Po éře úspěšné řady družic MAGION z programu Interkosmos ukončeného na konci devadesátých let minulého století a družici MIMOSA se Česká republika opět zapojuje do kosmického výzkumu pomocí vlastních přístrojů. Tentokrát již v rámci Evropské kosmické agentury. Na družici PROBA 2 budou během následujících dvou let sloužit dva původní české přístroje ke studiu svrchních vrstev zemské ionosféry.
V časných ranních hodinách 2. listopadu 2009 byla z ruského kosmodromu Plesetsk vypuštěna raketa Rockot nesoucí dvě nové družice Evropské kosmické agentury (ESA) – SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) a Proba 2 (Project for Onboard Autonomy – www.esa.int/esaMI/Proba). Druhá družice bude mít za úkol jednak demonstrovat a ověřovat nové technologie pro budoucí vesmírné mise a jednak plnit řadu vědeckých cílů. Kromě dvou belgických přístrojů určených k monitorování sluneční aktivity jsou na satelitu Proba 2 také dva původní české vědecké přístroje, jejichž vývoj vedly ústavy Akademie věd ČR (Astronomický ústav AV ČR, v. v. i. – www.asu.cas.cz; Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v. v. i. – www.ufa.cas.cz). Převážná část finančních prostředků použitých na vývoj a stavbu těchto zařízení pochází z prostředků ESA a z institucionálních zdrojů zmíněných ústavů. Oba přístroje, jmenovitě Dual Segmented Langmuir Probe – DSLP – a Thermal Plasma Measurement Unit – TPMU, vědci vyvinuli k lokálnímu pozorování a studiu základních vlastností plazmatu ve vyšších vrstvách zemské ionosféry. Úplná znalost ionosférického prostředí není důležitá jen z čistě vědeckého hlediska. Intenzivní sluneční činnost způsobuje masivní geomagnetické bouře a představuje riziko poškození komunikačních a navigačních družicových systémů, pozemních elektrických rozvodných sítí a potrubí či radiační riziko pro astronauty a cestující na dálkových leteckých linkách. Předmětem výzkumu je též vliv kosmického počasí na zdraví a psychiku lidí. Detailní studium ionosférických procesů a jejich souvislostí s kosmickým počasím je proto důležitým předmětem současných kosmických vědeckých aktivit.
Všechna fota: Archiv ÚFA AV ČR
Jedním z hlavních úkolů během vývoje přístroje DSLP bylo důkladné otestování letového modelu v laboratorních podmínkách simulujících skutečné ionosférické prostředí. K tomuto účelu byla využita plazmová komora v laboratořích ESTEC/ESA (Noordwijk, Holandsko). Na obrázku je v popředí zachycen Pavel Trávníček se Zdeňkem Kozáčkem (uprostřed) z brněnské firmy CSRC při analýze získaných dat. V pozadí u kontrolního pultu plazmové komory přihlíží zástupce Evropské kosmické agentury (ESA) a zároveň člen DLSP týmu Jean-Pierre Lebreton. V pravém horním rohu je ve výřezu vidět oba senzory DSLP umístěné v plazmové komoře.
Satelit Proba 2 je součástí rozsáhlého programu ESA, jehož cílem je pomocí relativně nízkonákladových minidružic ověřovat a testovat nové vesmírné technologie v podmínkách kosmického prostoru. Vlastní tělo satelitu vyrobila belgická firma Verhaert Space v rámci programu GSTP (General Support Technology Programme), v níž se před startem uskutečnila i finální integrace s ostatním přístrojovým vybavením. Během startu byla Proba 2 vynesena na polární oběžnou dráhu s pevným lokálním slunečním časem 6:00/18:00 hodin (při vzestupném, respektive sestupném uzlu) ve výšce zhruba 700 km nad Zemí. Tato orbita umožňuje téměř souvislé pozorování slunce a stálý přísun energie ze solárních panelů. Zároveň je oběžná dráha také ideální pro dlouhodobé sledování změny v ranní a večerní oblasti horní ionosféry a pro zkoumání případné odezvy této vrstvy zemské atmosféry na náhlé změny sluneční aktivity.
