Fantázia kép, az MPO (Mercury Planetary Orbiter)a Merkúrnál (forrás: ESA)
Október 20-án, hajnalban startolt a BepiColombo űrszonda, hogy elkezdje útját a Napunkhoz legközelebb keringő bolygóhoz, a Merkúrhoz. Az utazás hét évig fog tartani. Az Európai Űrügynökség (ESA) a Japán Űrögynökséggel (JAXA-val) együttműködésben indította útjára az űreszközt, amelyet a Francia Guyana-i ESA támaszpontról indítottak Kourou-ból, az ESA legnagyobb űrrepülőteréről. Az ESA magyar idő szerint hajnali 03:45-kor lőtte fel a BepiColombo űrszondat.
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 minimalizása 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 fektette le.
Giuseppe (Bepi) Colombo (1920-1984) matematikus és asztrofizikus fényképe (forrás ESA)
A manőverek a Bepicolombo esetében előbb a Föld, majd kétszer a Vénusz, végül hat alkalommal pedig - a Merkúr saját gravitációs terét használják ki. A Merkúr körüli pályára állás után a tervek szerint a küldetés egy évig fog tartani, amelyet reményeik szerint sikerül meghosszabbítani még egy évvel.
A Merkúr az egyik legnehezebben elérhető célpontnak számit a Naprendszerben
A Naphoz legközelebbi bolygót eddig csak két NASA űrszondának: a Mariner10-nek és a MESSENGER-nek sikerült megközelítenie. A bolygót azért nehéz megközelíteni, mert mire az ide küldött űrszonda eléri a bolygót, olyan sebességre tesz szert, amit már jelentősen le kell fékezni, erre szolgálnak az utolsó hintamanőverek. A hintamanőverek után az űrszonda az ionhajtóművei segítségével áll végül Merkúr körüli pályára.
Ilyen közel a Naphoz nem csupán a napsugárzás erős (a Merkúr Naphoz közeli oldalán a Földön mérhető besugárzási energiának több mint tízszeresét kitevő a terhelés 14 kW/m2 – Napközelben), de a szonda rendkívüli hőterhelésnek is van kitéve: a bolygó napsütötte oldalán a hőmérséklet a 430 Celsius-fokot (700 K) is eléri, míg az árnyékos oldalán -180 °C -ra (90 K) hűl le.
A MESSENGER küldetés többcsatornás, hamis szines felvételei a Merkúr bolygóról (Forrás: NASA)
Mit tudunk a Merkúrról?
A római mitológiában az istenek hírvivőjéről, Mercuriusról (a görögöknél Hermész), elnevezett bolygó több szempontból is különleges. Az objektum létezése ősidők óta ismert, hiszen, ha nehezen is, de szabad szemmel a Merkúr is látható a Földről.
A Nap erős árapályhatása miatt a bolygó 88 napos keringési ideje 3/2 arányú rezonanciában áll 59 napos tengelyforgási idejével. Még érdekesebb, és bolygórendszerünk keletkezésének megértése szempontjából is fontos, hogy akárcsak a Vénusznak, sem holdja, sem gyűrűje nincs.
A 2011 és 2015 között lezajlott MESSENGER expedíció során már sok titkát feltárta a bolygónak: például, hogy a felszínén észlelt, a Holdéhoz hasonló meteoritkráterek és esetleges vulkanikus síkságok mellett a sarkok közelében vízjég található, amely a feltételezett koránál fiatalabbnak tűnik. A bolygó pontos tömegét és ezzel belső szerkezetét pedig a Mariner-10 pályamérései alapján derítették fel: a mérések felfedték, hogy a 4800 km átmérőjű bolygó térfogatának 70%-át a fémes mag teszi ki, amely arányaiban a legnagyobb fémmag egy bolygó esetében a Naprendszerünkben. A vékony köpeny és kéreg nagy részét a bolygó feltehetően az elszenvedett ütközések során vesztette el.
A Merkúr bolygó belső szerkezete (forrás Wikipedia, Crust = kéreg, Mantle = köpeny, Core = mag)
A mag önmaga többségben vasból és nikkelből áll, a belső régiókban szilárd, a mag külső részében és a köpenyben folyékony állapotban. Így a mag a dinamó effektus révén mágneses teret hoz létre, amelynek nagysága a földiének csupán 1%-a, viszont elegendően erős ahhoz, hogy a napszélben akadályt képezve azt eltérítse, és kis méretű magnetoszférát hozzon létre. Az így létrejött, döntően dipólus jellegű mágneses tér erősen aszimmetrikus, az északi oldalon megközelítőleg háromszor erősebb, mint a délin.
A Merkúr magnetoszférája (Forrás: NASA, feliratok: North Cusp = északi kürtő, South Cusp = déli kürtő, planetary ions = bolygó eredetű ionok)
A bolygó képes gravitációsan megtartani az igen ritka atmoszféráját, amelynek annyira kicsi a sűrűsége (a felszíni nyomás 14 nagyságrenddel kisebb a Merkúr felszínén, mint a Földön), hogy a ritka ütközések miatt nem viselkedik gázként, emiatt inkább exoszférának nevezzük. Az exoszférát többségében a molekuláris oxigén mellett hidrogén, hélium illetve a felszínből a mikrometeorok és a napszél által kiszakított fém (elsősorban nátrium) atomok alkotják.
