Nový plán pro udržení Voyagerů v provozu

Nemůže být sporu o tom, že se žádná kosmická mise neobejde bez pečlivého plánování a často ani bez slušné dávky kreativity. Přesto můžeme říct, že některé mise potřebují těchto předpokladů více. V případě amerických sond Voyager 1 a 2, které cestují kosmickým prostorem již prakticky 42 let, to platí beze zbytku. Jelikož se pohybují v naprosto unikátním prostředí, mají stále ohromný vědecký přínos. Abychom z nich získávali cenné informace zpoza hranic sluneční soustavy co nejdéle, připravily pozemní týmy nový plán jejich fungování. Rozhodování to nebylo jednoduché, protože neexistovalo řešení, které by bylo dobré ve všech ohledech. Nejtěžší rozhodování se týkalo vědeckých přístrojů a trysek.

Jedním z největších problémů je, že sondy Voyager vypuštěné v roce 1977 mají stále méně elektrické energie, kterou potřebují palubní přístroje a ohřívače, které chrání elektroniku před chladem kosmické prázdnoty. Inženýři proto museli důkladně zvažovat, které systémy mají stále dostávat energii a které se vypnou. Na Voyageru 2 je nutné všechno řešit s větší urgencí než na Voyageru 1, protože „dvojka“ má oproti „jedničce“ o jeden funkční vědecký přístroj víc. To však znamená, že „dvojka“ má větší odběr než její dvojče.

Umístění přístroje CRS (zvýrazněn červeně)

Umístění přístroje CRS (zvýrazněn červeně)
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Diskuse mezi vědeckým týmem a manažery mise byla velmi dlouhá a komplexní – na jejím konci bylo těžké, ale nevyhnutelné rozhodnutí – v rámci nového energetického plánu vypnout ohřívače přístroje CRS (cosmic ray subsystem) na Voyageru 2. Tento přístroj měřící kosmické záření, sehrál vloni v listopadu klíčovou roli při určení, že Voyager 2 opustil heliosféru – ochrannou bublinu vytvořenou neustálým tokem ionizovaných částic od Slunce. Od té chvíle vysílají obě sesterské sondy Voyager cenné informace o tom, jak naše heliosféra reaguje na tok částic z mezihvězdného prostoru.

Sondy Voyager poskytují lidstvu unikátní pozorování doposud neprozkoumaných oblastí, ale také nám pomáhají lépe porozumět vlastní podstatě energie a záření ve vesmíru. Tyto informace budou mimořádně cenné hlavně v dalších letech, až se lidé vydají mimo nízkou oběžnou dráhu Země, byť budou k domovu stále mnohonásobně blíže, než kde jsou sondy Voyager.

Pozemní operátoři předběžně potvrzují, že přístroj CRS stále posílá data, ačkoliv jeho teplota spadla až na – 59 °C. To je mimochodem ještě nižší teplota, než na jakou byl tento přístroj testován před startem – tehdy byl ochlazen jen na – 45 °C. Ale není to nic nečekaného – jiný přístroj z mise Voyager fungoval dokonce ještě několik let poté, co dosáhl teplot nižších, než na jaké byl testován.

Umístění přístroje CRS na sondě Voyager

Umístění přístroje CRS na sondě Voyager
Zdroj: https://www.nasa.gov

Je neuvěřitelné, že jsou přístroje na Voyagerech tak odolné,“ smeká pomyslný klobouk Suzanne Dodd, projektová manažerka misí Voyager z Jet Propulsion Laboratory v kalifornské Pasadeně a dodává: „Jsme hrdí, že přístroje obstály v testu dlouhověkosti. Jejich dlouhá životnost znamená, že se musíme zabývat situacemi, na které jsme si nikdy nepomysleli. Budeme i nadále využívat všechny možnosti, které máme k dispozici, abychom udrželi Voyagery ve stavu, kdy mohou dělat nejlepší možná vědecká pozorování.

