Astro.cz - Mise SLAVIA bude hledat vesmírné poklady

Článek na Astro.cz zde

V čase doznívajících Perseid přijali čeští vědci z ESA zprávu potvrzující finalizaci studie proveditelnosti projektu Kosmické laboratoře pro různé pokročilé přístroje a aplikace (Space Laboratory for Advanced Variable Instruments and Applications, SLAVIA). Mise dvou ryze českých mikrosatelitů typu CubeSat by mohla startovat po roce 2027 na oběžnou dráhu Země. Cílem je během následujících dvou let přinést detailní informace o složení meziplanetární hmoty v blízkosti naší planety.

Dvojice širokospektrálních kamer VESNA bude z vesmíru měřit spektra světelných stop meteorů a zjišťovat tak prvkové složení částeček v atmosféře zanikající meziplanetární hmoty (meteoroidů). VESNA bude také schopna zaznamenávat jejich dráhy, a tím také určit původ ve Sluneční soustavě.

Studium plazmatu meteorů a drah meteoroidů (které tvoří světelnou stopu meteoru ablací v atmosféře) bude doplněno analyzátorem Říp-2, který bude poprvé z oběžné dráhy zaznamenávat odrazy rádiových signálů od jejich plazmatu, detekovat dopady prachových zrn na družici a měřit rádiové signály atmosférických výbojů.

Detailní znalost o složení meziplanetárního prachu poskytne svou konstrukcí naprosto revoluční miniaturní hmotnostní spektrometr HANKA (Hmotnostní ANalysator pro Kosmické Aplikace). Vědeckotechnickým cílem mise je demonstrace a kvalifikace přístrojů určených pro průzkum nerostných zdrojů na objektech jako jsou asteroidy, Měsíc, ale i na vzdálených tělesech Sluneční soustavy.

SLAVIA tak skutečně vydláždí cestu k pokladům nebes. Největším pokladem je však vědění – přístroje přinesou bezprecedentní množství poznatků o meziplanetárním prachu, meteoroidech, asteroidech a kometách. V budoucnu budou tyto přístroje využity pro průzkum Měsíce či Marsu pomocí automatických vozítek, pro přistávací moduly či průletové sondy k asteroidům, kometám, ledovým měsícům Enceladu či Europě.

HANKA

Snad všem fanouškům science fiction jsou dobře známy různé větší či menší přístroje určené pro kompletní detekci a analýzu všeho, co uživatele jen napadne. Stejné přístroje jsou snem každého chemika i fyzika. Jenže realita je jiná – taková analýza a detekce „všeho“ není možná v pozemské laboratoři, natož v kosmu, kde inženýři a vědci naráží na nepřekonatelné technologické limity zejména s ohledem na hmotnost a složitost přístrojů. Řešením je buďto jejich miniaturizace, nebo nalezení naprosto revolučního technického řešení. Vědci připravující hmotnostní analyzátor HANKA pro misi SLAVIA se vydali tou druhou cestou. Česko může hrát v budoucnu vedoucí úlohu ve výrobě a použití univerzálních miniaturních hmotnostních analyzátorů, které navíc nabízí oproti dosud používaným přístrojům naprosto bezprecedentní přesnost díky vysokému rozlišení hmot analyzovaných látek.

Jak je to možné? Většina hmotnostních spektrometrů využívá těžké a objemné magnety nebo měří dobu průletu iontů, čímž však je rozsah změřitelných molekul omezen. Iontová past Orbitrap obrovským rozlišením disponuje, avšak nikdo nebyl schopen realizovat její konstrukci pro použití ve vesmíru. Čeští vědci vyvíjí pro CubeSat SLAVIA spektrometr na tomto novém principu. Systém dokáže detekovat signál kmitů iontů v elektrostatickém poli a získaná data pak pomocí Fourierovy transformace přepočíst s vysokým rozlišením v širokém rozsahu na jejich přesné hmotnosti (na několik desetinných míst). Tímto je možné danou molekulu přesně určit a kvantifikovat. Princip Orbitrapu byl vynalezen Alexandrem Makarovem a implementován do praxe firmou Thermo Fisher Scientific počátkem 21. století. Ačkoliv jsou podobné přístroje vyvíjeny v laboratořích vesmírných agentur NASA a CNES, unikátní funkční koncept je dílem českých vědců, kteří jako jediní na světě úspěšně navrhli a otestovali technologické řešení takového miniaturního zařízení pro kosmické aplikace.

