– Jest to misja odważna i bez wątpienia prestiżowa. Wzięcie w niej udziału to dowód na umiejętność nieszablonowego myślenia i tworzenia rozwiązań pionierskich, przełomowych, które legną u podstawy nowej ery kosmicznej – mówi dr Piotr Orleański, kierownik Laboratorium Satelitarnych Aplikacji Układów FPGA z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk.

Ta instytucja wykonuje i koordynuje większą część prac prowadzonych nad PROBA-3 w Polsce. Chodzi o skonstruowanie najdłuższego do tej pory koronografu, czyli przyrządu do badania słonecznej atmosfery.

Co to takiego? Od dziecka uczymy się, że patrzenie bezpośrednio na Słońce to zły pomysł. Silne promieniowanie gwiazdy „oślepia” także aparaturę badawczą. Jeśli jednak tarcza słoneczna zostanie zasłonięta – tak jak podczas zaćmienia, gdy ukrywa się za Księżycem – naukowcy mogą bezpiecznie obserwować koronę, czyli najbardziej zewnętrzną część atmosfery Słońca. Koronograf to urządzenie, które pozwala na wywołanie sztucznego zaćmienia.

Tajemnicze promieniowanie korony słonecznej

Naukowców najbardziej interesuje tzw. wewnętrzna korona słoneczna. Jej przebadanie pomoże zrozumieć zjawiska zachodzące w środku gwiazdy i wpływające także na Ziemię.

– Nadal niewiele wiemy o cyklach aktywności słonecznej i zachodzących wewnątrz Słońca procesach fizycznych, które je generują. Nie rozumiemy, skąd bierze się ich regularna okresowość, różnice w poszczególnych cyklach ani jaki wpływ mogą mieć maksima i minima tej aktywności na procesy życiowe i zmiany klimatu. Rozwiązanie tej zagadki pomogłoby nie tylko lepiej zrozumieć dynamikę wspomnianych procesów na Ziemi, ale również odnieść te dane do pozasłonecznych układów planetarnych – wyjaśnia prof. dr hab. Arkadiusz Berlicki związany z Instytutem Astronomicznym Uniwersytetu Wrocławskiego.

Musimy też dokładniej poznać naturę i genezę rozbłysków słonecznych oraz koronalnych wyrzutów masy. Podczas tych drugich do słonecznej atmosfery trafiają ogromne ilości cząstek elementarnych, które przemieszczają się szybko w kierunku Ziemi.

Gdy do niej dotrą, wywołują burze magnetyczne mogące uszkodzić lub zniszczyć wiele wytworów naszej cywilizacji: komputery, sieci energetyczne czy satelity. Jeśli nie znajdziemy sposobu na zabezpieczenie się przed takimi zjawiskami, nasza oparta na wysokiej technologii cywilizacja w wyniku jednej wielkiej burzy magnetycznej może cofnąć się o wiele dziesięcioleci.

Naukowcom udało się przekonać polityków, że to ważna kwestia, dlatego w ostatnim czasie ruszyły aż dwie duże misje kosmiczne. Dwa lata temu wystrzelono sondę Parker Solar Probe, która zbliży się do Słońca na odległość zaledwie 6,2 mln km, czyli faktycznie wejdzie w koronę słoneczną.

Będzie badała powstawanie wiatru słonecznego, mierzyła pole magnetyczne i być może wyjaśni, dlaczego temperatura w koronie słonecznej jest wielokrotnie wyższa niż ta panująca na powierzchni gwiazdy. Z kolei Solar Orbiter Europejskiej Agencji Kosmicznej dotrze na odległość 42 mln km od Słońca, skąd będzie robił bardzo dokładne zdjęcia jego powierzchni.

Polacy skonstruowali „okulary” dla sondy, czyli zestaw filtrów

PROBA-3 ma być trzecią misją badającą Słońce. W odróżnieniu od swych poprzedniczek nie będzie jednak zbliżać się do gwiazdy, lecz skupi się na jej obserwacjach z dużego dystansu. – Celem astronomicznej części eksperymentu jest wywołanie sztucznego zaćmienia pozwalającego obserwować  koronę słoneczną. A my budujemy okulary, które to umożliwią – mówi Tomasz Barciński, kierownik laboratorium Mechatroniki i Robotyki CBK PAN.

