Wyobraźcie sobie lodowe piekło, gdzie średnia temperatura jest niższa niż minus 200 stopni Celsjusza. Atmosferę wypełniają ciekłe i zmrożone gazy, a jej ciśnienie jest nawet tysiąc razy większe niż ziemskie. Takie warunki panują na Uranie – odległej planecie, którą bardzo słabo znamy.

– Uran jest ogromną zagadką. Od ponad 30 lat żadna sonda nie zbliżyła się do lodowych gigantów, a bez bliższego i to wieloletniego kontaktu z nimi nie zrozumiemy, jak wykształciły się te planety ani z czego są zbudowane – tłumaczy dr Mark Hofstadter, planetolog z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, pracujący także w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA (JPL).

Dr Hofstadter współtworzył kilka kluczowych misji NASA, w tym ekspedycję Rosetta, której kulminacją było lądowanie na komecie. Teraz planuje zbadanie Urana i Neptuna. Od strony inżynierskiej projektem zajmuje się Artur Chmielewski, polski inżynier, menedżer misji kosmicznych z JPL. – Zależy mi, by w tym niezwykłym przedsięwzięciu wzięli udział polscy naukowcy – mówi.

Pochodzenie olbrzymów: zagadka sprzed miliardów lat

Najbardziej tajemnicze jest pochodzenie Urana i Neptuna. 4,6 mld lat temu, gdy powstawał Układ Słoneczny, w mgławicy gazów i pyłów uformowała się protogwiazda – nasze przyszłe Słońce. Z reszty materii powstał dysk protoplanetarny, w którym w wyniku zderzeń i kondensacji tworzyły się zaczątki przyszłych planet. Cztery z nich są skaliste – Merkury, Wenus, Ziemia i Mars – cztery zaś gazowe: Jowisz, Saturn, Uran i Neptun.

Z istniejących dziś teorii i modeli naukowych wynika, że wszystkie gazowe planety powinny wyglądać podobnie. Jednak Uran i Neptun wyłamują się – są zdecydowanie mniejsze niż Jowisz i Saturn. Dlaczego?

– Możliwe, że nie zdążyły zassać wystarczająco dużo gazu z dysku protoplanetarnego, który został rozwiany przez wiatr słoneczny młodego Słońca 3,5 mld lat temu. Może był to jakiś zbieg okoliczności. Pewnie gdy rozwój systemów planetarnych odbywa się bez przeszkód, to takie planety jak Uran urastają do odpowiednio wielkich rozmiarów. Kłopot w tym, że takich planet jak Uran i Neptun odkryliśmy wiele w pozasłonecznych układach planetarnych. A w takiej sytuacji wyjaśnienie mówiące o zbiegu okoliczności po prostu nie daje się obronić – wyjaśnia dr Hofstadter.

Stąd dalekosiężny pomysł, by wysłać sondę do zbadania Urana. Koncepcje tej misji są opracowywane od kilku lat. Jest ona jedną z najważniejszych propozycji tworzonego właśnie planu dziesięcioletniego NASA, tzw. Decadal Survey, na lata 2023–2033. Przez naukowców misja stawiana jest na równi z takimi przedsięwzięciami jak Galileo czy Cassini-Huygens – krokami milowymi w eksploracji kosmosu.

Bo jeśli się powiedzie, może wyjaśni nam, dlaczego we Wszechświecie jest tak wiele planet, które w teorii nie powinny istnieć.

Sonda sama zdecyduje, jak zbadać Urana i Neptuna

– Zaprojektowaliśmy kilka wersji tej misji. Wśród nich jest jedna wykorzystująca najnowsze przełomowe technologie, jakich jeszcze nie stosowano w misjach do odległych części Układu Słonecznego – mówi Artur Chmielewski.

Takim pomysłem jest statek kosmiczny, który będzie działał autonomicznie, a nie – jak wszystkie wcześniejsze sondy – był sterowany z Ziemi. Poruszając się z niewielką jak na kosmiczne warunki prędkością, używając czujników i kamer mógłby samodzielnie wybierać najdogodniejsze trasy przelotu oraz miejsca, które warto zbadać dłużej.

Jest to ważne z dwóch powodów. Sygnał z Urana na Ziemię dociera dopiero po pięciu godzinach, a poza tym, jak podkreśla dr Hofstadter, naprawdę bardzo niewiele wiemy o księżycach tego lodowego olbrzyma, przez co trudno byłoby odpowiednio zaprojektować trajektorię przelotu sondy, robiąc to z Ziemi. Znacznie sensowniej będzie, gdy orbiter zostanie wyposażony w oprogramowanie umożliwiające samodzielne wykonanie obliczeń i zaprojektowanie trasy przelotu.

