Sonda JUICE se vydává k Jupiteru: Co přinese první vlajková loď ESA?

VÝVOJ SONDY

Nejdříve se stručně zaměříme na celou historii objevování Jupiteru kosmickými sondami, abychom si mohli sondu JUICE zasadit do kontextu. První sondou, která se přiblížila k Jupiteru, byla již v roce 1973 americká sonda Pioneer 10. První alespoň zčásti evropskou sondou, která se k této planetě podívala, byla roku 1992 sluneční sonda Ulysses. Ta kolem něj prolétla však jen za účelem gravitačního manévru na své cestě ke Slunci. V roce 2000 tudy prolétla také americká sonda Cassini s evropským přistávacím modulem Huygens, jejichž cílem byl Saturn a jeho měsíc Titan. Ulysses a Huygens jsou také jediné evropské výtvory, které se kdy podívaly do vnější Sluneční soustavy. Usazení na orbitě Jupiteru však v celé historii dosáhly jen dvě americké sondy, roku 1995 Galileo a o 21 let později Juno, která funguje dodnes.

Není proto divu, že když byla v květnu roku 2012 v rámci projektu Cosmic Vision 2015–2025 vybrána k realizaci velká mise ESA k výzkumu Jupiteru a jeho měsíců, těšila se již od začátku velkého zájmu médií a veřejnosti. Projekt se vyvinul z neuskutečněné mise Europa-Jupiter System Mission (ESJM-Laplace), která se měla skládat ze americké sondy k výzkumu Europy, dvou japonských sond k výzkumu Jupiteru a trojánů a evropské sondy, která měla obíhat kolem Ganymedu. Z tohoto plánu se vedle sondy JUICE vyvinula i americká sonda Europa Clipper, která bude od roku 2030 z oběžné dráhy Jupiteru zkoumat právě měsíc Europa.

JUICE ale staví také především na zkušenostech nasbíraných předchozími menšími sondami ESA zkoumajícími vnitřní oblasti Sluneční soustavy, jako byly Mars Express, Venus Express, Rosetta nebo Bepi-Colombo. Jak již bylo zmíněno, jedná se o první velkou misi ESA. Byla vybrána jako součást rozsáhlého plánu Cosmic Vision, kde nese označení L1 (Large 1). Do malých sond tohoto programu patří CHEOPS a SMILE, do středních například Solar Orbiter nebo PLATO a mezi velké mise vedle JUICE spadá observatoř ATHENA a detektor gravitačních vln LISA. V době oznámení byl start sondy plánován na jaro roku 2022, během jejího desetiletého vývoje se tak zpozdil o pouhý rok, což je oproti řadě jiných kosmonautických projektů opravdu malé číslo.

Zakázka na stavbu sondy byla udělena firmě Airbus Defense and Space v roce 2015. Nedlouho poté se rozeběhly první testy související se stavbou sondy a deseti vědeckých přístrojů, které nese na své palubě. Nejdříve probíhaly pouze na neletových modelech. Mezi ně patřil hned ze začátku například termální vývojový a předletový model sondy. Jednou z výzev, které při vývoji inženýři čelili, jsou velké rozdíly teplot v řádu několika stovek stupňů Celsia, kterým sonda bude nejdříve na cestě meziplanetárním prostorem a poté u samotného Jupiteru, čelit. Následovaly strukturální a tepelné zkoušky ramene MAG, které nese magnetometr. Průběžně také probíhaly testy modelů jednotlivých přístrojů, které ověřovaly jejich funkčnost v extrémních podmínkách. Významným milníkem se stalo také dokončení inženýrského modelu sondy na podzim roku 2018.

Zlomový byl ve vývoji sondy ale především rok 2019. Na základě již provedených testů proběhlo v březnu tohoto roku zhodnocení mise nazývané CDR (Critical Design Review), které dalo zelenou jejímu plnému vývoji. V červnu téhož roku byla pro vynesení sondy do kosmu vybrána raketa Ariane. Tehdy ještě nebylo jisté, zdali k tomu poslouží Ariane 5 nebo plánovaná Ariane 64, zpoždění vývoje druhé jmenované však rozhodlo. V září pak začala stavba letového exempláře sondy. Konkrétně byla firmou Airbus agentuře doručena primární struktura sondy a došlo k integraci palivového systému. V březnu 2020 byl dokončen a zaslán k integraci první přístroj, ultrafialový spektrograf UVS. O měsíc později se sonda ze střediska firmy Arianegroup přesunula do družicového integračního střediska Airbusu, kde ji čekala instalace elektrických rozvodů a dalších prvků její primární struktury. V průběhu roku došlo na integraci jednotlivých přístrojů a nakonec i těch největších prvků, jako jsou fotovoltaické panely nebo anténa.

