Robotok a Naprendszerben * Spányi Péter

Otthonunk a Naprendszer

Miért kutatjuk? Alapkérdések: Milyen volt a Naprendszer amikor kialakult? Hogyan fejlődött? Mennyire egyedi? Lehetnek-e máshol is Naprendszerek? Van-e, volt-e élet a Földön kívül? Hogyan alakult ki a földi élet? Megvannak-e az élet feltételei máshol is?

Mit látni a Földről?

Mit „látni” a Földről?

Naprendszer kutatás 50 év, >200 misszió

Történelem 50-es, 60-as évek „klasszikus” űrverseny: SzU – USA évente 6-12 indítás a Holdhoz ill. bolygókhoz (1969: 19) első nagy felfedezések 70-es évek „látványos” missziók (Viking, Venyera, Pioneer, Voyager) évente 2-8 indítás 80-as évek „holtszezon”, össz. 13 bolygó/üstökös szonda „Halley-láz” belép Európa és Japán 90-es évek vissza a Marsra és az óriásbolygókhoz évente 1-4 indítás jelen sokfelé... több szereplővel (Kína, India is beszáll)

Mérföldkövek

1957..1969 1957 október, november: Szputnyik 1, 2 – első műhold, első élőlény 1958 január, szeptember: Luna 1, 2 – első Hold megközelítés, becsapódás 1961 április: Vosztok 1 – első ember az űrben 1962 augusztus: Mariner 2 – első sikeres Vénusz megközelítés 1964 november: Mariner 4 – első sikeres Mars megközelítés 1965 november: Venyera 3 – első Vénusz becsapódás 1966 január: Luna 9 – első Holdra szállás 1966 március: Luna 10 – első Hold körüli szonda 1967 június: Venyera 4 – első Vénusz légkör szonda 1968 szeptember: Zond 5 – első Hold megkerülés és visszatérés 1968 december: Apollo 8 – első emberes Hold megkerülés 1969 július: Apollo 11 – első emberes holdraszállás (indítási időpontok)

1970..1989 1970 augusztus: Venyera 7 – első leszállás a Vénuszra 1970 szeptember: Luna 16 – első automata visszatérés és mintahozás a Holdról 1970 november: Luna 17 – első holdjáró (Lunokhod) 1971 május: Marsz 2, 3 – első Mars orbiter/becsapódás, leszállás 1972 március: Pioneer 10 – első Jupiter megközelítés 1973 április: Pioneer 11 – első Szaturnusz megközelítés 1973 november: Mariner 10 – első Merkúr megközelítés 1975 augusztus, szeptember – Viking 1, 2 1977 augusztus, szeptember: Voyager 1, 2 1984 december: Vega 1, 2 – első közeli üstökös randevú (Halley üst.) 1985 július: Giotto – első európai űrszonda (Halley üst.) 1989 május: Magellan – teljes Vénusz feltérképezés 1989 október: Galileo – első kisbolygó megközelítés, első Jupiter orbiter és légköri szonda, holdak közeli megfigyelése

1990..2007 1990 október: Ulysses – kilépés a Naprendszer fősíkjából 1995 december: SOHO – Nap obszervatórium 1996 február: NEAR – első kisbolygó körüli keringés és becsapódás 1996 november, december: MGS, Pathfinder – teljes Mars térképezés, első marsjáró 1997 október: Cassini/Huygens – Szaturnusz rendszer, első leszállás egy másik bolygó holdjára (Titan) 1999 február: Stardust – anyagminta hozatal egy üstökös kómájából (Wild2) 2003 június, július: Spirit, Opportunity 2004 március: Rosetta – keringés és leszállás üstökös magra 2004 augusztus: Messenger – Merkur orbiter 2005 január: Deep Impact – becsapódás egy üstökös magjába 2006 január: New Horizons – Pluto, Kuiper-öv 2007 szeptember: Dawn – Ceres, Vesta orbiter

Technikai kihívások

Az űrutazás szakaszai Bolygóközi űrutazások fajtái: elrepülés tartós pályára állás leereszkedés a légkörbe vagy a felszínre anyagminta visszahozás Egy űrutazás lehetséges szakaszai: A Föld elhagyása, 2. kozmikus sebesség=11,2 km/s Odataút (passzív/ballisztikus repülés, korrekciós manőverekkel,) Fékezés (rakéta, légköri) Leszállás (rakéta, ballon, lassú/gyors becsapódás) Visszajutás