Te okulary fachowo nazywają się FWA, od angielskiego Filter Wheel Assembly. To koło złożone z sześciu filtrów, które zatrzymują promieniowanie o różnych długościach fali. Dzięki temu uczeni będą mogli precyzyjnie analizować to, co dzieje się w koronie słonecznej.

Koło filtrów jest niewielkie, ma ok. 25 cm średnicy. Jest też urządzeniem stosowanym od dawna. W czym w takim razie kryje się trudność?

– By filtry pozwalały na precyzyjne odczyty, muszą być czyste, bez najmniejszych uszkodzeń. Ale główna trudność leży w skonstruowaniu FWA w taki sposób, by w trakcie transportu nie uległo zniszczeniu. Satelity będą musiały zostać wyniesione w kosmos rakietą. Filtry same w sobie są bardzo kruche i mało odporne na wstrząsy. Dlatego wymyśliliśmy mechanizm: specjalną podkładkę, która utrzymuje filtry na kole, jednak zapobiega zniszczeniu ich przy wstrząsach – wyjaśnia Tomasz Barciński.

Komputerowe serce sondy też powstaje w Polsce

W Polsce powstają też kluczowe elementy PROBE-3. – Główną częścią naszego zadania jest zaprojektowanie i skonstruowanie komputera koronografu, czyli tak zwanego Coronograph Control Box, umieszczonego na głównym satelicie – wyjaśnia dr Orleański. – Jest to serce koronografu, urządzenie kontrolujące i koordynujące działanie poszczególnych instrumentów, w tym wykonywanie zdjęć korony słonecznej. Dzięki użyciu szybkiego komputera możliwa jest również obróbka wykonanych zdjęć przed przesłaniem ich na Ziemię.

Ekipa z CBK PAN odpowiada za cały Coronograph Control Box: od założeń przez kompletną inżynierię systemową, projekt części bloków elektroniki, integrację i testy kolejnych modeli aż po wersję ostateczną, która zostanie umieszczona na satelicie. Polska placówka współpracuje w tej kwestii z belgijskim Centre Spatial de Liège będącym głównym wykonawcą koronografu. Część prac nad Coronograph Control Box zlecono też polskim podwykonawcom.

– W misji PROBA-3 jesteśmy odpowiedzialni za projekt części bloków elektroniki komputera oraz montaż wszystkich bloków elektroniki lotnej komputera. Mamy również wykonać naziemne urządzenia testujące, wspomagające testy komputera przed jego dostarczeniem do Belgii. Wszystkie prace związane z produkcją wykonywane są w specjalnie przystosowanych pomieszczeniach, tzw. clean roomach, w których ściśle kontrolowane są zapylenie, temperatura czy wilgotność. Nad procesem produkcji pieczę trzymają również eksperci ESA – mówi dr hab. Grzegorz Brona z Creotech Instruments.

– Natomiast N7Space, warszawska firma specjalizująca się w tworzeniu oprogramowania satelitarnego, odpowiada za kompletne oprogramowanie Coronograph Control Box – dodaje dr Piotr Orleański.

Polska firma odpowiada za oprogramowanie do nawigacji sondy

Kwestia oprogramowania jest też kluczowa dla systemów nawigacyjnych PROBA-3. W ramach misji zostaną wystrzelone dwa niezależne satelity. Aby obserwacje się udały, będą one musiały ustawić się niesłychanie precyzyjnie. Poruszając się po orbicie ziemskiej z prędkością ponad 28 tys. km/godz. satelity będą od siebie oddalone o 144 metry i muszą utrzymywać ten dystans z dokładnością do jednego centymetra! ESA określa ten wyczyn mianem PFF – Precise Formation Flying, czyli precyzyjny lot w formacji.

Także i tu Polacy odgrywają kluczową rolę. – Naszym zadaniem jest stworzenie oprogramowania do nawigacji względnej umożliwiającego dokładne wyznaczenie pozycji satelitów względem siebie i ustawienie w odpowiedniej formacji – mówi Paweł Wojtkiewicz, dyrektor ds. sektora kosmicznego polskiej filii GMV.

Firma jest zaangażowana w projekt od ogłoszenia przez Europejską Agencję Kosmiczną fazy B przedsięwzięcia, czyli od 2012 roku. Główną część systemu nawigacji tworzy zespół GMV pracujący w Hiszpanii, jednak to przygotowywane w Polsce oprogramowanie ma pozwolić na uzyskanie niebywałej precyzji ustawienia satelitów względem siebie.