Vědecké přístroje na sondě Voyager 2

Vědecké přístroje na sondě Voyager 2
Zdroj: https://photojournal.jpl.nasa.gov

Voyager 2 prolétávající mezihvězdným prostorem posílá na Zemi data z pěti vědeckých přístrojů. Kromě již zmíněného přístroje, který detekuje rychle se pohybující částice, které mohou pocházet ze Slunce či zdrojů mimo naši soustavu, bychom na sondě našli ještě dva přístroje určené ke studiu plazmatu (plynu, ve kterém byly atomy ionizovány a elektrony volně plynou) a magnetometr, který měří magnetické pole. Pátým instrumentem je pouze částečně funkční přístroj, který měl u Jupiteru a Saturnu měřit koncentrace elektronů.

Když se vezmou data z různých směrů, je přístroj schopný detekovat částice nabité nízkou energií zvláště vhodný pro sledování přechodu sondy přes okraj heliosféry. Jelikož má CRS své „zorné pole“ definováno fixně, rozhodli se operátoři ze všeho nejdříve vypnout právě jeho ohřívače. Sesterská sonda Voyager 1, která vstoupila do mezihvězdného prostoru v srpnu 2012, má tento přístroj stále aktivní – kromě něj ještě jeden plazmový přístroj, magnetometr a detektor nabitých částic s nízkou energií.

Graf prokazující, že Voyager 2 opustil heliosféru.

Graf prokazující, že Voyager 2 opustil heliosféru.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Obě sondy letí prostorem již 42 let a jsou zhruba 18 miliard kilometrů od Slunce, což je moc daleko na to, aby mohly využívat jeho tepla. Aby palubní systémy sond pracovaly, musí k tomu mít odpovídající podmínky – velkou roli hraje právě teplota a její řízení. Kupříkladu, pokud by sondě zamrzla palivová potrubí, nebylo by možné sondu stabilizovat v prostoru a anténa by nemířila k Zemi. Pozemní týmy by nemohly sondě posílat pokyny, ani od ní přijímat vědecká data. Sondy proto byly navrženy tak, aby se samy ohřívaly.

Radioizotopový termoelektrický generátor pro program Voyager - na každé sondě jsou tři RTG.

Radioizotopový termoelektrický generátor pro program Voyager – na každé sondě jsou tři RTG.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Jenže chod těchto ohřívačů je společně s palubními přístroji velkým konzumentem elektrické energie, které mají Voyagery stále méně. Každá z těchto sond dostala trojici radioizotopových termoelektrických generátorů, které vytváří teplo přirozeným radioaktivním rozpadem plutonia-238, přičemž toto teplo je následně přímo převáděno na elektrickou energii. Jenže v průběhu času přirozeně klesá aktivita radioaktivního materiálu a zdroj tak dostává méně tepla, takže vyrábí méně elektřiny.

Když si k tomu přidáme i postupně klesající účinnost samotného převodu energie, vyjde nám, že každý rok musí každá ze sond Voyager vystačit každý rok s energetickým rozpočtem chudším o 4 watty. Jinými slovy – dnes produkují generátory zhruba o 40 % energie méně než když sondy před 42 lety startovaly. To samozřejmě omezuje počet systémů, které mohou na sondách fungovat. Nový plán hospodaření s energií pokrývá nejen aktuální situaci, ale řeší i další roky. Odborníci vypracovali hned několik scénářů podle budoucího vývoje, které počítají s postupným vypínáním dalších ohřívačů během následujících let.

Inženýři ale stáli i před další výzvou – jak si poradit s degradací některých trysek, které pracují v pulsním režimu. Jinými slovy, vykonávají jen kratičké zážehy, které drobně otočí sondou v prostoru. V roce 2017 se objevil problém – pozemní operátoři zjistili, že Voyager 1 potřebuje k udržení orientace antény vůči Zemi více těchto pulsů. Aby byla zajištěna správná orientace, aktivovali tehdy inženýři jiné trysky, které ležely ladem 37 let.