Pályák Cél: Minimális energia (üzemanyag) felhasználása Szomszédos bolygókhoz: Hohmann ellipszis nem a leggyorsabb, de a legkisebb energiájú pálya a gyorsabb pályák általában „sokba kerülnek” Mariner 4

leglátványosabb alkalmazása: Voyager 1, 2 Pályák Távolabbi célokhoz: ha lehet, útközben kell energiát nyerni hintamanőver: sebesség növelés/csökkentés és irányváltoztatás először a Mariner 10-nél leglátványosabb alkalmazása: Voyager 1, 2

Cassini: Szaturnusz – Titán Pályák Két vagy több égitest felhasználásával szinte tetszőleges bonyolultságú pálya Cassini: Szaturnusz – Titán

Hordozóeszközök Rakéta típusok: Proton, Titan3/4, Delta4, Atlas5, Ariane5, LM3 A pályára állítás szakaszai indítás: (Föld körüli) parkolópálya (indítási ablak) 2. gyorsítás – bolygóközi (Nap körüli) pálya A többlépcsős rakéta csak kb. ½ órán át működik

Ionhajtómű Kémiai meghajtás kiegészítése: ion hajtómű folyamatos üzem (~1000 nap) nagyon kis tolóerő (20-100 mN = egy papírlap súlya) ionizált Xenon gázt lövell ki (~30 km/s) „villanymotor” – napelem táplálja önmagában nem elegendő eddigi űrszondák: Deep Space 1, Smart 1, Hayabusa, Dawn

Távolság Milyen problémákat jelent a távolság? Tipikusan nagyon hosszú repülési idők – akár 10 év is (hibernálás) Nincs állandó kapcsolat (a szonda fedésben lehet vagy kikapcsolva) Extrém gyenge rádiójel („mobiltelefon adását fogni 1,5 milliárd km-ről”) adóteljesítmény ~10 Watt gyenge jel – kis adatsebesség a világ legnagyobb rádiótávcsöveire lehet szükség, ezeket gyakran összekapcsolva alkalmazzák NASA: Deep Space Network, ESA: ESOC Autonóm működés – a véges fénysebesség miatt nem lehetséges valós idejű kommunikáció Mars: 3,5-22 perc Jupiter: 35-50 perc Szaturnusz: 75-90 perc

Energia Mire kell az energia? vezérlés, fedélzeti berendezések működtetése berendezések fűtése kommunikáció Honnan van energia? napelem (csak a belső Naprendszerben elég) 1-2 kW Energiaforrás a szondán (Naptól távolabb, de már a Marsnál is használtak) RTG: rádioizotópos termoelektromos generátor (Pu238, 87 éves felezési idő) radioaktív bomlás → hő → vill. áram 20-50 évig képes energiát szolgáltatni, egyre csökkenő mértékben 4-500 W veszélyes!

Környezet „Odakint” a Naprendszerben a környezet még szélsőségesebb mint a Föld körül Nap hősugárzása: Merkúr: 6,6 x ↔ Szaturnusz: 1% Hőmérséklet: Vénusz: +480 °C ↔ Titan: – 180 °C Légköri nyomás: Vénusz: 90 Bar Sugárzás (Nap ill. kozmikus eredetű) sugárzási övek óriásbolygók – erős mágneses tér

Tudományos műszerek

Műszer típusok távérzékelő kamera (látható, IR, UV) spektroszkóp képalkotó spektro-méter radar, SAR rádió fedés helyszíni („in situ”) magnetométer plazmafizikai mérések (töltött részecskék) por detektor

Műszer típusok (leszálló egységen) képfelvevő radar meteorológiai mérések (hőmérséklet, szél, napsugárzás, aeroszol) anyagi összetétel vizsgálat (pl. röntgen spektrométer, gázanalizátor) geológiai és mechanikai mérések (pl. fúró, mintavevő, penetrátor) élettani