Hmotnost přístroje HANKA je jen několik kilogramů, přičemž rozlišení a citlivost rostou tisícinásobně. Na palubě CubeSatu SLAVIA bude tento spektrometr zachytávat meziplanetární prach a zkoumat jeho chemické, mineralogické a izotopové složení. Na orbitě tak budou získána naprosto unikátní data o přítomnosti organických, minerálních a těkavých látek, hlavních i stopových prvcích a izotopech umožňujících též datování zrnek. Speciální mřížka a odezva v anténním systému satelitu též odhalí směr dopadu částeček. Takové měření přímo ve vesmíru nebylo nikdy provedeno.

VESNA

Dvojice spektrálních kamer VESNA ve spojení s anténním přijímačem Říp-2 bude zaznamenávat větší tělesa vstupující do atmosféry Země. Spektra odhalí základní prvkové složení těchto těles, zatímco záznam obrazu i radiového signálů pořízený z palub dvou satelitů umožní spočítat dráhu a odhalí tak, odkud dané těleso pochází. Dosud existuje jen několik desítek vzorků meteoritů, u nichž je dokladován rovněž jejich původ. U většiny meteoritů totiž není zaznamenán průlet atmosférou, a tak není možné spočítat jeho trajektorii a identifikovat jeho zdroj ve Sluneční soustavě. Naopak u většiny video pozorování jsou již rutinně určeny dráhy těles, ale meteoroidy zaniknou v atmosféře Země nebo se je nepodaří po dopadu na zemi dohledat, a tak detailně analyzovat. Naše znalosti o tělesech Sluneční soustavy jsou sice v mnoha ohledech přesné, avšak nereprezentují ucelený obraz. Situace je některými vědci přirovnána k utvoření si představy o sortimentu v obchodě na základě analýzy obsahu náhodně vybraného a v položkách dosti omezeného nákupu v košíku. Spektrální kamera VESNA využije veškerých výhod satelitního pozorování, např. možnosti měření v UV oblasti mimo absorpci ozonovou vrstvou, eliminaci vlivu počasí, lokality vhodné pro pozemní astronomii (neobydlené a nedostupné oblasti, moře, póly) či větší pokrytí oblohy, a provede sérii analýz mapujících prvkové složení meteoroidů, jejich původu a spojí tyto informace s přesnými analýzami prachu provázejícího meteorické roje či dokonce sporadické bolidy.

ŘÍP-2

Fyzikální parametry plazmatu upřesní analyzátor Říp-2, který bude poprvé z oběžné dráhy zaznamenávat odrazy rádiových signálů od meteorů. Přístroj Říp-2 navazuje na unikátní tradici českých vesmírných letů do kosmu, především na svého většího předchůdce Říp-1, a čerpá i ze zkušeností získaných při vývoji přijímače vysokofrekvenčních rádiových vln v projektu TARANIS francouzské vesmírné agentury CNES, který byl zničen při nezdařeném vypuštění družice v roce 2020. Jeho antény budou také detekovat dopady mikroskopických prachových zrn na družici a měřit rádiové signály výbojů  v atmosféře.