Když byla konstrukce dokončena, sonda se přesunula do testovacího střediska ESA v Nizozemsku, které je označováno zkratkou ESTEC. Zde podstoupila řadu rozsáhlých testů. Za všechny vyjmenujme třeba enviromentální zkoušky, které nepřetržitě probíhaly celý měsíc na přelomu června a července 2021 ve vakuové komoře LSS. Poté byla odeslána na další sérii testů a předstartovní kontroly do samotného střediska Airbusu ve francouzském Toulouse. Tam zůstala až do začátku letošního února. 8. února už pak na palubě nákladního letounu An-124 přistála ve Francouzské Guyaně na kosmodromu v Kourou.

Tímto jsme si alespoň trochu nastínili velmi dlouhou a komplexní cestu, kterou si prošla sonda JUICE při své cestě z rýsovacích prken na startovní rampu. Nyní už se sonda nachází pod aerodynamickým krytem rakety Ariane 5 ve verzi ECA na startovní rampě ELA-3 kosmodromu v Kourou. Start byl původně plánován na 13. dubna ve 14:15, z důvodu špatného počasí (riziko výskytu blesků) byl ale odložen na 14. dubna ve 14:14.

VZHLED SONDY

V této části článku se zprvu zaměříme na ty nejdůležitější statistiky týkající se sondy, poté na její kriticky důležité komponenty, načež přejdeme k popisu jednotlivých vědeckých přístrojů. Hmotnost plavidla v suchém stavu, tedy bez pohonných látek, činí 2405 kg. S palivem je to poté celých 5 963 kg. Ve složeném stavu, tedy během startu, má sonda rozměry 4,09 × 2,86 × 4,35 metru. V rozloženém stavu, tedy tak, jak bude již po celý zbytek své mise, tyto hodnoty činí 16,8 × 27,1 × 13,7 metru. Tato velká změna rozměrů je způsobena tím, že po startu se především rozloží fotovoltaické panely a ramena s radarem a magnetometrem.

Fotovoltaické panely jsou hlavním zdrojem energie sondy. Je jich celkem deset, pět po každém boku primární konstrukce plavidla. Jsou vždy uspořádány do tvaru kříže přičemž každý z nich má rozměry asi 2,5 × 3,5 metru. Souhrnná plocha panelů tak činí něco kolem 87,5 m². Získávat sluneční energii v prostředí u Jupiteru je přitom velmi náročné. Jupiter obíhá Slunce totiž více než pětkrát dále než Země. Intenzita slunečního záření se snižuje s druhou mocninou vzdálenosti a ve vzdálenosti největší planety dosahuje hodnot kolem pouhých tří procent intenzity záření u naší planety. ESA již nějaké zkušenosti se speciálními solárními panely nasbírala u sondy Rosetta, od té doby však tuto technologii dále rozvinula a panely JUICE jsou tak ještě účinnější. Zajistí jí asi 850 W elektrické energie. Na palubě se nachází také pět bateriových modulů, ve kterých se bude ukládat elektrická energie na dobu, kdy bude sonda prolétat stínem Jupiteru (To může trvat až 4,8 hodiny) a nebude tak moc získávat vůbec žádnou energii solárními panely.

Další důležitou komponentou sondy je její vysokozisková anténa. Má tvar disku o průměru 2,5 metru. Jedině díky ní bude možné zasílat získaná vědecká data zpět na zemi. Za jeden den by přitom mohla odeslat až 2 GB dat. Pro případ, že bude nasbíráno více dat, než sonda stihne odeslat, je na palubě také disk s pamětí 1,25 TB. Vedle toho se na sondě nachází také menší středně zisková anténa, která bude sloužit pro komunikaci s pozemními středisky v době průletů kolem Venuše, kdy bude velká anténa sloužit k ochraně vědeckých přístrojů před slunečním zářením. Své užití ale najde i v době určitých zvláštních manévrů u Jupiteru.

