Pluton - misja sondy badawczej New Horizons

Wyprawy

Misja do Plutona

Układ Pluton (średnica 2400km) - Charon (średnica 1200km). Średnia odległość między nimi wynosi 19600 kilometrów

Pluton jest najbardziej zagadkową planetą, gdyż do tej pory nie odwiedziła go żadna ziemska sonda. Jesteśmy zdani jedynie na obserwacje teleskopowe, w których planeta widnieje ledwie jako mała jasna plamka. Tylko na zdjęciach największych teleskopów zdołano dostrzec na powierzchni Plutona jakieś jasne i ciemne plamy niewiadomego pochodzenia. Powierzchnia planety jest w 98 proc. pokryta zamrożonym azotem. Jej monotonny skład uzupełniają metan i śladowe ilości tlenku węgla. Być może, jak przypuszczają astronomowie, ciemniejsze plamy są nalotem jakiegoś związku organicznego, który albo istniał na tej planecie od początku, albo powstał w reakcjach pod wpływem promieni słonecznych.
Od 1978 roku znamy stosunkowo duży księżyc Plutona nazwany Charon, który ma około 1200 km średnicy (ponad połowa średnicy samego Pluton i jego satelity

Plutona). Zdjęcia z maja 2005 roku ujawniły dodatkowe dwa obiekty w okolicy Plutona, a dalsze obserwacje pozwoliły potwierdzić, że to rzeczywiście satelity. Ciała uzyskały tymczasowe oznaczenia S/2005 P1 i S/2005 P2, a później oficjalne nazwy: Nix i Hydra. Nowo odkryte księżyce są znacznie mniejsze od Charona i ich średnice wynoszą odpowiednio 50 km i 60 km. Okrążają one Plutona w tej samej płaszczyźnie co Charon ale od dwóch do trzech razy dalej niż Charon. Analiza własności orbit trzech księżyców Plutona pokazuje, że powstały one najprawdopodobniej w wyniku jednej kosmicznej kolizji.
Aby dokładniej poznać układ Pluton - Charon i pas Kuipera zbudowano sondę New Horizons. Wystartowała ona w styczniu 2006 roku, a dotrze do Plutona latem 2015 roku. Najpierw skieruje się się ku Jowiszowi. Pole grawitacyjne tej olbrzymiej planety działając na zasadzie procy, przyspieszy go w kierunku Plutona. Masa sondy wynosi zaledwie 416kg.
artystyczna wizja sondy New Horizons na tle Plutona

artystyczna wizja sondy New Horizons na tle Plutona

New Horizons ma zasilanie jądrowe i posiada zestaw siedmiu instrumentów badawczych. Wchodzą w to kamery, spektroskopy i mierniki cząstek. Instrumenty te sfotografują obraz planety i księżyców (tworząc także obraz trójwymiarowy), zbadają ich skład chemiczny, zmierzą skład i ilość cząsteczek uciekających z atmosfery Plutona a także poszukają nowych księżyców i ewentualnych pierścieni. Zestaw badawczy zawiera trzy urządzenia optyczne, dwa plazmowe, czujnik pyłu i radiowy odbiornik/radiometr:
Alice - spektrometr ultrafioletowy, który zbada skład atmosfery i strukturę Plutona.
Ralph - widzialno-podczerwona kamera, która wykona barwne mapy Plutona Charona w wysokiej rozdzielczości, oraz mapy składu powierzchni tych ciał.
LORRI - (czyli Long Range Reconnaissance Imager), optyczny teleskop dużej rozdzielczości, sfotografuje powierzchnię Plutona z dokładnością około 45 metrów, rozpocznie pracę 200 dni przed okresem najbliższego zbliżenia do planety.
SWAP - (czyli Solar Wind Around Pluto), zmierzy naładowane sonda New Horizons

cząstki wiatru słonecznego w pobliżu Plutona, aby określić, czy posiada on magnetosferę.
PEPSSI - (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation), instrument do wykrywania cząsteczek atmosfery Plutona.
SDC - (Studen Dust Counter), policzy i zmierzy masy drobin pyłu na całej trajektorii statku, w ten sposób zbadana zostanie przestrzeń międzyplanetarna Układu Słonecznego, czego dotąd nigdy nie robiono.
REX - (Radio Science EXperiment), urządzenie zintegrowane z systemem radiotelekomunikacyjnym statku, zbada atmosferę Plutona, właściwości termiczne powierzchni, oraz zmierzy masy Plutona, Charona i ewentualnych obiektów Pasa Kuipera w rozszerzeniu misji.
Przez większość długotrwałego lotu od Jowisza do Plutona elektroniczne przyrządy sondy New Horizons będą pozostawać w stanie uśpienia. Zmniejszy to ryzyko awarii sprzętu i zdecydowanie obniży koszty operacji. Większość danych zostanie pobranych podczas najbliższego przejścia przy Plutona i Charonie, co potrwa około 36 godzin. W czasie swojej podróży sonda, przelatując obok Jowisza i jego księżyców, zbada je, a po osiągnięciu Plutona i Charona będzie kontynuować lot, umożliwiając obserwacje z bliska ciał należących do pasa Kuipera. Dziś komputery pokładowe New Horizons nie do końca wiedzą jeszcze, co mają zbadać. O tym dopiero podczas podróży będą decydować kierujący misją naukowcy. Bardzo możliwe, że przyszłe obiekty badań nie zostały jeszcze w ogóle odkryte. Całkowity koszt misji wynosi około 700 mln dolarów.
sonda New Horizons