Jak ją osiągnąć? Inżynier Paweł Brzoski, który zajmuje się projektem z ramienia GMV, przyznaje, że metoda jest wyjątkowo skomplikowana.

– Każdy z satelitów wyposażony jest w antenę i odbiornik śledzący sygnały satelitów nawigacyjnych, dodatkowo jeden z nich, główny, przetwarza dane z obu odbiorników i wykonuje nawigację względną. Pomiary wykonywane przez satelity obarczone są błędem. Nasze oprogramowanie ma wyłapywać i eliminować te błędy. Dzięki temu satelity będą ustawiały się w szyku w sposób półautonomiczny – wyjaśnia ekspert. Oznacza to, że będzie możliwa korekta ustawienia formacji ze stacji naziemnej, jednak jest to wyjście awaryjne, bo docelowo sytuację ma kontrolować algorytm.

– Opanowanie lotu w precyzyjnej formacji pozwoli na serwisowanie satelitów bezpośrednio na orbicie a także budowanie wielkich konstrukcji w miejscu docelowym w przestrzeni kosmicznej, a nie wynoszenie ich z Ziemi. Może też dać nam instrumenty badawcze, które zajrzą w dalekie krańce galaktyki. Bo jeśli dopracujemy system lotu precyzyjnego, będziemy w stanie budować, bazując na technologii instrumentów rozproszonych, detektory obserwujące odległe gwiazdy i ich systemy planetarne z niebywałą do tej pory precyzją – dodaje dr Orleański.

Jaka dziś pogoda w kosmosie?

Misja wchodzi właśnie w decydującą fazę. Tworzone są modele lotne poszczególnych instrumentów, systemy są integrowane. Satelity miały zostać wystrzelone w 2021 roku, jednak ze względu na opóźnienia wynikające z pandemii start został przesunięty. Europejska Agencja Kosmiczna twierdzi, że najdłuższy koronograf świata znajdzie się na orbicie w połowie 2022 roku.

– Zapowiada się bardzo ciekawy czas dla specjalistów badających pogodę kosmiczną. Bo razem z trzema sondami – Solar Parker Probe, Solar Orbiter i PROBA-3 – mają pracować instrumenty naziemne, badając różnymi metodami ten sam wybrany obszar Słońca. Pozwoli to na wyjątkowo kompleksowe analizy. Taka sytuacja nigdy nie miała jeszcze miejsca. Z niecierpliwością czekamy na napływ nowych danych, szczególnie tych z PROBA-3 i z Solar Orbitera, bo w związku z tym, że jesteśmy w konsorcjach tworzących obie sondy, będziemy mieli również pierwszeństwo w analizie napływających informacji – podsumowuje prof. Berlicki. A to oznacza, że polscy uczeni już niedługo mogą dokonać przełomowych odkryć dotyczących Słońca.

Model urządzenia został już przetestowany

Prace nad misją PROBA-3 postępują. – Wykonany w CBK PAN blok, tzw. lotny model Coronograph Control Box (CCB PMF) w maju tego roku został finalnie zmontowany, sprawdzony elektrycznie oraz funkcjonalnie, po czym formalnie przetestowany w komorze termiczno-próżniowej w CBK PAN i wysłany do CSL w Belgii w celu integracji i testów z instrumentem – mówi dr Orleański. CSL, czyli Centre Spatial de Liège to to centrum badawcze Uniwersytetu w Liège w Belgii. Ośrodek specjalizuje się w testowaniu optyki, technologii kosmicznych i testowaniu środowiska kosmicznego.

– Czekaja nas jeszcze testy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) oraz jeden pełny cykl termiczno-próżniowy całości koronografu w Belgii. Po tak zwanym teście „bake-out”, czyli wygrzewaniu bloku CCB PFM, co będzie wykonywane prawdopodobnie w sierpniu w ESTEC, CCB wróci do Warszawy na testy mechaniczne, by z końcem sierpnia trafić ostatecznie do CSL – dodaje dr Orleański. ESTEC, czyli Europejskie Centrum Badań i Technologii Kosmicznych jest głównym centrum rozwoju i testowania Europejskiej Agencji Kosmicznej dla statków kosmicznych i technologii kosmicznej.

Również „okulary”, czyli Filter Wheel Assembly zostały już przekazane – jako lotny model – do CSL oraz bezproblemowo zintegrowane z całym instrumentem.