CÍLE MISE

Vědecká hodnota obrovského množství dat, které toto pozorování přinese, je nesporná: Pomůže systematicky zmapovat Sluneční soustavu a budeme-li mít štěstí, zachytíme též meteoroidy pocházející z mezihvězdného prostředí, dozvíme se o stáří a chemickém složení meziplanetární hmoty, což přinese odpověď na řadu otázek o původu organických látek a základních komponent života, evoluci planet a malých těles, pochopíme komplexně chemickou evoluci a architekturu Sluneční soustavy a budeme tato data dále schopni využít pro studium exoplanetárních soustav. Spektrální záznam navíc dovoluje pozorovaný objekt zařadit – satelit tak přesně ví, na co se dívá, jestli se jedná o přírodní jev, jako je meteor či blesk, nebo o umělý objekt, např. raketu, výbuch, návrat kosmické lodi či kosmické smetí. Systematická spektroskopie z palub malých a levných satelitů tak otevírá brány nových možností nejen astronomům, ale také meteorologům, technologům či vojákům a zpravodajcům.

Hlavním cílem SLAVIA je však technologický a vědecký pokrok v oblasti průzkumu nerostného bohatství na asteroidech, Měsíci a dalších tělesech Sluneční soustavy. Bohatstvím se však nerozumí jen zlato a vzácné kovy. Ambice kosmonautiky budoucnosti závisí také na hledání a využití zdrojů, které mají sice na Zemi mizivou hodnotu (voda, kyslík, obecné konstrukční kovy a stavební materiály), ale jejich doprava do vesmíru je extrémně nákladná. V rámci mise SLAVIA bude vyvinuta a v kosmických podmínkách ověřena řada technologií, které v budoucnosti umožní tyto zdroje hledat pomocí miniaturních a levných družic, přistávacích modulů či vozítek. Konceptů je celá řada, od vytvoření flotily satelitů podobných misi SLAVIA, které budou systematicky mapovat zdroje kovů na asteroidech pomocí spektroskopie a určovat dráhy a původ těles meteorů, přes dvojčata SLAVIA mířících zkoumat jako smečka ohařů pás asteroidů a pátrat po vzácných kovech, až po nejpřínosnější a v blízké budoucnosti nejreálnější koncept malého a levného lunárního vozítka vybaveného miniaturním spektrometrem HANKA se spektrografem VESNA na robotickém rameni, který bude zkoumat povrch Měsíce pomocí laserové ablace a s přesností a citlivostí daleko přesahující současné možnosti poskytne informace o minerálech, horninách, těkavých látkách, stopových prvcích, organických molekulách a staří materiálu. Tím získáme bezprecedentní vědecké informace, ale také zmapujeme nerostné bohatství využitelné pro kosmické mise: vodu, kyslík, obecné kovy, vzácné kovy či izotopy. Široké následné využití přístrojů rovněž znamená vysokou ekonomickou návratnost mise.

Na misi pracuje vědeckotechnické konsorcium pod vedením firmy SAB Aerospace společně s Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského a Ústavem fyziky atmosféry Akademie věd ČR. SLAVIA je současnou misí pro budoucnost, neboť přinese dosud nedostupné vědecké informace o meziplanetární hmotě obklopující Zemi, odkryje mnohá tajemství padajících hvězd, vývoje Sluneční soustavy či evoluce chemických látek pro vznik života. Mise však také vytváří technologické dědictví pro blízkou i dalekou budoucnost, protože Česká republika má šanci získat vůdčí pozici ve vývoji a produkci široce použitelných analyzátorů, které nemají ve světě obdobu ani konkurenci. Během září proběhne prezentace a hodnocení mise SLAVIA na Ministerstvu dopravy ČR, které soutěž ambiciozních projektů vyhlásilo.

PI technické části mise je Inna Uwarova ze SAB Aerospace, PI přístrojů HANKA a VESNA jsou Jano Žabka a Martin Ferus z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, PI přístroje Říp-2 je Ondřej Santolík z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR, PI pozemního segmentu Libor Lenža z Hvězdárny Valašské Meziříčí.

PODĚKOVÁNÍ

Spolupráce vedoucí k projektu SLAVIA byla dlouhodobě financována programem Spolupráce krajů a regionů s pracovišti Akademie věd České republiky v letech 2015 - 2023 (Současný projekt reg. č. R200402101) a programem Vesmír pro lidstvo Strategie AV21 (reg. č. VP16).