Hlavní motor sondy má tah 425 N. Bude používán při gravitačních manévrech a dalších významných změnách trajektorie. K udržení orientace sondy v prostoru ve všech třech osách a přesnému zaměření sondy poslouží sada gyroskopů a pomocný pohonný systém. Ten také zajistí přesné ustavení výšky sondy nad Jupiterem a Ganymedem a jejích orbitálních parametrů.

Sonda disponuje celkem deseti vědeckými přístroji. Všechny dohromady váží 280 kg. Prvním přístrojem sondy, který si představíme, je JANUS. Jedná se o optickou kameru vyvinutou v Itálii. Jejím cílem je studování morfologie povrchu měsíců, ale také mapování mraků v atmosféře samotného Jupiteru. Snímky povrchu Ganymedu by přitom mohly dosahovat rozlišení až 2,4 m, u atmosféry Jupiteru pak 10 km. Dalším přístrojem je MAJIS (Moons And Jupiter Imaging Spectrometer) od francouzské kosmické agentury CNES. Jak už název napovídá, jedná se o zobrazovací spektrometr pro mapování úkazů v troposféře Jupiteru, který má také analyzovat ledy a minerály na povrchu jeho měsíců. Bude pracovat ve viditelné a infračervené oblasti spektra.

Ultrafialový spektrograf UVS je příspěvkem americké NASA do projektu sondy JUICE. Bude zkoumat složení exosfér měsíců, polární záře na Jupiteru a v neposlední řadě i složení jeho horní atmosféry. Následující vědecké zařízení je SWI (Sub-millimeter Wawe Instrument). Jedná se o německý spektrometr v podobě antény o průměru 30 cm, který zkoumá mikrovlny. Je určen ke studiu rozložení teplot, složení a dynamiky troposféry a stratosféry Jupiteru a exosfér a povrchů jeho měsíců.

Ze stejné země pochází i přístroj GALA (GAnymede Laser Altimeter), laserový výškoměr k měření slapových deformací Ganymedu a morfologie a topografie povrchu ledových měsíců. Zařízení RIME (Radar for Icy Moons Exploration) je ledem pronikající radar určený ke studiu povrchu ledových měsíců. Pronikne přitom až do hloubky kolem 9 kilometrů. Disponuje 16 metrů dlouhou anténou. Vyvinula ho italská kosmická agentura ASI.

Magnetometr J-MAG ze Spojeného království se nachází na 10,6 metru dlouhém rameni sondy. Jeho velmi citlivé magnetické senzory by totiž mohly být ostatními přístroji a zařízeními sondy v těsné blízkosti rušeny, což by znehodnotilo všechna jeho měření. Bude zkoumat magnetosféru Jupiteru, její interakci s vnitřním magnetickým polem svého největšího měsíce Ganymedu a podpovrchové oceány ledových měsíců. PEP (Particle Enviroment Package) je souborem šesti senzorů určených ke zkoumání plazmatu v okolí Jupiteru. Bude měřit pozitivně i negativně nabité ionty, elektrony, exosférický neutrální plyn, zahřáté plazma a energetické neutrální atomy o širokém rozsahu energií. Byl vyroben ve Švédsku.

Další přístroj pochází sice především také ze Švédska, můžeme na něm avšak nalézt také velmi významný český podíl. Název přístroje je RPWI (Radio and Plasma Wave Investigation). Zaměří se na plazma a elektrické a magnetické pole v okolí obří planety. Je tvořen čtyřmi Langmuierovými sondami. Každá z nich je přitom přimontována na samostatném menším rameni sondy. Z Česka se na přístroji podílí Ústav atmosférické fyziky AV ČR pod záštitou Ondřeje Santolíka, který vyvinul digitální vlnový analyzátor, a také Astronomický ústav AV ČR, jež dodal zdroj napětí pro subsystémy přístroje. Desátý, poslední, přístroj sondy je 3GM (Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons). Italský přístroj je předurčen ke studiu gravitačního pole Ganymedu, rozsahu podpovrchových oceánů měsíců a struktury neutrálních atmosfér a ionosfér Jupiteru a jeho měsíců. Disponuje Ka transpondérem a ultrastabilním oscilátorem.

