Robotok a Naprendszerben * Spányi Péter

1. Robotok a Naprendszerben*Spányi Péter

2. Otthonunk a Naprendszer

3. 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?

4. Mit látni a Földről?

5. Mit „látni” a Földről?

6. Naprendszer kutatás50 év, >200 misszió

7. 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)

8. Mérföldkövek

9. 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)

10. 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

11. 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

12. Technikai kihívások

13. 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

14. 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

15. 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

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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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!

21. 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

22. Tudományos műszerek

23. 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

24. 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

25. Bolygószomszédainknál

26. 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

27. 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

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

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

30. 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

31. Merkúr / Mariner 10 Bach régió

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

33. 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)

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

35. 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

36. Mars – a Viking szondák Carl Sagan

37. 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

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

39. Marsjárók orosz-francia próbálkozások (IARES)

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

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

42. Marsjárók Mars Science Laboratory, NASA (2011)

43. Marsjárók ExoMars, ESA (2013?)

44. 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

45. A Naprendszer határai felé

46. A két úttörő: Pioneer 10, 11

47. 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

48. Az emberiség üzenete I.

49. 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

50. A Nagy Utazás: Voyager 1, 2 Nagy Vörös Folt