Okazuje się, że rozwiązanie tego problemu może kryć się w naturalnych mechanizmach naszego Układu Słonecznego. Zamiast polegać wyłącznie na coraz potężniejszych silnikach, możemy wykorzystać to, co natura oferuje nam od miliardów lat.
Problem trzech ciał to rzeczywiste wyzwanie astrodynamiczne, które od lat spędza sen z powiek inżynierom. Paradoksalnie, ta sama trudność może stać się niezwykle cennym kluczem do projektowania orbit wcześniej uważanych za nieosiągalne bez gigantycznych nakładów paliwa.
Czytaj także: Wyhamowała, aby przyspieszyć. Sonda JUICE przeleciała właśnie w pobliżu Ziemi
Nawet pozornie niewielka redukcja masy startowej przekłada się na oszczędności liczone w setkach tysięcy dolarów, a w skali całej misji – nawet milionach. Dlatego każda, nawet drobna optymalizacja trajektorii lotu może zrewolucjonizować planowanie przyszłych misji.
Asysty grawitacyjne od dziesięcioleci stanowią standardowe narzędzie w misjach międzyplanetarnych. Dotychczas wykorzystywano je głównie do przyspieszania sond kosmicznych – efekt procy grawitacyjnej pozwalał osiągać prędkości nieosiągalne przy wykorzystaniu wyłącznie napędu chemicznego.
Nowatorskie podejście polega na wykorzystaniu tej samej techniki do hamowania. Zamiast dodawać prędkości, grawitacja może służyć do kontrolowanego wyhamowania pojazdu, co pozwala na wejście na orbitę docelową przy znacząco mniejszym zużyciu paliwa.
Przykładem takiego podejścia jest misja BepiColombo – wspólny projekt Europejskiej i Japońskiej Agencji Kosmicznej. Sonda wykonuje serię przelotów obok Ziemi, Wenus i samego Merkurego, stopniowo redukując swoją energię aż do momentu, w którym będzie poruszała się na tyle wolno, aby wejść na docelową orbitę wokół planety, co planowane jest na koniec 2026 roku.
Najważniejszym wkładem chińskich naukowców jest koncepcja wykorzystania księżyców planetarnych jako dodatkowych partnerów do asysty grawitacyjnej. To podejście radykalnie zwiększa liczbę dostępnych opcji dla planistów misji.
Kluczową rolę odgrywają tutaj obszary przestrzeni, gdzie przyciąganie grawitacyjne dwóch ciał niebieskich jest niemal zrównoważone. Pozwalają one statkowi kosmicznemu przejść z trajektorii, która normalnie wyprowadziłaby go z systemu, na orbitę wokół jednego z ciał systemu.
Do analizy tych skomplikowanych trajektorii badacze wykorzystują zaawansowane techniki matematyczne, takie jak mapowanie Poincaré. Metoda ta umożliwia śledzenie pozycji i prędkości obiektu przy każdym przekraczaniu określonej płaszczyzny matematycznej, co przy odpowiedniej liczbie punktów danych ujawnia ścieżkę do stabilnej trajektorii.
Liczba dostępnych granic tego typu znacząco wzrasta, gdy uwzględni się oddziaływanie grawitacyjne planety i jej księżyców. System Jowisza stanowi szczególnie atrakcyjny cel dla tego typu manewrów, zwłaszcza że gazowy olbrzym posiada aż 97 księżyców, co tworzy niemal nieograniczone możliwości projektowania trajektorii.
Badacze przeprowadzili szczegółową symulację wykorzystującą Kallisto – jeden z czterech dużych księżyców galileuszowych Jowisza. Wyniki wykazały znaczący spadek zapotrzebowania na paliwo konieczne do wejścia misji na stabilną orbitę w systemie jowiszowym. Kallisto, będąc najbardziej zewnętrznym z galileuszowych księżyców, oferuje idealne warunki do takich manewrów dzięki swojej stabilnej orbicie i znacznej masie.
Nowe podejście do asyst grawitacyjnych może fundamentalnie zmienić sposób planowania misji kosmicznych. W przeciwieństwie do przypadkowych zjawisk, takich jak potencjalne przechwytywanie obiektów międzygwiezdnych, ta metoda oferuje przewidywalność i kontrolowalność. Planiści misji mogą z wyprzedzeniem obliczyć optymalne trajektorie i precyzyjnie zaplanować manewry wykorzystujące księżyce planetarne.
Czytaj także: Sonda Europa Clipper. Radar REASON pomyślnie przetestowany w kosmosie
To może oznaczać demokratyzację dostępu do przestrzeni kosmicznej. Niższe koszty misji sprawią, że eksploracja odległych zakątków Układu Słonecznego stanie się dostępna dla większej liczby agencji kosmicznych i organizacji prywatnych. Każda zaoszczędzona suma przełoży się na dodatkowe instrumenty naukowe, dłuższy czas trwania misji lub po prostu możliwość realizacji projektów, które wcześniej były zbyt kosztowne.
Badania opublikowane w periodyku Acta Astronautica otwierają nowy rozdział w eksploracji kosmosu, gdzie inteligentne wykorzystanie naturalnych zjawisk grawitacyjnych może zastąpić kosztowne rozwiązania techniczne. To podejście idealnie wpisuje się w obecne trendy branży kosmicznej, gdzie efektywność kosztowa staje się równie ważna jak zaawansowanie technologiczne.