Dráhy sond opouštějících Sluneční soustavu.

Dráhy sond opouštějících Sluneční soustavu.
Zdroj: https://www.heavens-above.com

Problém, který trápil Voyager 1 se nyní projevuje i u sesterské „dvojky“. Pozemní týmy se tedy rozhodly tento měsíc zopakovat stejnou metodu – tedy aktivovat jinou sadu trysek. Jen tak pro zajímavost – ani na dvojce nebyly tyto raketové motory (označované jako trajectory correction maneuver thrusters – volně přeloženo trysky pro manévry upravující trajektorii) dlouho používány. Voyager 2 je naposledy zažehl u Neptunu v roce 1989!

Inženýři jsou optimističtí a věří, že po nasazení nového plánu hospodaření s energií a obejití problému se stárnoucími tryskami, by měly obě sondy sbírat informace o mezihvězdném prostoru ještě několik let. Znovu se sluší zopakovat, že neexistuje žádná jiná sonda, která by umožňovala interakci hranice heliosféry s mezihvězdným prostorem. Máme sice dálková měření tohoto fenoménu ze sondy IBEX (Interstellar Boundary Explorer) a na rok 2024 chystá NASA start družice IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe), která má od Země studovat toto rozhraní, ale data z Voyagerů jsou nenahraditelná. „Obě sondy Voyager prozkoumávají oblast, kterou zatím žádná sonda nenavštívila, takže každý den přináší objevy,“ říká hlavní vědecký pracovník programu Voyager, Ed Stone a dodává: „Voyagery nás ještě určitě překvapí dalšími pohledy na hluboký vesmír.

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/60/Voyager_spacecraft_model.png
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ad/VoyagerCRSinred.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/7-8voyager-annotated.png
https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA22915.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/PIA22924-Voyager2LeavesTheSolarSystem-20181105.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/commons/6/65/Voyager_Program_-_RTG_upclose.png
https://www.heavens-above.com/…200&widthAU=250&EclLat=10&EclLong=0&cul=cs

Nový plán pro udržení Voyagerů v provozu, 5.0 out of 5 based on 31 ratings
Pin It
(Visited 5 318 times, 2 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (31 votes cast)
(Visited 5 318 times, 2 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


17 komentářů ke článku “Nový plán pro udržení Voyagerů v provozu”

  1. Alois napsal:

    Je známo kolik energie konkrétně sondy vyrábějí a kdy se dostanou pod hranici nutného výkonu. Též jakou mají ještě zásobu paliva a na jak dlouho jim ještě vystačí. Konečně kdy se odmlčí, což nuzně musí přijít. Dík.

  2. Adam napsal:

    Je neuvěřitelné že dokážeme komunikovat se sondou, která je miliardy kilometrů vzdálená od Země. Se sondou vypuštěnou v 70. letech. A nakonec, že ještě pořád funguje.

  3. v600 napsal:

    Zde je nějaké čtení o předchůdcích Voyagerů – o Pioneerech

    http://www.oranzovestranky.cz/gamma/view.php?cisloclanku=2006012603
    + následující články

    Kromě neskutečné výdrže těchto přístrojů se v někteém s dílů píše i o spojení se zemí. O nepatrném výkonu jejich vysílačů a naprosto nepatrém signálu, který se ztrácí v šumu, o jeho příjmu pomocí DSN https://deepspace.jpl.nasa.gov/, o použití kvantového zesilovače…
    A aby nás sonda slyšela i když nemá žádné vymoženosti zesílení jako DSN, vysílá ne směrem na ní naprosto obrovským výkonem. Když jsem to četl v době vydání, šel mi z toho až mráz po zádech.