Přístroj DSLP byl navržen a vyvinut pod vedením Pavla Trávníčka ve spolupráci vědeckého týmu Akademie věd ČR, dvou českých společností – brněnské firmy Czech Space Research Centre (CSRC; www.csrc.cz) a SPRINX Systems (www.sprinx.cz) se sídlem v Praze – a pracovištěm ESTEC ESA. Přístroj DSLP – jak název napovídá – tvoří dvě segmentové Langmuirovy sondy. Jedná se o dvojici senzorů založených na klasickém principu elektrostatických sond s implementací několika důležitých modifikací, které umožňují daleko širší využití. Realizační tým při návrhu nového experimentu těžil z předchozích zkušeností získaných během vývoje přístroje Instrument Sonde de Langmuir (ISL), který byl úspěšně vypuštěn na francouzském satelitu DEMETER a na jehož vývoji se stejná výzkumná skupina podílela již od konce devadesátých let až do úspěšného startu v roce 2004. Zásadní inovací klasické koncepce elektrostatických sond na přístroji DSLP je použití dvou sférických sond s několika elektricky izolovanými segmenty, které umožňují nezávislé měření vlastností plazmatu v různých směrech. Během vlastního měření se na celou sféru sondy přivádí proměnné napětí (zhruba v rozsahu ±10 V) a zároveň se měří proud tekoucí mezi sondou (celou sférou, případně jednotlivými segmenty) a vlastním tělem satelitu, které slouží jako zemnění. Naměřená závislost proudu na napětí, tzv. volt-ampérová charakteristika, má průběh dostatečně dobře popsaný teoretickými modely. Na základě analýzy tohoto průběhu lze následně odvodit základní parametry plazmatu, jako jsou teplota a hustota elektronů, hustota iontů či plovoucí potenciál plazmatu. Celý přístroj DSLP se skládá z řídicí jednotky pro zpracování povelů a naměřených dat (tzv. data processing unit – DPU) a ze dvou senzorů – segmentových Langmuirových sond vybavených vlastní elek-tronikou. Senzory jsou umístěny pomocí krátkých pevných ramen na okrajích výklopného solárního panelu satelitu Proba 2. Cílem tohoto uspořádání je vnořit oba senzory co nejvíce do okolního plazmatu a minimalizovat rušivé vlivy družice na vlastní měření. Řídicí jednotka DPU je umístěna v těle satelitu a s oběma senzory ji propojují kabely vedené po povrchu slunečního panelu. Jednotka zajišťuje správné nastavení přístroje, sběr naměřených dat a jejich odesílání na centrální řídicí jednotku Proby 2, kde jsou data ze všech přístrojů a subsystémů celé družice uložena a při kontaktu s pozemní stanicí odvysílána do pozemního datového centra. Současně jednotka DPU přístroje DSLP zajišťuje komunikaci, formátování a přenos dat mezi satelitem a druhým českým přístrojem – TPMU.
Ukázka z prvních měření plazmatu pomocí přístroje DSLP. Horní panel zobrazuje spektrogram volt-ampérových charakteristik souvisle pořízených dne 25. listopadu 2009 během jednoho obletu satelitu Proba 2 kolem Země. Proud byl v tomto případě měřen na hlavním segmentu senzoru SLPA v rozmezí ±±3.81 V. Důkladnou analýzou a porovnáním s teoretickými modely je z těchto měření možné určit například hustotu iontů a elektronů (prostřední panel) nebo elektronovou teplotu (spodní panel). Na všech třech panelech je kromě jiného dobře patrný průlet severní polární oblastí (v čase 15:25 až 15:45) s charakteristickým poklesem hustot a rychlými změnami v elektronové teplotě.
