Kako sletjeti na nepoznati planet (ako do toga uopće dođe)?

Planetarne sonde poput istraživača iz prošlosti kreću u otkrivanje nepoznatih i neistraženih svjetova

Baš kao što su stari kartografi ispunili rubove svojih nedovršenih pomorskih karata crtežima morskih čudovišta i zmajeva, današnji konstruktori svemirskih brodova kojima ćemo putovati na druge planete, suočavaju se s cijelim nizom opasnosti, zamišljenih i stvarnih. Tijekom prvih godina istraživanja svemira, inženjeri NASA-e su mislili da je Mjesečeva površina poput živog pijeska i da bi Apollo modul mogao potonuti u nju. Sada kada znamo više o Sunčevom sustavu i kada smo otkrili nove, fascinantne svjetove, potencijalne prijetnje su postale neobičnije, od velikih ledenih šiljaka na Europi, do ogromnih oceanskih valova na Titanu.

Na drugim svjetovima vladaju uvjeti koji nisu u potpunosti poznati i koje je teško ili nemoguće replicirati u laboratoriju. Proveo sam [Ralph Lorenz je znanstvenik i inženjer koji radi na NASA-inim projektima za istraživanje svjetova od Venere do Titana] tri desetljeća pokušavajući predvidjeti te opasnosti kako bih ugradio zaštitne mehanizme u dizajn i opremu svemirskih letjelica koje će biti poslane diljem Sunčevog sustava. Čak i da savršeno poznajemo uvjete na određenoj planeti (a ako ih poznajemo, zašto bismo tamo uopće išli?) i ako bi bilo moguće testirati našu opremu u tim uvjetima na Zemlji (obično ne možemo - čak i ako postignemo pravilan tlak i temperaturu, ne možemo tako lako simulirati gravitaciju), većina testiranja zahtijeva puno više vremena i novca.

Dakle, moramo se usredotočiti na ono bitno. Neke stvari doista treba testirati, dok druge možemo riješiti analiziranjem ili analogijom. A budući da su mnoge stvari nepoznanica, uspjeh zavisi od kvalitetne suradnje - to je jednako bitno kao i tehnološki aspekt misije. Rizici u ovom poslu su neizbježni, ali ih svjesno prihvaćamo.

"Ne možemo uvijek sve savršeno napraviti", rekao je jednom Buzz Aldrin, govoreći o istraživanju planeta. “Činimo sve što možemo, ali ne možemo garantirati uspjeh. Ili možemo sve prepustiti slučaju pa što bude.”

Utapanje u Mjesečevoj prašini

Predsjednik John F. Kennedy izjavio je da će Amerika poslati čovjeka na Mjesec do kraja šezdesetih godina prošlog stoljeća. No da bi to učinio, prvo je trebalo vidjeti koliko bi "nožice" na mjesečevom lunarnom modulu morale biti velike. Istaknuti astrofizičar sa Sveučilišta Cornell, Thomas Gold, tvrdio je da se površina Mjesečevog mora sastoji od debelog sloja vrlo mekane, fine prašine, koja možda neće moći podnijeti težinu modula, pa bi on mogao potonuti.

Geolozi koji su analizirali planine i kratere na Mjesecu smatrali su ovaj scenarij teško prihvatljivim, ali teleskopska mjerenja brzog hlađenja lunarne površine tijekom pomrčine otkrila su razlog za zabrinutost: podaci su sugerirali da je barem površinski sloj, svega nekoliko milimetara dubok, bio mekan i rastresit. Upravo ta naizgled mala potvrda Goldove teorije možda joj je donijela više pažnje nego što je zaslužila. Godinama kasnije, konstruktor svemirskih letjelica Caldwell Johnson prisjetio se jednog sastanka na kojem je inženjer Owen Maynard, frustriran beskrajnim raspravama, konačno izjavio: „Površina Mjeseca mora biti kao Arizona! Jednostavno mora! Ne može biti ništa drugo. Zato ćemo dizajnirati sustav slijetanja kao da je upravo tamo.“

Srećom, niz bespilotnih misija koje su prethodile Apollu, uključujući lunarne Surveyore, dokazale su da površina Mjeseca nije prijetnja astronautima i potvrdile ispravnost specifikacija po kojima je već bio izrađen sustav slijetanja za Apollo.

