne o niekoľko dní, bude mať nasledujúci priebeh: JUICE sa najprv 19. augusta dostane k nášmu prirodzenému satelitu. Pri najtesnejšom priblížení bude od lunárneho povrchu vzdialená 700 kilometrov. Oblet okolo Mesiaca jej potrvá približne hodinu, pričom dôjde k miernemu ohnutiu jej dráhy smerom k Zemi, kde dorazí o niekoľko hodín neskôr 20. augusta.
V najbližšom bode bude od zemského povrchu vzdialená 6 807 kilometrov. ESA na svojej oficiálnej stránke uvádza, že ju bude možné aj zahliadnuť prostredníctvom výkonnejších ďalekohľadov. Sonda sa bude pohybovať nad juhovýchodnou Áziou a Tichým oceánom.
Zaujímavosťou je, že úlohou gravitačného poľa Zeme bude sondu spomaliť, aby pokračovala ďalej k Venuši, kde dorazí v roku 2025. Ak by ju inžinieri namiesto brzdenia zrýchlili a dostala by sa k Marsu, musela by dlho čakať na optimálnu konšteláciu planét a ďalšie vhodné prelety.
Jupiter so svojimi najväčšími mesiacmi. Zdroj: NASA/JPL/DLR
JUICE pod drobnohľadom
Hoci sonda vykoná kľúčový manéver 19. a 20. augusta, pozemné stanice po celom svete s ňou budú v komunikačnom spojení už niekoľko dní pred zložitým úkonom aj po ňom. Od 17. do 22. augusta bude úlohou operátorov nepretržite sledovať dáta, vykonávať drobné korekcie a udržiavať sondu na správnom kurze. To všetko sa musí udiať v reálnom čase a s veľkou presnosťou.
„Je to ako prejsť vo veľkej rýchlosti veľmi úzkym koridorom a na maximum dupnúť na plyn v momente, keď ste od okraja cesty vzdialený len na milimetre,“ vysvetlil manažér prevádzky sondy JUICE Ignacio Tanco.
Popri prelete medzi Mesiacom a Zemou sa bude diať aj veda. Vedci v tomto časovom okne aktivujú desať prístrojov. Majú jedinečnú šancu ich doladiť, aby v cieľovej destinácii fungovali bezchybne.
Zásadnú úlohu má aj technický tím okolo zariadenia RIME (Radar for Icy Moon Exploration). Potrebuje odstrániť nevysvetliteľný elektronický šum, ktorý ruší údaje z radaru. Úlohou detektoru RIME počas misie je štúdium povrchovej a podpovrchovej štruktúry ľadových mesiacov Jupitera až do hĺbky 9 kilometrov.
Daň za úsporu energie
Gravitačný manéver dokáže významne pomôcť zariadeniam pri cestovaní vesmírom. Má však jednu zásadnú nevýhodu. Popri energetickej úspore predlžuje cestu k cieľu.
„Napríklad ak by sonda Europa Clipper štartovala na silnej, ale drahej rakete SLS, dokázala by k Jupiteru doletieť priamo bez akéhokoľvek gravitačného manévru za približne tri roky,“ uviedol český popularizátor kozmonautiky a ďalej dodal: „Keďže poletí na slabšej, ale omnoho lacnejšej rakete Falcon Heavy, bude musieť potrebnú zmenu rýchlosti dosiahnuť gravitačnými manévrami okolo planét. K Jupiteru tak dorazí osem rokov po štarte.“
Sonda Europa Clipper, ktorú štart ešte len čaká, dokonca dorazí k planéte Jupiter skôr než sonda JUICE. Hoci obe plavidlá smerujú k plynnému obrovi, skúmať budú odlišné ciele. Sonda Europa Clipper sa zameria na Európu, kým sonda JUICE na ostatné Galileiho mesiace, predovšetkým na Ganymedes. Ku koncu svojej misie by sa mala zachytiť na jeho orbite natrvalo a stať sa jeho obežnicou.
(JM)