Bolygószomszédainknál

Első célpont: a Vénusz Hozzánk legközelebbi bolygó (0,7 CsE) Földhöz hasonló méretű Átláthatatlan felhőzet borítja A legelső bolygóközi űrszondák tervezett célpontja (Venyera 1, Mariner 1) Mariner 2 (1962 dec.): 109 napos út után érte el, 35000 km-re a felhőzet teteje hideg infravörös mérés: a felszín nagyon forró (450 °C) mágneses teret nem talált Venyera 3 (1966 márc.): becsapódás – először egy másik bolygó felszínén, de még előtte meghibásodott Venyera 4 (1967 okt.): légköri mérések – a felszín még melegebb (~500 °C), a nyomás több mint várták, ezért lassabban ereszkedett, elemei lemerültek 25 km-en), >90% CO2 → üvegházhatás

Vénusz Mariner 5 Venyera 5, 6 Mariner 10 (Merkur felé) Pioneer Venus leszállás a felszínre: Venyera 7, 8, 11, 12, 13, 14 Venyera 15, 16 – radar térkép Vega 1, 2 (1985) – francia ballon kísérlet, 50 km magasan, 46 órán át működött

Ballonok bolygók körül A jövő lehetséges kutató eszközei („Aerobot”) Vénusz (Vega 1, 2) Mars (Marsz 92, 94, 96 – törölve) ?

Vénusz Magellan – 4,5 éven át keringett, részletes térkép Galileo, Cassini Venus Express (ESA) – 2006 április óta kering a Vénusz körül

Még közelebb a Naphoz: a Merkúr Mariner 10 (1973 nov. 1975 márc.) Vénusz – Merkúr szonda elsőként hinta manőver Giuseppe Colombo elsőként „napszél hajtás” 2:1 keringés idő a Merkúrral 3x találkozás a Merkúrral (5700, 700, 48000 km) a felszín 45%-át tudta lefotózni Holdhoz nagyon hasonló nagyon vékony He légkör gyenge mágneses tér, vas mag hőmérséklet: - 183 / + 183 °C Messenger Beppi Colombo

Merkúr / Mariner 10 Bach régió

Merkúr / Mariner 10 Caloris medence legnagyobb ismert becsapódási medence a Naprendszerben (1300 km)

Újra a Merkúrhoz MESSENGER NASA, 2004 aug. óta úton 2008-9 – három találkozás a Merkúrral, majd pályára állás térképezés, geológia, mágneses tér BepiColombo ESA, Japán, Oroszország indítás: 2013, Szojuz-Fregat érkezés: 2019 részei Szállító Modul (ion hajtóműve is lesz) Merkur Orbiter Magnetoszféra Orbiter magyar részvétel (Serena kísérlet)

Irány a vörös bolygó: Mars nagyon sok szovjet és néhány amerikai kudarc után az első sikeres elrepülés: Mariner 4 első közelképek kráterek – Holdhoz hasonló?

Mars – a Viking program Viking 1, 2 (1975/76) keringő egység (-1980/1978) leszálló egység (-1982/1980) a Mars teljes feltérképezése (150-300m, néhol 8m) változatos felszínformák: vulkán, hegyek, dűnék, „folyómedrek”, rianások... mérések és panorámaképek a felszínről az élet nyomait (szerves anyagok, mikororganizmusok anyagcseréje) kereste a talajmintában

Mars – a Viking szondák Carl Sagan

Visszatérés a Marsra 1988-89 – Phobos 1, 2 + Mars Observer (1992) + 90-es évek elején NASA elhatározás: Minden két évben a Marsra! közel húsz év szünet után (1997): Pathfinder, Mars Global Surveyor

Holdjárók Lonohod (1970) Apollo holdjáró (Pavlics Ferenc) miért kell a felszínen mozogni? technikai nehézségek különbség a Hold és a Mars között

Marsjárók orosz-francia próbálkozások (IARES)

Marsjárók az első akinek sikerült: Sojourner 83 marsi napig működött Bejczy Antal

Marsjárók Spirit és Opportunity 2004 – céljuk: a víz nyomainak keresése

Marsjárók Mars Science Laboratory, NASA (2011)

Marsjárók ExoMars, ESA (2013?)