Isti problemi vezani uz opasan teren igrali su ključnu ulogu u odabiru lokacija za slijetanje misije Viking na Marsu. Svaki od landera bio je povezan s orbiterom, što je NASA-i omogućilo da pomno ispita potencijalna mjesta slijetanja. Početni plan bio je da prvi Viking sleti 4. srpnja 1976., u sklopu proslave američke dvjestote godišnjice (čak je imao i poseban prigodni amblem). No, kako su geolozi misije Viking sve bolje analizirali snimke orbitera, postajalo je jasno da su ranije odabrane lokacije, temeljene na slikama slabije rezolucije, znatno rizičnije nego što se u početku mislilo.Snimke su otkrile područja prekrivena gustim slojem pijeska ili jako izbrazdana kraterima. No čak su i slike s orbiterovih kamera imale rezoluciju od samo 100 metara, pa su mogli vidjeti samo glavna obilježja terena.

Kako bi dobili preciznije podatke, znanstvenici su koristili radar. Način na koji su radio valovi, poslani sa Zemlje, reflektirali površinu Marsa, omogućio je procjenu hrapavosti tla u skali valne duljine (oko 10 cm), što je bilo ključno za sigurno slijetanje. Da je lander sletio tako da se nasloni na stijenu promjera 50 cm, mogao bi ozbiljno oštetiti trup, a ako bi jedna od njegovih nožica stala na takav kamen, nagnuo bi se toliko da bi uzorkovanje tla i pravilno usmjeravanje antene postalo nemoguće.

Međutim, podaci su dolazili od elektroinženjera, koji su svoja otkrića predstavljali matematičkim jezikom, nerazumljivim većini geologa. Zbog toga radarski podaci možda nisu dobili pažnju koju su zaslužili. Čak i kada bi se svi prikupljeni podaci sintetizirali, rezultati bi i dalje ostali djelomično nagađanje. Srećom, Viking 1 uspješno je sletio 16 dana nakon američke dvjestote godišnjice. Viking 2 također je uspješno sletio, iako je jedna od njegovih nožica završila na stijeni (Viking 1 snimke otkrile su da se u blizini nalazio kamen koji je mogao biti poguban za lander).

Valovi na Titanu

Misija Cassini-Huygens, zajednički projekt NASA-e i ESA-e, otkrila je da Titan, Saturnov najveći mjesec, ima jezera i mora ispunjena tekućim metanom. Godine 2010., tim na čelu s Ellen Stofan (danas ravnateljicom Muzeja nacionalnog zrakoplovstva i svemira John i Adrienne Mars) predložio je novu misiju – slanje kapsule koja bi sletjela u Ligeia Mare, najbolje kartirano more na Titanovom sjevernom polarnom području, široko 400 kilometara.

Ova kapsula, zapravo plutajući uređaj, bi plovila morskim strujama i vjetrovima preko ove površine tekućeg prirodnog plina, mjereći njegovu kompoziciju i dubinu pomoću sonara i bilježeći meteorološke podatke kako bi se razumjelo kako ova egzotična atmosfera i ocean međusobno djeluju. Kako bismo očekivali, inženjeri svemirskih letjelica obično imaju malo iskustva s sonarima, ali Johns Hopkins Laboratorij za primijenjenu fiziku (gdje radim) koji je bio odgovoran za upravljanje projektom srećom također obavlja opsežan posao za američku mornaricu, pa smo imali stručnjake za sonare na koje smo mogli računati.

Kapsula bi podatke slala izravno na Zemlju, ali to bi bilo moguće samo tijekom sjevernog ljeta na Titanu, kada se Sunce i Zemlja nalaze iznad horizonta s točke gledišta Ligeia Marea. To znači da bi mala antena morala ostati stabilno usmjerena prema Zemlji dok se kapsula njiše na valovima. Načelno, ovo nije teško postići – kruzeri koriste sličan sustav za održavanje satelitske televizije – ali da bi se precizno odredilo koliko brzo bi se nosač antene morao prilagođavati, prvo bi trebalo analizirati gibanje kapsule. Koliko bi valovi bili visoki i u kojem ritmu bi se pojavljivali?