Tímto jsme si již představili všechny přístroje, které můžeme na palubě sondy JUICE nalézt. Za zmínku však ale ještě stojí experiment PRIDE (Planetary Radio Interferometer and Doppler Experiment). V rámci něj bude vysokozisková anténa sondy přenášet specifické signály, jež budou na Zemi zachytávány velkými interferometry. To astronomům umožní provádět precizní měření gravitačního pole Jupiteru a jeho oběžnic.

PRŮBĚH MISE

Cesta k Jupiteru zabere sondě JUICE celých 8 let a na jeho oběžné dráze se tak usadí až v roce 2031. Kvůli neúprosným zákonům nebeské mechaniky sondu před příletem k Jupiteru čeká mnoho gravitačních manévrů a dalších změn dráhy, ke kterým bude poté docházet i u samotného Jupiteru. Hypoteticky by sice bylo možné sonu vyslat přímo k Jupiteru, bylo by k tomu ale potřeba mnohem větší množství pohonných látek, což se nevyplatí, a proto si stejně jako většina ostatních sond prodlouží svou cestu a k Jupiteru dorazí díky gravitačním manévrům u jiných planet.  Vše je ale samozřejmě již přesně určeno a my se tak nyní podíváme na plán letu sondy.

Raketa Ariane 5 navede JUICE na eliptickou oběžnou dráhu kolem Slunce. Sonda na ní mateřskou hvězdu jednou obletí načež se vrátí k Zemi a Měsíci, u kterých provede svůj první gravitační manévr, neboli gravitační prak. V této době již bude srpen 2024. Bude se jednat o první gravitační manévr v dějinách, na kterém se budou podílet dvě velká tělesa. Tento manévr nasměruje sondu k Venuši. Už při gravitačním praku se rychlost sondy vůči Slunci výrazně zvýšila a nyní se navíc pohybuje směrem ke Slunci a v důsledku toho dále zrychluje. Právě tento princip je klíčem celé cesty. Sonda takto postupně nasbírá dostatek rychlosti na to, aby se dostala až k Jupiteru.

K Venuši doletí v 31. srpna 2025 a dojde zde k druhému gravitačnímu praku. Poté se vrátí zpátky k Zemi u které provede třetí gravitační manévr 29. září 2026. Od Země poletí směrem k Marsu, vzdálí se daleko za jeho orbitu, ale vzápětí se vrátí naposledy zpět k rodné planetě, kde provede 18. ledna 2029 nejspíše poslední gravitační manévr. Uvažuje se ještě o tom, že by proletěla kolem planetky hlavního pásu 223 Rosa, což však ještě není potvrzené. Každopádně už ale bude mít dostatečnou rychlost na cestu k Jupiteru.

Ke svému cíli dorazí v červenci roku 2031 a usadí se na jeho oběžné dráze. Vědecká mise sondy začne však už půl roku před usazením na orbitě. Ani poté ale nezačne stereotypně obíhat Jupiter, ba naopak. Nejdříve provede několik gravitačních manévrů u největšího měsíce Ganymed, aby snížila svou rychlost. Poté ji čeká celých 35 průletů kolem Ganymedu, Callista a Europy. S tím souvisí i široká řada gravitačních manévrů u těchto těles. K Europě se poprvé podívá v roce 2032 a od ní bude navedena dráhu s vysokým sklonem k rovníku Jupiteru, aby mohla prozkoumat i polární oblasti tohoto světa. V prosinci 2034 bude navedena na oběžnou dráhu kolem již vícekrát zmíněného Ganymedu. V tuto chvíli se tak stane prvním lidským výtvorem obíhajícím měsíc jiné planety než Země. Nejdříve bude obíhat ve výšce 5000 km, následně klesne až na desetinu této hodnoty. Konec mise je naplánován na rok 2035, kdy sonda využije poslední zbytky svých pohonných látek k deorbitaci, která povede k pádu na povrch největšího měsíce ve Sluneční soustavě.

