Главная » 2024»Октябрь»15 » В космос отправлен аппарат, что изучит потенциально обитаемый инопланетный мир. Обзор и видео запуска Europa Clipper.
15.10.2024 17:22
В космос отправлен аппарат, что изучит потенциально обитаемый инопланетный мир. Обзор и видео запуска Europa Clipper.
Поиск внеземной жизни — важная задача современной науки. Обычно нам представляется, что она находится где-то на очень далёких планетах, но в реальности инопланетная жизнь может скрываться совсем рядом с Землёй. В нашей Солнечной системе существует сразу несколько потенциально обитаемых небесных тел, т. е. инопланетных миров, где может существовать внеземная жизнь, даже самая примитивная. Большой интерес представляют некоторые спутники планет-гигантов, под ледяной поверхностью которых могут скрываться огромные океаны жидкой воды. Одно из таких тел — спутник Юпитера Европа, что считается одним из самых вероятных претендентов на существование внеземной жизни в Солнечной системе. Именно к Европе летит новейший исследовательский зонд человечества — Europa Clipper.
Как прошёл запуск и с помощью какой ракеты космический аппарат Europa Clipper был отправлен в космос, чем он уникален и как будет исследовать Европу, почему эта луна Юпитера так привлекает учёных?
Примечание: выше приведено видео с YouTube, если оно не работает или медленно загружается, то можно посмотреть его на «Дзене» по этой ссылке.
Миссия Europa Clipper была запущена с помощью ракеты-носителя (РН) Falcon Heavy компании SpaceX Илона Маска. Пуск был произведён 14 октября 2024 года в 19:06 по московскому времени со стартового комплекса SLC-39A космодрома на мысе Канаверал (штат Флорида, США). Через 8 минут вторая ступень отключила двигатель, но через 47 минут после старта перезапустила его для выхода на гелиоцентрическую орбиту, а через 1 час 2 минуты зонд Europa Clipper отделился от ступени.
Циклограмма запуска Europa Clipper. Так как старт был перенесён на несколько дней, указанное время слегка отличается от того, что было в реальности. Credit: NASA/SpaceX.
В этот раз SpaceX запустила Falcon Heavy в полностью одноразовом варианте, без возврата каких-либо компонентов. При этом первая ступень центрального блока новая, а для обоих боковых ускорителей это был уже 6 пуск. Вторые ступени у РН Falcon Heavy и Falcon 9 всегда одноразовые.
Для Falcon Heavy это был 11 запуск в истории её эксплуатации, 2 в 2024 году, а также 2 в полностью одноразовом варианте. Для SpaceX это уже 96 пуск в текущем году (без учёта испытательных полётов Starship).
Europa Clipper на адаптере полезной нагрузки, сзади видна одна из створок головного обтекателя ракеты Falcon Heavy. Credit: NASA/SpaceX.
Запущенная РН Falcon Heavy с Europa Clipper на борту. На этой фотографии хорошо видно, что боковые ускорители уже были в космосе, а первая ступень центрального блока новая. Credit: NASA/SpaceX.
Запуск РН Falcon Heavy с Europa Clipper. Credit: NASA/SpaceX.
Выбор ракеты
Использование довольно мощной Falcon Heavy, которая в одноразовом варианте относится к РН сверхтяжёлого класса, объясняется большой массой Europa Clipper и запуском на гелиоцентрическую орбиту, что требует значительно большей энергии чем, к примеру, на околоземную орбиту.
Первоначально планировалось, что миссия Europa Clipper будет запущена с помощью РН сверхтяжёлого класса Space Launch System (SLS) в самой лёгкой конфигурации. Эта ракета используется в новой лунной программе США с широким международным участием «Артемида» и уже запустила её первую миссию «Артемида-1», она позволила бы Europa Clipper использовать относительно короткую траекторию и достичь Юпитера менее чем за 3 года. Проблема заключалась в большой стоимости запуска SLS, да и на тот момент эта РН была только в разработке. Также NASA рассматривало вариант использования РН тяжёлого класса Delta IV Heavy, эксплуатация которой была завершена весной этого года. Но при её использовании пришлось бы использовать слишком долгую и сложную траекторию.
После ввода в эксплуатацию РН Falcon Heavy в NASA решили использовать её. Причины три. Во-первых, запуск этой ракеты обойдётся в несколько раз дешевле, чем SLS. Во-вторых, как предполагают специалисты NASA, использование твердотопливных боковых ускорителей на SLS увеличило бы нежелательную вибрацию при старте. В-третьих, ракеты SLS созданы для «Артемиды», использование их в других запусках могло бы негативно сказаться на графике пусков по лунной программе или наоборот, так как каждая такая ракета строится долго.