Pluton oddala się teraz coraz bardziej od Słońca ponieważ jego orbita jest silnie spłaszczoną elipsą. Podczas jednego obiegu wokół Słońca, który trwa ponad 248 lat, planeta zbliża się do niego na odległość 4,5 mld km, po czym oddala na 7,5 mld km. Właśnie niedawno, w 1989 roku, minął czas największego zbliżenia. Od tej pory planeta oddala się od Słońca. Jednak ostatnie obserwacje wskazują, że temperatura Plutona wzrosła o dwa stopnie w ciągu ostatnich 14 lat. Według badaczy część zamrożonych na kamień gazów stajała i wyparowała do atmosfery, dzięki czemu jej ciśnienie wzrosło aż trzykrotnie (choć nadal jest sto tysięcy razy mniejsze niż na powierzchni Ziemi).
Przyczyna tego ocieplenia jest nieznana. Niektóre obserwacje wskazują na to, że powierzchnia planety pociemniała w ostatnich latach. Może dlatego odbija teraz mniejszą ilość promieni słonecznych i pochłania więcej ciepła. Inna hipoteza mówi, że czapa polarna na północnym biegunie Plutona ma trochę inny skład niż na południu planety. Teraz, kiedy na północnej półkuli zaczyna się wiosna, łatwiej paruje, zagęszczając atmosferę.
Skład i stan cienkiej atmosfery Plutona najlepiej badać wtedy, kiedy planeta przechodzi na tle odległej gwiazdy. Przenikając przez gazową otoczkę planety, światło gwiazdy jest częściowo pochłaniane, co zdradza zarówno ilość, jak i rodzaj gazów. Ostatnio takie okazje zdarzyły się w 1988 r. i ponownie w lipcu i sierpniu 2003 roku. To właśnie pozwoliło na porównanie klimatu Plutona.
Dokładne wyniki może dopiero dostarczyć planowana misja.

Pobranie próbki planetoidy

Japońską sondę Hayabusa (Sokół) wystrzelono w maju 2003 roku. We wrześniu 2005 roku dotarła do planetoidy 25143 Itokawa. Celem misji Hayabusa było zebranie danych oraz próbek skał i dostarczenie ich z powrotem na Ziemię. Naukowcy liczyli, że misja odpowie na wiele pytań o narodziny Układu Słonecznego.
Podczas misji testowanych było wiele prototypowych technologii, takich jak i inteligentny system nawigacyjny. Składał się on z zestawu czujników optycznych wchodzących w skład autonomicznego systemu nawigacji. Pozwolił on sondzie wyśledzić ścigany obiekt i precyzyjnie wyhamować tuż obok niego.
Hayabusa, zamiast okrążać Itokawę, przez dwa miesiące leciała równolegle do niej z tą samą prędkością i w odległości około 20 km. Kosmiczny głaz, nieustannie wirujący wokół własnej osi został sfotografowany z każdej strony. Zostało wybrane miejsce lądowania.

Zdjęcie planetoidy Itokawa wykonane przez Hayabusa

12 listopada nastąpiło pierwsze udane podejście sondy do planetoidy. Wtedy oddzielił się automatyczny robot Minerva, który miał osiąść na powierzchni planetoidy i przesyłać stamtąd dane, ale pojazd ten niestety zaginął w przestrzeni kosmicznej. Naukowcy prawdopodobnie pomylili się przy obliczaniu momentu uwolnienia próbnika. Minerva to specjalny lądownik o masie pół kilograma, zaopatrzony był w dwie kamery i zaprojektowany do odbywania wędrówek po planetoidzie poprzez przewracanie się z boku na bok.
Głównym celem misji było pobranie próbek z planetoidy. W tym celu wyposażono Hayabusę w specjalny kolektor o kształcie rury nieco rozszerzonej na końcu. Przed zetknięciem z powierzchnią z sondy wystrzelony zostanie specjalny pocisk wybijający malutki krater. Wyrzucona przy tym materia miała trafić w większości do kolektora, a stamtąd do kapsuły, która w czerwcu lub lipcu 2007 roku miała wylądować na spadochronie w południowej Australii.