XXI. századi Mars missziók Mars Odyssey (2001) Mars Express (2003) Mars Exploration Rovers (2003) Mars Reconnaissance Orbiter (2005) Phoenix Mars Lander (2007) Mars Science Laboratory (2011) Fobosz-Grunt ExoMars ??? MRO/HIRISE fotó Victoria kráter Opportunity

A Naprendszer határai felé

A két úttörő: Pioneer 10, 11

A két úttörő: Pioneer 10, 11 Valóban úttörő missziók voltak Pioneer 10 először haladt át a kisbolygó övön először közelítette meg a Jupitert, 130000 km-re (1973 dec.) közelkép a Jupiterről és holdjairól, sugárzási övek felfedezése utolsó kapcsolat: 2003 jelenlegi távolsága > 90 CSE Pioneer 11 Jupiter segítségével Szaturnusz felé első közelképek a Szaturnuszról, 20000 km-ről (1979 szept.) áthaladás a gyűrű síkján 2 új hold, 1 új gyűrű, gyűrűk „alulról” mágneses tér felfedezése utolsó kapcsolat: 1995

Az emberiség üzenete I.

A Nagy Utazás: Voyager 1, 2 Egyszeri lehetőség 175 évenként: az összes óriásbolygó „egy vonalban”! Voyager 2, 1 (start: 1977 aug., szept.) Jupiter (1979) Nagy Vörös Folt – óriási vihar Galilei holdak – vulkánok az Io-n gyűrű felfedezése Szaturnusz (1980, 1981) 64000 km, 41000 km légköri képződmények, viharok Titan közelről újabb holdak több ezer gyűrűkomponens gyűrű alkotórészei: láthatatlan portól háznyi méretűig, küllők hold – gyűrű gravitációs kölcsönhatás Voyager 2 Uránusz (1986) Neptunusz (1989) még 2020-ig működhetnek Voyager 1 jelenlegi távolsága: 103 CSE, a legtávolabbi ember alkotta tárgy

A Nagy Utazás: Voyager 1, 2 Nagy Vörös Folt

A Nagy Utazás: Voyager 1, 2 A Szaturnusz sárgás ammónia felhői (cirruszok)

A Nagy Utazás: Voyager 1, 2 Triton – Neptunusz

Az emberiség üzenete II.

Hova jutottak? legközelebbi csillagok elérése: 10-100ezer év

Galileo start: 1989, űrrepülővel először haladt el kisbolygók mellett először keringett egy óriásbolygó körül (1995-2003) ammónia felhők szondát küldött a Jupiter légkörébe „túl sokáig” működött 2003-ban őt magát is a légkörbe irányították holdak: Io vulkáni aktivitása 100x a Földinek sós óceánok az Europa, Ganymedes, Callisto fagyott jégfelszíne alatt

Galileo A Jupiter gyűrűje

Galileo Galilei holdak a Jupiter felől: Io, Europa, Ganymedes, Callisto

Galileo Europa gigantikus repedések, rianások a fagyott felszínen sós tenger a mélyben?

Galileo

Cassini Start: 1997 okt. 15. 1. Vénusz közelítés, 287 km Föld megközelítés, 1171 km Jupiter melletti elrepülés Phoebe elrepülés: 2004 jún. lefékezés a Szaturnusz mellett: 2004 júl. 1. áthaladás az E-gyűrűn Titán leszállás: 2005 jan 14. keringés a Szaturnusz-Titán páros körül: 45 Titán megközelítés, 76 keringés a Szaturnusz körül: 2004-8, 52 kis hold megközelítés Meghosszabbított misszió?: 2008 július-

Szaturnusz légkör, felhők, hurrikánok

Gyűrűk gyűrűk: D, C, B, A, F, G, E valójában több ezer komponens alkotja E gyűrű átm. ~700 000 km vastagsága ~10 m ! anyaga: mikronnyi portól háznyi méretű vízjég-darabokig, belül kő? elrendeződését a belső holdak befolyásolják csavarodások az F gyűrűben: „pásztor”holdak terelik az anyagot küllők a B gyűrűben: finom porszerű anyag eloszlása hozza létre, elektromosan töltött?

Szaturnusz x

Szaturnusz

Szaturnusz ellenfényben (hátulról)

Holdak

Holdak Enceladus és Dione

Holdak Mimas és Phoebe

Titán Titán: az egyetlen jelentős légkörrel rendelkező hold a Naprendszerben

Leszállás a Titánra – Huygens

Huygens

Leszállás a Titánra

Az emberiség üzenete III.