Záměrem výzkumného týmu, který přístroj DSLP vyvíjel, je naplnění několika vědeckých a technologických cílů. Z technologického hlediska se jedná zejména o ověření vlastní koncepce segmentové Langmuirovy sondy pro použití v rámci budoucích vesmírných misí, porovnání získaných měření s teoretickými modely a vývoj softwaru pro automatickou analýzu naměřených volt-ampérových charakteristik (kterým by bylo možné data v budoucnu analyzovat přímo na oběžné dráze a přenášet na zem jen jejich optimální množství, což by šetřilo omezenou přenosovou kapacitu mezi družicí a pozemní stanicí). Jde o plány do počátečních fází mise. Nominální životnost satelitu Proba 2 je plánována na dva roky. Během ní bude přístroj DSLP plnit vědecké cíle, jako je studium ne-maxwellovských rychlostních rozložení nabitých částic v ionosférickém plazmatu, analýza směrové závislosti parametrů plazmatu ve vztahu k lokálnímu magnetickému poli, detailní pozorování typických regionů horní ionosféry (jako jsou např. rovníková a jihoatlantická anomálie nebo velmi proměnlivé polární oblasti v okolí magnetických pólů) či dlouhodobější mapování parametrů ionosférického plazmatu pro následné statistické studie. S využitím souběžných pozorování dvou belgických přístrojů SWAP a LYRA umístěných na družici Proba 2 bude navíc možné na datech z experimentu DSLP zkoumat i rozličné poruchy v horních vrstvách ionosféry ve vztahu k náhlým změnám ve sluneční aktivitě. Za celou dobu trvání mise Proba 2 by měl experiment DSLP z horních vrstev ionosféry poskytnout řádově několik desítek milionů pozorování. Ta budou sloužit pro vědecké analýzy ještě několik let po ukončení mise a měla by o této významné části zemské atmosféry přinést mnoho nových důležitých poznatků.
Přístroj TPMU v letovém provedení, rovinná čidla jsou umístěna na horní straně přístroje. Celý box je upevněn na řídicí jednotce DSLP – spodní části s dvěma konektory – do telemetrického systému družice (vlevo) a dvěma konektory pro připojení DSLP senzorů (vpravo). Dva prostřední konektory slouží k servisním úpravám řídicího firmwaru obou jednotek.
V současné době se dokončuje takzvaná komisní (či testovací) fáze, kdy vědci zkouší funkčnost celého satelitu a všech jednotlivých přístrojů na něm umístěných. Testy prokázaly, že přístroj DSLP funguje bez problémů ve všech navržených operačních módech, reaguje na příkazy podle očekávání a získaná měření odpovídají teoretickým modelům. I přes počáteční fázi mise má již český tým DSLP k dispozici řádově několik tisíc naměřených vzorků dat vhodných pro vědecké zpracování. V únoru tohoto roku bude veškeré testování družice Proba 2 dokončeno a celý projekt vstoupí do hlavní operační fáze, kdy budou všechna plánování podřízena naplnění vědeckých cílů. Průběh celého projektu můžete sledovat na jeho domovské stránce http://terezka.asu.cas.cz/proba2.
Členové vědeckého týmu David Herčík a Štěpán Štverák během kampaně integračních testů DSLP na satelitu Proba 2 v belgické firmě Verhaert Space. Data z těchto měření sloužila k ověření správné komunikace s řídicí jednotkou satelitu a dále pro závěrečné kalibrace obou segmentových senzorů před odesláním celé družice na kosmodrom Plesetsk. Na rozích vyklopeného solárního panelu (vlevo) jsou vidět oba sférické senzory DSLP a na boční stěně satelitu (v pravém horním rohu) jsou dobře viditelné tři kruhové senzory TPMU.
Druhým z dvojice českých experimentů navržených pro získání nových vědeckých dat k výzkumu chování tepelného plazmatu v blízkém okolí Země je aparatura TPMU (Thermal Plasma Measurement Unit). Navrhl a vyvinul ji Ústav fyziky atmosféry AV ČR; letový model přístroje, stejně jako u DSLP, sestavila brněnská firma CSRC. Kromě studia ionosféry je cílem projektu TPMU také konstrukce moderního přístroje pro měření parametrů plazmatu na palubě umělých družic. Přístroj dále umožňuje měření potenciálu těla družice, což je důležité pro určení ostatních současně měřených fyzikálních parametrů. Obdobný přístroj byl úspěšně použit na družici MAGION. Nyní byl přepracován tak, aby splnil dnešní požadavky na přístroj pracující v kosmickém prostředí. Data získaná přístrojem použijí vědci ke studiu procesů v tepelném plazmatu a po akumulaci dostatečného množství dat též pro konstrukci a zlepšení empirických modelů, zejména vytvoření nového globálního modelu ve výšce dané oběžnou drahou družice. Náš tým již v předchozích letech na základě dat z družice MAGION vytvořil globální modely elektronové teploty a iontových koncentrací, které se staly součástí mezinárodního modelu referenční ionosféry IRI (International Reference Ionosphere – http://iri.gsfc.nasa.gov). Nová data umožní jejich další validaci a případné zpřesnění, zvláště pro období lokálních časů východu a západu Slunce. TPMU spolu s přístrojem DSLP, který měří podobné parametry odlišnou metodou a ve větší vzdálenosti od těla družice, tvoří ojedinělou kombinaci přístrojů, jež umožní komplexní měření okolního prostoru a též vzájemnou kontrolu správnosti naměřených údajů. Druhým důležitým úkolem je ověření nového zapojení elektrických obvodů přístroje a jeho chování v podmínkách kosmického prostoru, které je potřebné pro použití přístroje v budoucích družicových projektech.