    Velmi zajímavé bylo také vyprávění o upgrade jejich palubního SW.
    Z dnešního pohledu primitivní počítač. Nejprve pokyny pro zajištění příjmu dat. Pak odeslání dat. Sonda musí všechno vypnout a nahrát nový SW. Pak se jen čeká, zda se vůbec ozve, zda najde správný směr antény ke slunci…

    V té době se občasník Gamma rozesílal mailem registrovaným čtenářům a Internet vypadal mnohem jinak, než dnes…

    • HM napsal:

      Trochu nerad čtu slova typu “z dnešního pohledu primitivní počítač.”
      Dnešní běžné počítače pracují na víceméně stejném principu, jen mají k dispozici mnohem více hrubé výpočetní síly a paměti. Pro orientaci v prostoru, automatizacké řízení, regulaci apod… nijak zvlášť výkonný hardware nepotřebujete. Mnohem důležitější je spolehlivost.

      Já ty tehdejší inženýry obdivuju, jak zatraceně dobře, flexibilně a nadčasově ty věci dokázali navrhnout.

  4. Je excelentní a opravdu velmi důležité, aby sondy Voyager fungovaly co nejdéle. Zkoumají totiž místa, kam se ještě hodně dlouho lidská sonda nedostane. A znalosti vlastností mezihvězdného prostoru (byť ještě v dosahu gravitačního vlivu Slunce, ale už bez vlivu jeho magnetického pole a slunečního větru) jsou důležité pro úvahy o budoucích mezihvězdných letech. Problém je, že k jiným přímým údajům o těchto místech se s vysokou pravděpodobností ještě dlouho nedostaneme. Lidstvo totiž ztratilo schopnost vyrábět radionuklidové zdroje, které jsou pro takové mise potřeba (podrobněji zde: http://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/sondy/Plutonium_Vesmir_final.htmhttp://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/sondy/Plutonium_Astropis.htm ). Proto je také velmi důležité, že se Evropa pustila do práce nad radionuklidovým zdrojem pro vesmírné aplikace na bázi americia 241. To má z našeho hlediska jednu velkou výhodu. Poločas rozpadu je 400 let (tedy pětkrát delší než u plutonia 238). Takž průzkum vzdálených oblastí může trvat ještě řadu dalších desetiletí déle (alespoň z hlediska zdroje energie). V poslední době se v tomto směru docela postoupilo: http://www.osel.cz/10261-evropa-na-ceste-k-radionuklidovym-zdrojum-pro-vesmir.html . Pokrok je znát v cestě za vesmírným jaderným reaktorem, což je další možnost. Ovšem v tomto případě je pro naše účely problém, že modely, které se vyvíjejí nebudou pracovat desítky let. Nejsou tak vhodné pro tyto dlouhodobé mise. Blíže o nových reaktorech: http://www.osel.cz/9897-zacnou-se-ve-vesmiru-konecne-vyuzivat-jaderne-reaktory.html . Přednáška o jaderných zdrojích nezbytných pro výboje k hranicím Sluneční soustavy je pak zde:

    .

    • Petr Šída napsal:

      Plutonium se v současnosti už vyrábí rychleji, než máte v článku a zásoba roste, plánuje se jak pro rover 2020, tak pro další sondy

      Informace najdete tady na fóru, nejnověji se to tuším diskutovalo v souvislosti s plánovaným dronem k titanu

      • Protože od odkazovaného článku uplynula už delší doba, tak se pochopitelně podařilo výrobu už zvýšit. Základním limitem jsou ovšem omezení dána ozařovacími možnostmi reaktorů, na kterých se plutonium produkuje. A bohužel ty výzkumné reaktory, které se pro to dají využít, mají velmi omezené možnosti pro ně. Zvýšení roční produkce z 80 g na 400 g nebo podobně nic moc radikálně nezmění. Pořád jsme ještě daleko od ročního maxima, které NASA v těchto podmínkách plánuje a které bylo i v tom odkazovaném článku zmíněno. A to je množství, které na sondu k hranicím Sluneční soustavy nestačí. S využitím vyčištěných zbývajících zásob pomocí nové produkce bude stačit možná na jednu misi (značná část kvalitních zásob už je v podobě nového marsovského vozítka, které se na Mars chystá). Celkově jsou zásoby 35 kg, pro marsovské vozítko už je vyčleněno necelých 5 kg. Připomínám, že sonda Cassini měla 33 kg tohoto radionuklidu. Pochopitelně lze udělat zdroj efektivněji a přístroje s menší spotřebou, ale pořad to vychází tak na jednu misi a těžko na větší sondu někam moc dál.