Rysunek przedstawiający pobieranie próbek przez sondę Hayabusa (Sokół Wędrowny) z asteroidy Itokawa

W czasie misji niestety nie obeszło się bez problemów. W lipcu sonda utraciła jeden z trzech stabilizatorów, a w październiku drugi i przedsięwzięcie zawisło na włosku. Ciągłe korekty pozycji za pomocą silników chemicznych kosztowały wiele energii, zachodziła więc obawa, że cennego paliwa nie wystarczy do przeprowadzenia wszystkich najważniejszych manewrów łącznie z powrotem na Ziemię. Naukowcom udało się jednak przeprogramować komputer pokładowy tak, by pojazd używał do stabilizowania swojej pozycji możliwie krótkich impulsów.
W czasie pierwszego zbliżenia 19 listopada nie udało się pobrać gruntu planetoidy. Spodziewając się, że pierwsze lądowanie może się nie powieść, projektanci misji przewidzieli dwie takie operacje. Po drugim lądowaniu na Itokawie w jednym z silników pojawił się przeciek, sonda zaś automatycznie przełączyła się na tryb awaryjny. Później zawiodły pozostałe silniki. Wskutek tego nie byli oni w stanie ustawić sondy tak, aby jej panele słoneczne były zwrócone w kierunku Słońca. Baterie nie naładowały się więc wystarczająco i wiele instrumentów sondy przestało prawidłowo działać. Naukowcy wymyślili kolejne rozwiązanie. Użyli jako paliwa ksenonu z silników jonowych sondy. Analiza danych niestety wskazuje, że podczas drugiego manewru lądowania sondy na asteroidzie, 26 listopada, nie udało się jej pobrać próbek z powierzchni obiektu, wtedy też pojawiły się problemy z silnikami sterującymi. Sonda jest teraz w tak złym stanie, że próbę uruchomienia silnika jonowego sondy przesunięto na początek 2007 roku, a datę jej lądowania na 10 czerwca 2010 roku.
Planetoida Itokawa należy do tak zwanej Grupy Apolla, czyli grona planetoid poruszających się blisko Ziemi, czasem przecinających jej orbitę. Obserwacje radarowe oszacowały rozmiar Itokawy na 548 metrów długości i od 312 metrów do 276 metrów szerokości. Przyciąganie grawitacyjne na planetoidzie jest 100 tysięcy razy słabsze niż na Ziemi. Jeden dzień na Itokawie trwa 12,5 godzin, a czas obiegu wokół Słońca 556 dni. Swoją nazwę zawdzięcza Hideo Itokawie, japońskiemu projektantowi rakiet i pionierowi programu kosmicznego.
Opracowano na podstawie i
Szczegóły misji znajdują się pod adresem:

Badanie największych planetoid

27 września 2007 roku wystrzelono sondę kosmiczną amerykańskiej agencji kosmicznej NASA nazwaną Dawn, która ma odwiedzić pas planetoid między Marsem a Jowiszem. Zbliży się do dwóch z czterech największych znajdujących się tam obiektów. W 2011 roku zbada planetoidę Westa (średnica wynosi około 500 km), a cztery lata później zbliży się do Ceres (średnica prawie wynosi 1000 km), uznanej za tak zwaną . Ewolucja tych ciał potoczyła się różnymi drogami. Ceres charakteryzuje się dużą zawartością wody i prawdopodobnie stosunkowo pierwotną budową. W przeciwieństwie do niej Westa wydaje się być pozbawiona wody i mieć przekształconą strukturę. Dawn byłaby pierwszą sondą w historii, która przez kilka miesięcy orbitowałaby wokół asteroid i przeprowadziła dokładne pomiary i badania. Sonda Dawn może pomóc zrozumieć proces formowania Układu Słonecznego.
Napęd główny Dawn stanowią trzy , wytwarzające ciąg, którego wartość można zmieniać w zakresie od 19 do 91 mN. Każdy z silników ma masę 8,9 kg. Materiał pędny dla silników jonowych stanowi 425 kg ksenonu. Całkowita masa sondy przy starcie wynosiła 1218 kg, w tym masa konstrukcji bez paliwa 747 kg.
Sonda jest wyposażona w następujące instrumenty naukowe: dwie identyczne kamery (podczas misji planowane jest używanie tylko jednej kamery, druga pozostaje w rezerwie na wypadek awarii pierwszej), spektrometr rejestrujący w świetle widzialnym i podczerwieni w zakresie długości fal od 0,25 do 5 mikrometrów i spektrometr promieniowania gamma i neutronów.