Pracovníci Ústavu fyziky atmosféry AV ČR (zleva) Jan Klas, Jiří Baše a Ivana Kolmašová při oživování letového modelu přístroje TPMU na pracovišti firmy CSRC v Kroměříži
Vlastní přístroj TPMU je umístěn ve skříňce z hliníkových slitin obsahující jak blok s elektronikou, tak blok s měřicími senzory – analyzátor s brzdným potenciálem (RPA) a radiofrekvenční čidla. Celý box je upevněn na vrchní straně řídicí jednotky DSLP, která pro TPMU poskytuje jak napájení, tak zpracování naměřených dat. Iontové měření je založeno na analyzátoru s brzdným potenciálem a používá rovinné čidlo se soustavou vnitřních elektrod. Na elektrody se postupně přivádí zvyšující se kladné napětí, jež brzdí proud iontů z okolního plazmatu. Na sběrnou elektrodu se pak dostanou pouze ionty s určitou energií. Ze závislosti proudu na přiloženém napětí pak lze odvodit celkové koncentrace iontů, jejich teplotu a jejich přibližné složení (lze rozlišit ionty kyslíku, vodíku a helia). Pro získání teploty elektronů se využívá čidlo jiného typu – s vysokofrekvenční metodou měření. Na elektrody čidla se přivádí pulzy vysokofrekvenčního signálu s kmitočtem zhruba 50 kHz. Amplituda signálu se řídí tak, aby se výstupní napětí udržovalo na konstantní úrovni. Z velikosti této amplitudy se pak odvozuje hodnota elektronové teploty. Při této metodě měření se předpokládá Maxwellovo rozdělení rychlostí elektronů. Stejný typ čidla se používá i pro stanovení plovoucího potenciálu družice. Teoretický rozsah měřených hustot a teplot pro přístroj TPMU je přibližně 10 až 1 000 000 iontů na kubický centimetr, respektive 800 až 10 000 K. Plovoucí potenciál družice je měřen v rozmezí ±12 V. V těchto rozmezích, navržených vzhledem k předpokládaným vlastnostem studovaného prostředí, pracuje i přístroj DSLP.
Během následujících dvou let by měly oba české experimenty přinést množství nových zajímavých poznatků o studovaném prostředí, které budou využitelné nejen v rámci základního výzkumu, ale uplatní se i ve sféře aplikované. Ať už při přípravě budoucích družicových misí, nebo při vývoji nových kosmických technologií. Z pohledu České republiky je hlavním přínosem obou experimentů opětovné zapojení do mezinárodního kosmického výzkumu. Česká republika se v listopadu 2008 stala členem Evropské kosmické agentury a v současné době se v rámci našeho členství rozbíhá program PRODEX (PROgramme de Développement d’EXpériences scientifiques) určený primárně pro financování vývoje a výroby vědeckých přístrojů nebo experimentů a následnému zpracování naměřených dat. Veškeré poznatky z experimentů DSLP a TPMU získané během mise Proba 2 by tak měly být pro další rozvoj tohoto programu velmi přínosné. Nezbývá než věřit v dobré výsledky z vědecké části mise, která se plně rozeběhne v dubnu tohoto roku.
PAVEL TRÁVNÍČEK,
Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.,
FRANTIŠEK HRUŠKA,
Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v. v. i.
English