  5. v600 napsal:

    Kampak se ztratil můj příspěvek vložený sem ráno ?

    S odkazy do „občasníku Gamma“ o sonrách Pionner ?
    http://www.oranzovestranky.cz/gamma/view.php?cisloclanku=2006012603

  6. Hawk napsal:

    Mozna je uz nacase uvazovat o nove interstelarni sonde. Podle clanku nize muze dosahnout az 20 AU/rok, coz je oproti Voyagerum(cca 3,5 AU/rok) slusny rozdil. Technologicky jsme tez nekde jinde, miniaturizace, nizsi naroky na energeticke zdroje.

    Rozsahly clanek rozebira nove moznosti s vyuzitim nosice SLS a gravitacniho praku Jupiteru. Nova sonda by mohla dosahnout rychlosti vuci Slunci az 20 AU/rok.

    “There have been a variety of requirements and goals set for an Interstellar Probe over the course of the years. For the purposes of this study the goal is to be able to reach an asymptotic speed away from the Sun of ∼20 AU/yr. This is just under six times the speed of Voyager 1 (3.6 AU/yr) and about six times that of Voyager 2 (3.3 AU/yr), the fastest spacecraft to have ever left the solar system”

    https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576519303650

  7. frank napsal:

    mě se nejvíc líbí ten rozdíl v kontrolním stanovišti v Pasadeně 🙂

    Krásně je to vidět třeba v tomhle článku z roku 2015

    https://www.theguardian.com/science/2015/mar/15/voyager-1-and-2-space-journey-nasa

    nu a zde odkaz na jednu zajímavost

    https://www.caltech.edu/about/news/shaw-prize-astronomy-awarded-ed-stone

  8. Alois napsal:

    Dovolil jsem si zpracovat kosmické rekordy ve spojení s kosmickými sondami.
    A/ na LEO
    1/ Sputnik-1 – 1957 – Rusko – 900 km
    2/ Sputnik-2 – 1957 – Rusko – 1.600 km
    3/ Explorer-1 – 1958 – USA – 2.600 km
    4/ Vanguard -1 – 1958 – USA – 4.500 km
    B/ v Hillově sféře Země
    5/ Pioneer-1 – 1958 – USA – 128.000 km
    6/ Luna -1 – 1959 – Rusko – 590.000 km
    7/ Pioneer-4 – 1959 – USA – 660.000 km
    C/ ve Sluneční soustavě
    8/ Pioneer-5 – 1960 – USA – 36.000.000 km – 0,24 AU
    9/ Mariner-2 – 1963 – USA – 0,58 AU
    10/ Mars-1 – 1963 – Rusko – 0,71 AU
    11/ Mainer-4 – 1965 – USA – 2,32 AU
    D/ mezihvězdné sondy
    12/ Pioneer-10 – 1992 – USA – 53 AU
    13/ Voyager-1 – 2019 – USA – 146 AU
    POZN : V roce 1992 předstihl rychlejší Voyager Pionnera a jelikož je ze všech sond opouštějících Sluneční soustavu nejrychlejší, nemůže být dostižen. Kolem roku 2033, pokud bude ještě pracovat, překoná 200 AU. O Rekord ve spojení však může přijít pokud jej Voyager-2, nebo New Horizons výrazně a dostečně překonaly v

Zanechte komentář