A napszél a mágneses tér miatt csak a sarki kürtőkben éri el a felszínt. Az erős fénynyomás hatására a Nappal ellentétes oldalon pedig igen hosszú, több mint 20 millió km-es, Na, Mg, K és Ca atomokból álló csóva alakul ki. A semleges atomok ionizációjával, pickup folyamattal, ill. a felszín bombázásával ionok is létrejönnek: elsősorban Na+ és vízcsoport ionok.
A Merkúr magnetoszférájában észlelhetők a földihez hasonló mágneses viharok, és mágneses erővonal összecsatolódási események is, amelyelk a földinél 10-szer gyorsabban mennek végbe. Az is gyakran előfordul, hogy a Napból érkező koronakitörések eltorzítják a magnetoszférát.
A kérdések, amikre választ keresünk:
A MESSENGER óta gyarapodott tudásunk révén további lényeges kérdések merültek fel, amelyeket csak újabb helyszíni mérések válaszolhatnak meg. Alapvető kérdés a Naprendszer kialakulása előtti szoláris felhő összetétele, és az, hogy milyen folyamat során alakult ki a bolygórendszerünk. A Naprendszerünk kialakulásának megértésében segíthet annak a tisztázása, hogy miért magasabb a Merkúr sűrűsége (a Földet leszámítva), mint a többi kőzetbolygóé? Milyen arányban szilárd, ill. folyékony a Merkúr magja? Tektonikusan aktív-e a bolygó? Mi a belső mágneses tér eredete? Miért nem észlelhető vas a bolygó exoszférájában? A sarki árnyékos kráterek valóban vizet tartalmaznak, vagy ként? Hogyan alakul ki a bolygó exoszférája? Pontosan hogyan hat kölcsön a napszél a bolygó mágneses terével? Lehetséges-e pontosítani a Merkúr perihélium vándorlásának értékét a relativitáselmélet tesztelése céljából?
Az űrszonda érzékelői
Ezen kérdések megválaszolására a mérnökök és a kutatók érzékelőkkel látták el a Merkúrhoz induló BepiColombo-t. Az ESA irányítása alatt valósul meg a Merkúr megközelítése az egymáshoz rögzített MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter), az MPO (Mercury Planetary Orbiter), az MTM (Mercury Transfer Module), valamint egy nap árnyékoló (Sun shield) rendszernek. A Merkúrhoz érve az egységek szétválnak és független irányítással állnak Merkúr körüli pályákra.
A Merkúr közelében szétváló egységek képe (Forrás: ESA)
A három tengelyre stabilizált MPO tizenegy műszere európai fejlesztésű:
- BELA (BepiColombo Laser Altimeter) magasságmérő
- ISA (Italian Spring Accelerometer) rugós gyorsulás mérő
- 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 röntgen spektrométer
- MORE (Mercury Orbiter Radio-science Experiment) rádió frekvenciás műszer
- PHEBUS (Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy) UV spectrométer
- 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 (Forrás: 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 gáz összetevőit méri.
- MIPA (Miniature Ion Precipitation Analyser): ionmonitor, amely a felszíni plazmafolyamatok láncolatát vizsgálja.
- PICAM (Planetary Ion CAMera): iontömeg-spektrométer, amely fényképezőgépként működik a töltött részecskék számára, hogy tanulmányozza a felszíni ionizációs folyamatok láncolatát. A PICAM műszer fejlesztését a gráci 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 Planetáris Ion Kamerát működtető alacsony feszültségű tápegységet, valamint a BepiColombo űrszonda szimuláló környezetét is az SGF Kft. bevonásával.
A PICAM műszer fényképe (Forrás: IWF)
A PICAM (Planetary Ion CAMera) tulajdonképpen ion tömegspektrométer, amely ionokat detektálva teljes-ég kameraként működik (az űrszonda által ki nem takart részen) töltött részecskék számára.
Az ionkamera kísérlet célja, hogy tanulmányozzuk 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, amelyen 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).
Működés 300 °C fokos hőmérsékleten
A fedélzeti elektronika fejlesztése 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.
Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont által fejlesztett tápegység minősítő példányának fényképe a lenti ábrán látható, amely tartalmazza a PICAM elektronikájához szükséges fix és az ionok energia szerinti szétválasztását szolgáló két tartományban is folyamatosan változtatható feszültségeket.
A kifejlesztett tápegység minősítő példányának fényképe (Forrás: MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont)
Fedélzeti kommunikációs szabvány
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 (physical layer) és az adat kapcsolati (data-link layer) rétegeket rögzíti. A NASA is ugyanezt az adatátviteli szabványt használja újabb űrszondáiban.
A földi ellenőrző berendezés
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 jelszintű szimulátor az alábbi ábrán látható. Az EGSE és a PICAM közti adatforgalom monitorozására a jelszintű szimulátor módosított változata is elkészült.
A PICAM bemérését szolgáló EGSE fényképe (Forrás: SGF Kft.)
A Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO)
A magnetoszférát vizsgáló Mercury Magnetospheric Orbiter a 3 tengelyre stabilizált MPO-val szemben 4 másodpercenként megfordul a tengelye körül, ami a plazmamérésekhez szükséges. Fedélzetén 5 műszercsoport foglal helyet: egy-egy por monitor, magnetométer, plazmadetektor, a nátrium D2 emissziós vonalában képet készitő 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).
Összeállították: Szalai Sándor - Kecskeméty Károly - Werovszky Veronika