Prvi korak bio je utvrditi brzinu vjetra, a u tome su nam pomogli računalni modeli atmosferskih strujanja na Titanu. Jedan je mogao dati netočne podatke, tako da smo napravili četiri neovisna modela. Iako su se razlikovali u predviđanju sezonskih promjena i smjera vjetra, svi su pokazali da je najveća brzina vjetra oko jednog metra u sekundi.

To nam je omogućilo sljedeći korak — proučavanje odnosa između brzine vjetra i visine valova. Zemaljski modeli nisu se mogli jednostavno primijeniti — Titanova atmosfera je gušća od Zemljine, što znači da se valovi lakše stvaraju, a ima i manju gravitaciju od Zemlje. Zbog toga su valovi viši nego što bi bili pod istim uvjetima na Zemlji, ali se kreću sporije. Nakon uzimanja svih faktora u obzir, izračunali smo da bi pri vjetru od jednog metra u sekundi prosječna visina valova bila tek 0,2 metra. Ali u stvarnim uvjetima, ne postoji samo jedan tip vala. Valovi se preklapaju pod različitim kutovima, stvarajući raznoliku statističku raspodjelu. Primjerice, jedan val od tisuću mogao bi biti dvostruko viši od prosjeka. Budući da bi misija trajala šest Titanovih dana (90 dana na Zemlji, što znači oko dva milijuna valnih ciklusa), naši izračuni su pokazali da sa 99-postotnom sigurnošću nećemo naići na val viši četiri puta od prosječne visine.

Jedan zanimljiv aspekt cijelog projekta bio je taj što bi kapsula, baš kao i drugi dinamički sustavi (što je poznato nautičarima), imala svoje karakteristično razdoblje ljuljanja. To je značilo da najjači vjetrovi nisu nužno uzrokovali najveće ljuljanje. Iako jaki vjetrovi proizvode najveće valove, ti valovi se sporije kreću. S druge strane, umjereni vjetrovi stvaraju valove kraćih perioda. Ti su valovi bili manji, ali su njihova frekvencija i period bili usklađeni s ljuljanjem kapsule, što je dovodilo do izraženijeg naginjanja. Ova analiza omogućila nam je da odredimo koliko brzo motori za usmjeravanje antene moraju raditi kako bi održali stabilnu komunikaciju sa Zemljom.

Konačno, NASA je odlučila dati prednost misiji InSight, koja je imala zadatak proučavati unutrašnjost Marsa, umjesto slanja bove na Titan. Iako smo se nadali da bismo mogli ponovno predložiti ovu misiju kasnije tijekom 2010-ih, shvatili smo da bi letjelica stigla na Titan tek krajem 2020-ih, kada bi sjeverno ljeto već završilo, čime bi izravna komunikacija sa Zemljom postala nemoguća.

Prženje na Veneri

Četiri godine kasnije, stajao sam pred ocjenjivačkim odborom i objašnjavao izazove slanja sonde na Veneru, gdje smo planirali misiju DaVinci s ciljem mjerenja atmosfere i snimanja površine tijekom spuštanja. Posljednja američka misija koja je dotaknula površinu ovog negostoljubivog planeta bila je Pioneer Venus, prije više od 40 godina. Misija se sastojala od orbitera i četiri sonde koje su prošle kroz ekstremne uvjete Venerine atmosfere. Iako su u cjelini radile kako je planirano, svi vanjski senzori – posebice senzori temperature – neočekivano su prestali raditi na istoj visini, otprilike 12 kilometara iznad tla. U to je vrijeme postojala teorija da je riječ o nekoj vrsti električnog pražnjenja, ali s obzirom da su sonde bile udaljene tisućama kilometara jedna od druge, takav scenarij činio se malo vjerojatnim.