CÍLE MISE

Dostali jsme se k poslednímu velkému tématu článku, kterým jsou vědecké cíle mise JUICE. Leccos k tomuto tématu jsme si již řekli v souvislosti s přístroji na palubě sondy, nyní to ještě trochu rozvineme. Hlavní cíle odhalíme již z názvu sondy. Ten bychom do češtiny mohli přeložit jako „Objevitel ledových měsíců Jupitera“. Pod pojmem ledové měsíce se zde skrývají tři z Galileových měsíců, Ganymedes, Callisto a Europa.

Jedná se o měsíce, jejichž povrch je tvořen převážně z vodního ledu. Vědci přitom předpokládají, že pod ledovou krustou, která pokrývá povrch, by se na těchto měsících mohly skrývat globální ledové oceány. V nich by se přitom mohly hypoteticky vyskytovat i nějaké jednoduché formy života. To samozřejmě tyto tělesa činí vědecky opravdu velmi přitažlivými. Byť důkaz života sonda nejspíš přinést nemůže, mohla by nám udělat jasno v tom, zdali jsou na nějakém z těchto měsíců doopravdy podmínky k životu nutné. Ani Jupiter není však dokonale prozkoumán.

U Ganymedu a v jisté míře i u Callista jsou konkrétními cíli charakteristika oceánů a objev domnělých podpovrchových vodních rezervoárů, dále topografické a geologické mapování povrchu a studium jeho složení, zkoumání fyzikálních vlastností ledové krusty, charakteristika vnitřní distribuce hmoty a obecně dynamiky a vývoje vnitřních částí těchto těles a v neposlední řadě také výzkum exosféry (povrchu nejvzdálenější část atmosféry s velmi nízkou hustotou). U Europy se JUICE zaměří na hledání chemických látek nezbytných pro život, jako jsou například organické molekuly a zkoumání formace různých tvarů jejího reliéfu. Vedle toho také jako první nabídne měření minimální tloušťky ledové krusty na jejím povrchu. Ve výzkumu Europy tato sonda doplní plánovanou americkou sondu Europa Clipper, která odstartuje v roce 2024, ale k Jupiteru doletí ještě rok před JUICE. Z větší dálky se sonda podívá i na další měsíce, jako je například Io.

V detailu se sonda zaměří i na atmosféru samotného Jupiteru, její strukturu, dynamiku a složení. Pozorování bude provádět dostatečně dlouho na to, aby mohla sledovat vývoj počasí, transportu materiálu, hybnosti a energie mezi jednotlivými vrstvami atmosféry v čase. Velmi zajímavé bude také odhalování magnetosféry, ionosféry a termosféry největší planety Sluneční soustavy. Ty přímo ovlivňují všechny její měsíce a Ganymed svým vlastním magnetickým polem ovlivňuje i samotnou magnetosféru celé planety. Jedná se tak o unikátní systém magnetosféry v magnetosféře, který ještě nikdy předtím zkoumán nebyl. Sonda bude zkoumat i polární záře, které díky magnetosféře vznikají. Dojde přitom i na výzkum gravitačního ovlivňování měsíců Jupiterem v podobě slapových sil.

ZÁVĚR

JUICE je opravdu unikátní misí, která nemá v evropské a vlastně ani světové kosmonautice obdoby. Upevňuje pozici Evropské kosmické agentury jakožto jednoho z lídrů dnešní kosmonautiky a v širším slova smyslu i vědy obecně. Česko opět přitom nezůstává pozadu a i na této misi má svůj podíl. Jupiter a soustava jeho měsíců stále patří mezi velké otazníky astronomie, planetologie a fyziky a JUICE se svou širokou paletou unikátních přístrojů má k jejich zodpovězení hodně co nabídnout. Cílem článku bylo nabídnout čtenářům co nejkomplexnější, ale zároveň přiměřeně stručný pohled na tuto významnou misi, který na našem webu a možná i obecně na českém internetu chyběl. Nyní již nezbývá nic jiného, než sondě popřát ze všeho nejdříve perfektně vydařený start a poté šťastnou dvanáctiletou misi.

Živě komentované přenosy

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] wikipedia.org
[2] kosmonautix.cz
[3] esa.int
[4] esa.int
[5] sci.esa.int
[6] sci.esa.int
[7] sci.esa.int
[8] space.com
[9] Kde sledovat start?
[10] Interaktivní mapa letu sondy