A bolygókon túl – Kuiper objektumok Pluto Express / New Horizons cél az egyetlen eddig még meg nem látogatott , korábban bolygónak tartott Plutó meglátogatása. Valójában Kuiper objektum gyorsaság: kis tömeg (465 kg), nagy rakéta (Atlas 5)

New Horizons Mennyi idő kellett eljutni az óriásbolygókhoz? Pioneer 11 Jupiterig 1 év 8 hónap Szaturnuszig 6 év 5 hónap Voyager 2 Jupiterig 1 év 10 hónap Szaturnuszig 4 év Uránuszig 8 év 5 hónap Neptunuszig 12 év Galileo Jupiterig 6 év 2 hónap Cassini Jupiterig 3 év 2 hónap, Szaturnuszig 6 év 9 hónap. New Horizons Jupiterig: 1 év 1 hónap Plutóig: 9-10 év (Jupiter nélkül 14 év kellene) további Kuiper objektumok?

New Horizons Plutó A találkozás 247 év, 29,6-49,3 CSE, 17º mérete: 2300km (Charon: 1200km) nagyon ritka légkör; párolog; naptávolban kifagy a felszínre sűrűség: ~2, jeges égitest 2005-ben 2 újabb hold A találkozás 2015-ben mérések megkezdése 5 hónappal korábban nincs mód lefékezni, csak elrepülni, 14 km/s sebességgel Pluto – Charon páros között kell elrepülni (Pluto: 11000km, Charon: 27000km) közelképek: 50m .. 1km felbontás, hasonlóság némely Szaturnusz és Neptunusz holdakhoz? (Triton)

Ami a „bolygók között” van

Üstökösök Miért fontosak? Miért érdemes odamenni? a Naprendszer ősanyagát tartalmazzák, közel eredeti formában („protoszoláris köd”) napsugárzás, erózió, ütközések hatása csekély Miért érdemes odamenni? a mag részletei távolról nem figyelhetők meg ami „kívülről” látható, az már valamilyen kölcsönhatás (fizikai, kémiai folyamat) eredménye (szublimáció, napszél) az eredeti anyag csak a felszínen tanulmányoz-ható (elszublimáló anyag: por, gáz, szerk.) felszínformák, kiáramlás területi megoszlása Milyen üstökös a megfelelő célpont? ne legyen túl aktív ne legyen túl nagy tömegű sose menjen túl messze a Naptól - folyamatos megfigyelhetőség, megközelítés kis pályahajlás forogjon (ne legyenek hosszú éjszakák)

Meglátogatott üstökösök Giacobini-Zinner ISEE3/ICE (1985) Halley ICE (1986) Vega 1, 2 Giotto Szuiszei, Szakigake Grigg-Skjellerup Giotto (1992) Borelly Deep Space 1 (2001) Wild 2 Stardust (1999-2006) Tempel Deep Impact (2004-2005) Csurjimov-Geraszimenko Rosetta (2004-2014)

Üstököst közelről: „Halley láz” 1986 március: egyszerre 6 űrszonda tanulmányozta, 3 közelről: Vega 1, 2 – 8000, 9000 km, Giotto: 600 km

Vega 1, 2 Magyar műszerek a Vega szondákon kamera elektronika és vezérlő számítógép: üstökös önálló megkeresése és beállítása repülés közben 1500 kép TÜNDE töltött részecske detektor: üstökösből érkező ionok detektálása

Hozzunk vissza üstököst: Stardust 3 keringés a Nap körül bolygó/csillagközi anyag: 2002 Wild 2 üstökös kómájában 2004 jan. anyaggyűjtő tálca, aerogél tovább a Tempel 1-hez

Stardust – Wild 2 anyagminta ledobás: Utah, 2006 jan. 15. visszatérési seb. 13km/s – 4,5 m/s 1-100 mikron, össztömeg < 1 gramm többszázezer felvétel a mintáról kiértékelés a SETI@home-hoz hasonlóan

Aktív („barbár”) módszer: Deep Impact Egyik része becsapódott a Tempel 1 üstökösbe (2005 júl.) tudományos cél: először vizsgálni, mi van egy üstökösmag felszíne alatt kéreg szerkezete (primitív porózus v. tömör) módszer: mesterséges kráterképzés, ennek közeli és földi megfigyelése a felszínt nagyobb részt por, kisebb részt (~6%) jég borítja szerves anyagok a belsejében belsejének anyaga eltér a külsejétől