Falcon Heavy с Europa Clipper на борту во время транспортировки к стартовому столу. Credit: NASA/SpaceX.
Перелёт и работа у Юпитера
На полёт к Юпитеру у Europa Clipper уйдёт пять с половиной лет, аппарат прибудет к планете в апреле 2030 года. Во время полёта к цели Europa Clipper совершит два гравитационных манёвра: в феврале 2025 года у Марса и в декабре 2026 года у Земли.
После достижения Юпитера Europa Clipper совершит сложный тормозной манёвр, чтоб выйти на орбиту планеты, который будет длиться около 6 часов. На него будет потрачено немногим более половины запаса топлива.
Созданная энтузиастами анимация траектории полёта Europa Clipper к Юпитеру. Синим показана орбита Земли, оранжевым — Марса, зелёным — Юпитера, розовым — траектория аппарата. Credit: HORIZONS System, Phoenix7777/JPL/NASA.
Важно отметить, что Europa Clipper не будет выходить на орбиту вокруг Европы, а будет двигаться по орбите вокруг Юпитера, но так, чтоб регулярно сближаться с ней.
Созданная энтузиастами анимация траектории движения Europa Clipper вокруг Юпитера. Зелёным показан сам Юпитер, красным — орбита Ио, голубым — Европы, оранжевым — Каллисто, розовым — аппарата. Credit: HORIZONS System, Phoenix7777/JPL/NASA.
Планируется, что за 3,5 года работы на орбите Юпитера Europa Clipper совершит 45 сближений с Европой на расстоянии от 2700 до 25 км. С мая 2031 по май 2033 год будет наблюдаться обратная от Юпитера сторона Европы, а после — передняя. Это объясняется тем, что Европа всегда повернута к Юпитеру одной стороной. Если аппарат будет к этому времени нормально функционировать, то начнётся расширенная научная программа с новыми сближениями.
Europa Clipper, иллюстрация. Credit: NASA/JPL-Caltech.
Взаимодействие с JUICE
Europa Clipper будет активно взаимодействовать с европейским аппаратом JUICE, который был запущен весной 2023 года. Их фазы полёта и научных исследований будут частично совпадать в первые годы, после JUICE выйдет на орбиту вокруг Ганимеда, ещё одного спутника Юпитера. Но перед этим он совершит 2 сближения с Европой.
Интересно, что американский зонд хоть и был запущен только сейчас, но прибудет к Юпитеру на 15 месяцев раньше европейского.
Почему именно Европа?
Европа — один из четырёх галилеевых спутников, обнаруженных в XVII веке Галилео Галилеем, шестой по отдалённости от Юпитера среди всех лун. Это самый маленький галилеев спутник, его средний радиус составляет примерно 90% от среднего радиуса Луны.
Европа. Снимок был получен зондом NASA Juno в сентябре 2022 года. Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill.
Поверхность Европы состоит изо льда и является одной из самых гладких в Солнечной системе; на ней очень мало кратеров, но много трещин, тёмных линий и пятен, есть гейзеры. Основная гипотеза, объясняющая как эти, так и другие свойства Европы, — наличие под ледяной поверхностью спутника огромного океана жидкой воды. В этом случае он может содержать в 2 раза больше воды, чем весь мировой океан Земли, а его глубина может доходить до 100 км! Для сравнения, Марианская впадина имеет максимальную глубину около 11 км.
Предполагаемое строение Европы: ледяная кора с подповерхностными озёрами и гейзерами, океан и силикатное дно с гидротермальными источниками. Credit: NASA.
Почему он не замерзает? Вода может оставаться жидкой даже при очень низких температурах из-за растворённых в ней химических соединений и большого давления. Но в нашем случае этого недостаточно, океан подогревается. Большая часть тепла образуется из-за приливных сил, возникающих при движении Европы вокруг Юпитера, значительно меньший вклад вносит тепло от распада радиоактивных изотопов и энергия от других возможных источников. Но это ещё не означает, что этот океан по земным меркам тёплый.
Гипотетическая внеземная жизнь на Европе может использовать хемосинтез — получение энергии из неорганических соединений. На Земле хемосинтез используют только бактерии и археи, но в океане Европы, где нет других источников энергии, его могут использовать и более сложные формы жизни.
Также на дне океана могут присутствовать гидротермальные источники. В океанах Земли вокруг них формируются настоящие оазисы жизни.