Sonda miałaby badać lodowego giganta oraz jego księżyce przez minimum dwa lata, choć marzeniem naukowców jest, by zbierała dane aż przez siedem lat. Orbiter miałby też wypuścić w atmosferę Urana podwójną sondę, która będzie zbierała oraz przesyłała dane tak długo, aż nie ulegnie zniszczeniu przez zwiększające się ciśnienie atmosferyczne. Zanim to nastąpi, z sondy głównej ma zostać wypuszczona kolejna – tzw.  Deep Probe, czyli sonda głęboka.

– Zanurzy się ona w możliwie najgłębsze warstwy atmosfery i będzie wyposażona w tylko jeden instrument badawczy, tzw. spektrometr optyczny – wyjaśnia Artur Chmielewski. Instrument został zaprojektowany przez pracowników Politechniki Wrocławskiej pracujących w grupie prof. Jana Dziubana.

Polski element – analizator gazów z Politechniki Wrocławskiej

Według dotychczasowego stanu wiedzy Uran ma atmosferę, która w wyższych partiach złożona jest z mieszaniny wodoru, helu i metanu w postaci gazowej, a w niższych, gdzie ciśnienie jest duże lub bardzo duże, bo nawet tysiąc razy większe niż na Ziemi, zawiera częściowo upłynnione substancje takie jak metan, amoniak i woda. Mogą tam znajdować się również cyjanki i inne węglowodory.

– Podstawowym zadaniem sondy będzie mierzenie ciśnienia i temperatury atmosfery oraz analizowanie jej różnorodnego składu. Sonda taka musi być mała i lekka, może być wyposażona tylko w niewielkie baterie, a w trakcie lotu będzie narażona na duże wibracje i wstrząsy – wyjaśnia prof. Dziuban.

Aby sprostać takim wymogom, Deep Probe będzie prawdopodobnie wykorzystywać miniaturowy analizator gazów, który powstał na Politechnice Wrocławskiej w Katedrze Mikrosystemów. Zasada pracy analizatora wykorzystuje świecenie zjonizowanych gazów, podobnie jak w popularnej świetlówce. Ponieważ poszczególne gazy świecą w sposób doskonale znany nauce, to mierząc cechy tego światła można bardzo dokładnie określić rodzaj i ilość danego składnika.
 
Tego typu instrumenty, zwane spektrometrami jonizacyjnymi, są powszechne. – Jednak żaden z nich nie może być zastosowany w misji na Urana ze względu na panujące tam ekstremalne warunki. Istotną nowością naszego rozwiązania jest to, że wszystkie elementy analizatora zostały wykonane w technologii mikrosystemów MEMS, co umożliwia znaczną miniaturyzację, niezwykle małe zapotrzebowanie na energię i dużą wstrząsoodporność, a także wysoką czułość – tłumaczy prof. Dziuban.  

Czas zawalczyć o polską misję kosmiczną!

Instrument zbudowany na Politechnice Wrocławskiej zawiera nanopompę, która zasysa gazy i poddaje je jonizacji, mikrospektrometr analizujący świecenie próbek oraz „inteligentny” układ elektroniczny zbierający i przetwarzający dane. – Według mojej najlepszej wiedzy to rozwiązanie jest jedynym obecnie istniejącym na świecie instrumentem zdolnym do analizy składu atmosfer planetarnych. Może być wykorzystane również w mniej spektakularnych, ale równie potrzebnych aplikacjach naziemnych, m.in. do wykrywania zanieczyszczeń powietrza – dodaje prof. Dziuban.

– Sonda głęboka ma być tytanową kulą wielkości piłki do siatkówki – przynajmniej na początku, bo pod koniec misji ogromne ciśnienie zgniecie ją do rozmiarów kuli bilardowej. Zanim to nastąpi, będzie przesyłać dane do orbitera dzięki kilometrowej antenie średnicy ludzkiego włosa.

W sondzie zmieści się w tylko jeden instrument, miniaturowy spektrometr i sądzę, że będzie to konstrukcja zespołu prof. Dziubana – mówi Artur Chmielewski. Jego zdaniem przyszedł czas na udział polskich naukowców i inżynierów w sztandarowej misji kosmicznej – nie jako twórców podzespołów czy prostych, mechanicznych urządzeń, ale jako postaci kluczowych zespołów dostarczających najnowocześniejsze rozwiązania dla najbardziej wymagających projektów.

– Regularnie gościmy w NASA naukowców związanych z polskim Centrum Badań Kosmicznych i z Instytutem Lotnictwa. Niedługo dzięki wymianie trafią do nas studenci z Politechniki Warszawskiej i Poznańskiej. To krok w stronę zacieśnienia współpracy, którą powinien przypieczętować udział Polski we flagowej misji kosmicznej. Udział istotny, pokazujący wysoką klasę polskich naukowców i to, że jako państwo chcemy brać udział w wyścigu w kosmos. Właśnie teraz jest czas, aby o to zawalczyć – podsumowuje Artur Chmielewski.

Jego zdaniem Polak lub Polka może uzyskać tytuł głównego naukowca misji na Urana, a to by znaczyło, że Deep Probe będzie można nazwać polską sondą kosmiczną.