Lehet simábban is? Rosetta Célpont: Csurjimov-Geraszimenko üstökös Keringő egység feladata: egy üstökös hosszú idejű tanulmányozása, körülötte keringve mérete 3 x 2 x 2 m tápellátás kizárólag napelemmel (32 m)- a Naptól 5 CSE-re! induló tömeg 3 t, ebből üzemanyag 1.7 t 3 pontra stabilizált minden tudományos műszer egy oldalon elhelyezve Leszálló egység feladata: „lágy” leszállást követően az üstökösmag felszínének és belső szerkezetének tanulmányozása különlegesen könnyű és kicsi ~100 kg tervezési nehézségek (üstökös tömege, forgása, visszapattanás, kis napállandó , kapcsolattartás, hideg, kis tömeg, stb.)

Rosetta rendkívül hosszú út: 2004 .. 2014 útvonal: Föld – Mars – Föld – kisbolygóöv (Steins, Lutetia) – üstökös

Rosetta Magyar vonatkozású műszerek (RMKI, AEKI, BME) Keringő egység plazmafizikai kísérletek földi ellenőrző berendezés Leszálló egység por érzékelő kísérlet (DIM) plazmafizikai kísérlet (ROMAP) tápellátás központi fedélzeti számítógép

Rosetta a leszálló egység a szigony és a lábazat

Kisbolygók Jelenleg > 378000 regisztrált kisbolygó ~200000-nek ismert a pályája ~14000-nek van neve Becsült számuk 1 km felett: 1 millió Össztömegük a Holdénak 3-4%-a Főöv (99%) Trójaiak (Görögök) Földsúrolók Miért nem lett belőlük bolygó?

Meglátogatott kisbolygók 951 Gaspra (Galileo) 243 Ida és Dactyl (Galileo) –holdas kisbolygó 253 Mathilde (NEAR-Shoemaker) 433 Eros (NEAR-Shoemaker) –leszállás! 9969 Braille (Deep Space 1) 5535 Annefrank (Stardust) 25143 Itokava (Hayabusa) –majdnem leszállás?, visszatér? 2867 Steins és 21 Lutetia (Rosetta, 2008-2010)

Dawn – Ceres és Vesta Indulás: 2007 szept. Mars hinta, 2009 márc. Vesta érkezés, 2011 okt. Vesta elhagyás, 2012 ápr. Ceres érkezés, 2015 feb. Misszió vége, 2015 júl. vagy esetleg további célpontok? ionhajtómű (3 db): ez teszi lehetővé a kisbolygók melletti lefékezést majd későbbi elhagyásukat 425 kg Xenon sokkal kisebb rakéta is elég

Ceres a legnagyobb kisbolygó volt, ma már törpebolygó (Piazzi, 1801) még közel gömbszerű, 975 x 909 km tömege ~32%-a az összes kisbolygóénak, 1.3 % Hold tömeg sűrűség: 2 g/cm3 forgás: 9 óra 5’ Alapvetően jeges jellegű – „nedves”

Vesta Olbers (1807) Alapvetően sziklás jellegű – „száraz” 578 x 560 x 458 km tömege ~9%-a az összes kisbolygóénak, 0,36% Hold tömeg sűrűsége 3,5 g/cm3 forgás: 5 óra 20’ hatalmas kráter a déli póluson Alapvetően sziklás jellegű – „száraz”

Dawn Tudományos célok: két hasonló pályán keringő, de teljesen eltérő jellegű („száraz”, „nedves”) égitest tanulmányozása – egyben két nagy „kisbolygó” a belső szerkezet és a sűrűségeloszlás vizsgálata felszíni megfigyelések alak, tömeg, felszíni összetétel a víz szerepének vizsgálata a kisbolygók fejlődésében

Kudarcok

Kudarcok kezdeti kudarcok többnyire a rakéta vagy az irányítás hibájából adódtak többségük a Marshoz kötődik szovjet összeomlás Phobos 1, 2 Marsz 96 NASA hibák Mars Observer Mars Climate Orbiter Mars Polar Lander egy kis európai kudarc Beagle

Kudarcok Marsz 96

Vissza a Holdra

Vissza a Holdra

VÉGE