Гидротермальные источники на дне океанов Земли являются домом для множества видов живых организмов. Credit: NOAA.
Особенности и научные инструменты Europa Clipper
О целях Europa Clipper
Очень важно отметить, что Europa Clipper не сможет напрямую доказать или опровергнуть существование жизни в океане Европы. Для этого необходимо непосредственно изучить образцы с океана, однако этот космический аппарат сделать этого не сможет. Зато он сможет изучить другие свойства небесного тела и, возможно, обнаружит косвенные признаки обитаемости. Полученные данные будут использованы для планирования новых миссий, которые, возможно, смогут получить прямые доказательства обитаемости Европы.
Естественно, Europa Clipper будет по возможности изучать Юпитер и его другие луны.
Конструкция
Europa Clipper — крупнейшая автоматическая межпланетная станция NASA! Её длина составляет 6 м, а её ширина с огромными развёрнутыми солнечными батареями — примерно 30,5 м! Стартовая масса зонда составляет 6065 кг, из которых 2750 кг — топливо.
Europa Clipper во время сборки с одной развёрнутой солнечной панелью, вторая ещё не установлена. Credit: NASA/JPL-Caltech.
Europa Clipper в сравнении с баскетбольной площадкой, иллюстрация. Credit: NASA/JPL-Caltech.
Europa Clipper оснащена огромными солнечными батареями: каждая из двух панелей имеет длину примерно 14,2 м и высоту около 4,1 м. Почему они настолько большие? Во-первых, Юпитер — самая далёкая от Солнца планета, где ещё есть смысл использовать солнечные батареи. Однако на таком расстоянии от звезды требуется, чтоб у них была большая площадь. Во-вторых, сближения с Европой будут долгими, и из-за научных наблюдений Europa Clipper будет потреблять больше энергии. В-третьих, магнитное поле Юпитера, которое во много раз сильнее земного, создаёт мощные радиационные пояса, где накапливаются и удерживаются высокоэнергичные заряженные частицы. Они ускоряют деградацию фотоэлементов, поэтому мощности солнечных батарей должно быть с запасом. Поначалу у Юпитера они будут вырабатывать около 1 кВт энергии, но это значение будет постепенно падать.
Солнечные батареи для Europa Clipper поставлены компанией Airbus Defence and Space и произведены в Нидерландах.
Эта фотография хорошо помогает оценить размеры солнечных батарей Europa Clipper. Credit: NASA/JPL-Caltech.
Упомянутые выше радиационные пояса Юпитера вредят не только солнечным батареям, но опасны и для микроэлектроники, из-за чего она имеет дополнительную противорадиационную защиту. Наиболее чувствительные компоненты, в том числе бортовой компьютер, помещены в отсек, созданный из листов алюминиево-цинкового сплава толщиной 9,2 мм. Он сконструирован с учётом опыта эксплуатации аппарата NASA Juno, что тоже работает у Юпитера. Сам бортовой компьютер Europa Clipper построен на основе радиационно стойкого процессора RAD750, который использовался во множестве других аппаратов NASA. Для хранения данных Europa Clipper имеет 512 Гб памяти.
На этом снимке показан отсек с дополнительной защитой от радиации во время сборки. Credit: NASA/JPL-Caltech.
Аппарат Europa Clipper покрыт экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ), которой покрываются почти все современные космические аппараты и которая необходима для регуляции их температуры. Это многослойная оболочка из тонкой плёнки с металлическим напылением. Также зонд имеет радиатор, систему трубок с теплоносителем трихлорфторметаном (фреон-11) и насосы. Последняя система может либо перераспределять тепло по аппарату, либо отводить в космос. Также она регулирует температуру в топливных баках.
Двигательная установка имеет в составе 24 двигателя разной мощности, использует топливо на основе монометилгидразина и тетроксида азота. На Europa Clipper также имеются запасы гелия, что накачивается в баки с компонентами топлива по мере их траты во время работы двигателей, что позволяет поддерживать нужное давление в них. Для навигации и поддержания ориентации в пространстве Europa Clipper имеет солнечные и звёздные датчики, а также гиростабилизацию.
Связь с Землёй будет обеспечиваться с помощью неподвижной трёхметровой параболической антенны с высоким коэффициентом усиления, а также нескольких всенаправленных антенн с низким коэффициентом усиления. Передача телеметрии и команд будет проходить в X-диапазоне частот (7—10,7 ГГц), научные данные будут передаваться в Ka-диапазоне (26,5 — 40 ГГц). На Земле связь будет поддерживать Deep Space Network — сеть дальней космической связи NASA.