Priznavanje i analiza pogrešaka često su spori procesi bez velike pažnje javnosti, osobito kada bi mogli ugroziti nečije karijere. Tek 12 godina nakon misije Pioneer Venus održana je radionica kako bi se konačno utvrdilo što je pošlo po zlu. Radionica je otkrila da je kvar senzora bio posljedica neočekivane reakcije materijala na visoku temperaturu u Venerinoj atmosferi. Kapton traka, korištena za izolaciju žica, bila je sigurna, ali je dodatno primijenjena Kynar cijev, koja nije prošla odgovarajuća testiranja. Kada je sonda dostigla temperature iznad 600 Kelvina (327°C), Kynar se počeo razgrađivati i ispuštati vodikov fluorid, korozivni plin koji je oštetio traku. To je dovelo do gubitka izolacije i kratkog spoja u senzorima, zbog čega su prestali raditi. Ono što je trebalo biti poboljšanje, pretvorilo se u nepredviđeni problem koji je ugrozio misiju.

Pažljiviji odabir materijala mogao bi spriječiti takve probleme — i doista, senzori na sovjetskoj sondi VEGA-2 uspješno su podnijeli slijetanje na Veneru 1985. godine.

Europa - smrtonosni ledeni šiljci

Smatra se da Jupiterov ledeni mjesec Europa skriva globalni ocean dubok oko 100 kilometara, ispod ledene kore debele otprilike 15 kilometara. Iako nije sigurno može li se u takvim uvjetima razviti život, mogućnost za to postoji. No, znamo li dovoljno o površini Europe da bismo mogli dizajnirati letjelicu koja će sletjeti na nj? Najbolje slike snimljene misijom Galileo prikazuju grubi, neravni teren, ali koji pokriva tek mali dio ovog mjeseca. Stoga smo prisiljeni ponovno razmotriti procese koji oblikuju površinu i stvaraju moguće prepreke za slijetanje.

Svatko tko je upoznat s fenomenom "izgaranja hrane" u zamrzivaču zna da se led može pomicati čak i pri vrlo niskim temperaturama. Proces isparavanja i ponovnog kondenziranja može se odvijati i u vakuumu — kao na površini Europe — i u atmosferi, premještajući led s toplijih na hladnije dijelove površine. Na Zemlji se ovaj proces može vidjeti na glečerima, gdje neravnine na površini s vremenom postaju sve izraženije. U ekstremnim slučajevima može stvoriti impozantne ledene šiljke visoke čak četiri i pol metra, kakvi su nađeni u Andama. Ove formacije, poznatije kao penitentes, dobile su ime po bijelim kapuljačama pokajnika kakve se koriste u vjerskim obredima. Za inženjere, one predstavljaju gotovo nepremostivu prepreku pri slijetanju.

Matematički modeli isparavanja čvrstog leda na Europi sugeriraju da bi se penitentesi mogli formirati, ali to ne znači da ih tamo zaista ima. A čak i ako postoje, zauzimaju li dovoljno veliku površinu da bi mogli ugroziti letjelicu? Pogledajmo problem iz drugog kuta: ledeni šiljci nastaju samo u određenim uvjetima na Zemlji, ali bi li ih hipotetski izvanzemaljski inženjer uzeo u obzir prilikom dizajniranja letjelice kojom želi sletjeti na Zemlju? Možda bi radar mogao riješiti ovu dilemu, s obzirom na to da bi konusni šiljci mogli učinkovito apsorbirati energiju višestrukim refleksijama, slično zidovima anehogenih komora koje se koriste za testiranje akustike. Mjerenja radarom i ostali podaci koje će se prikupiti NASA-inom misija Europa Clipper, planiranom za 2024. godinu, mogli bi konačno dati odgovor na ovo pitanje.

NASA će, tri godine nakon ove misije, konačno započeti svoj povratak na Titan lansiranjem misije Dragonfly. Lansiranje drona koji ima osam rotora predstavlja izazov i postavlja brojna „što ako“ pitanja, a ja sam dio tima koji sustavno analizira moguće opasnosti, poput živog pijeska, udara munja i vrtloga prašine, procjenjujući koliko su vjerojatne i kakve bi posljedice mogle imati.

Možda rubovi naših karata više nisu prekriveni morskim čudovištima i zmajevima, ali strah od nepoznatog i brojni rizici i dalje izazivaju strahopoštovanje među planerima misija koji su odgovorni za namjenu projekata koji koštaju više milijardi dolara. Moj je zadatak i dalje otkrivati koliko su ti „zmajevi“ stvarno opasni i hoće li ih trebati „poraziti“. Može se reći da je to nesvakidašnji način da se zaradi za život.