Параболическая антенна диаметром 3 метра перед установкой, покрытая ЭВТИ. Credit: NASA/JPL-Caltech.
Научные инструменты
На борту Europa Clipper установлено 9 научных приборов:
Europa Imaging System (EIS) — система из двух камер, широкоугольной и узкоугольной, последняя сможет поворачиваться на 60°. Они работают в видимом, а также в части инфракрасного и ультрафиолетового диапазонах спектра, для получения цветных изображений будет использоваться система фильтров. EIS сможет запечатлеть до 90% поверхности Европы в разрешении 100 м на пиксель.
Europa Thermal Emission Imaging System (E-THEMIS) — инфракрасная камера, сможет определять температуру различных регионов Европы.
Два спектрометра, что смогут определять состав поверхности, экзосферы (крайне разреженной атмосферы) и выбросов гейзеров Европы: ультрафиолетовый Europa Ultraviolet Spectrograph (Europa-UVS) и инфракрасный Mapping Imaging Spectrometer for Europa (MISE). Последний сможет создать детальную карту распределения различных соединений на Европе.
MAss Spectrometer for Planetary EXploration/Europa (MASPEX) сможет определять массу, заряд и состав ионов, атомов или молекул в экзосфере Европы и у Юпитера.
SUrface Dust Analyzer (SUDA) будет анализировать химический состав частичек пыли у Европы. Они выбрасываются гейзерами или выбиваются метеоритами.
Europa Clipper Magnetometer (ECM) — магнитометр длиной 8,5 м. Изучение магнитного поля позволит подтвердить существование подповерхностного океана, его глубину, плотность, а также толщину ледяной коры Европы.
Plasma Instrument for Magnetic Sounding (PIMS). Упомянутые ранее радиационные пояса содержат высокоэнергичные заряженные частицы, т. е. разреженную плазму, которая может влиять на показания магнитометра ECM. Поэтому прибор PIMS будет не только изучать плазму у Юпитера и Европы, но и поможет нивелировать искажения ECM.
Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface (REASON) — проникающий радар, который, как и ECM, сможет исследовать структуру Европы, определить свойства ледяной коры и океана.
Ещё Europa Clipper сможет изучить гравитационное поле Европы благодаря эксперименту Gravity/Radio Science. Для этого будет анализироваться доплеровское смещение сигналов от аппарата на Землю и наоборот.
Расположение научных инструментов на Europa Clipper. Credit: NASA/JPL-Caltech.
Памятная табличка
На многих космических аппаратах, направленных в дальний космос, устанавливались своеобразные послания внеземному разуму. Те же пластинки «Пионеров» или «Вояжеров». Ирония в том, что зонд Europa Clipper летит к инопланетному миру, где может существовать внеземная жизнь, хоть и примитивная, но его табличка не является каким-либо посланием — она памятная.
Это танталовая пластинка размером 18 на 28 см и толщиной 1 мм, прикреплённая к указанному ранее отсеку с дополнительной защитой от радиации. На её одной стороне выгравированы сигналограммы произношения слова «вода» на 103 языках. Волны как бы исходят от символа американского жестового языка, обозначающего воду. На второй стороне выгравировано:
Уравнение Дрейка, что позволяет примерно определить число инопланетных цивилизаций в галактике.
Портрет и подпись планетолога Рона Грили, что стоял у истоков создания Europa Clipper, но так и не дожил до запуска.
Стихотворение «Во славу тайны: поэма для Европы» Ады Лимон на английском языке.
Упрощённое отображение радиоволн «водной дыры» — полосы электромагнитного спектра, связанной с водяным паром. Предполагается, что эти частоты могут использоваться пришельцами для передачи посланий.
Изображение бутылки, отображающей Юпитер, и орбиты его галилеевых лун – отсылка к кампании NASA «Послание в бутылке», которая уже традиционно позволяет совершенно бесплатно отправить любому человеку на Земле своё имя на специальном носителе, что будет установлен на космическом аппарате. Также NASA и Ада Лимон предлагают считать всех людей, кто отправил своё имя, соавторами выгравированного стихотворения. Цель подобных акций — популяризация науки и исследований космоса. 2,6 млн имён с помощью фотолитографии были выгравированы на небольшом чипе, что установлен внутри изображения бутылки. В нём нет транзисторов или иных электронных компонентов, поэтому он не боится радиации.
Памятная пластинка Europa Clipper, чип с именами ещё не установлен. Credit: NASA/JPL-Caltech.
