NASA zebrała propozycje na nową misję Discovery

Trwa proces wyboru kolejnej amerykańskiej misji klasy Discovery, czyli międzyplanetarnej sondy badawczo-naukowej. Obecnie w trakcie ewaluacji przez NASA jest 28 wniosków.

Misje Discovery realizowane są przez sondy kosmiczne zaprojektowane w ściśle określonym celu, do wykonywania z góry ustalonych badań, i działające teoretycznie w przestrzeni do orbity Jowisza i Saturna. Wiele ze zgłoszonych projektów misji badawczych dotyczy tych samych obiektów. Te wyprawy w założeniach wyróżniają się wspólnymi cechami: wykorzystaniem silników jonowych (dostarczonych przez NASA), nowego systemu telekomunikacji, ultra-precyzyjnych zegarów atomowych oraz komponentów wytworzonych w technologii druku 3D.

28 złożonych wniosków dotyczy misji do różnych celów. Dedykowane są one różnym zadaniom, np. badaniom za pomocą teleskopów czy eksploracją satelitów Jowisza i Saturna. Warunek był taki, aby nie dotyczyły one Ziemi i Słońca. NASA zmieniła także zasady budżetowania względem ostatniego procesu selekcyjnego. Wnioskodawcy mogli zaproponować misję za maksymalnie 450 mln dolarów, bez uwzględniania kosztów operacyjnych prowadzenia projektu czy przygotowania do wystrzelenia. Poza zadanym limitem budżetu znajdować się mógł także potencjalny wkład partnerów spoza USA.

Ograniczeniem było również źródło energii dla proponowanej sondy – NASA nie przewiduje wykorzystania generatora radioizotopowego RTG. Obecne zapasy plutonu dla generatorów RTG mają być przeznaczone dla misji kolejnego łazika marsjańskiego. Alternatywnie oczekuje się na wznowienie produkcji plutonu w USA.

Z uwagi na odjęty od budżetu koszt operacyjnej obsługi proponowanej misji wnioskodawcy uzyskali szansę na zaproponowanie trwającej kilka lat wyprawy do bardziej odległych celów. Podkreśla się, że pierwszy raz w historii misja do zewnętrznego Układu Słonecznego możliwa jest przy budżecie wynoszącym 450 mln dolarów.

Misje w daleki Układ Słoneczny

Jedną z proponowanych misji byłaby wyprawa Io Volcano Observer, która przy wystrzeleniu z Ziemi w maju 2021 roku osiągnęłaby Jowisza w lutym 2026 roku. Sednem misji byłoby dziewięć przelotów w pobliżu księżyca Io, który jest niesłychanie aktywnym światem w naszym Układzie Słonecznym. Jeden z przelotów sondy wykonany by został nad aktywnym wulkanem o nazwie Pele.

Zdjęcie Jowisza oraz jego księżyca Io wykonane podczas przelotu w pobliżu przez sondę New Horizons w 2007 roku (w drodze do planety karłowatej Pluton) / Źródło: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Goddard Space Flight Center

Z uwagi na wielkość Jowisza siły pływowe działające na Io są ogromne. W czasie ośmioletniej misji sondy Galileo w pobliżu Jowisza zdołano doliczyć się 100 wulkanów na powierzchni. Naukowcy wysuwają przypuszczenie, że księżyc ten wygląda podobnie jak Ziemia z czasów dopiero po jej uformowaniu.

Proponowana sonda, wykorzystująca m.in. zaawansowany system do szybkiej komunikacji z Ziemią, zebrałaby około 900 razy więcej danych na temat Io niż misja Galileo. Za stworzenie projektu oraz prowadzenie operacji odpowiedzialna by była instytucja John Hopkins University Applied Physics Laboratory. Jeśli misja zostanie wybrana do realizacji to najprawdopodobniej będzie ona pracowała w systemie Jowisza w tym samym czasie co inna misja NASA, oraz jeszcze inna Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Wyrzuty materii, między innymi wody, z powierzchni Enceladusa „okiem” sondy Cassini / Źródło: NASA/JPL-Caltech/SSI

Inną bardzo ciekawą propozycją misji klasy Discovery byłaby sonda wysłana do systemu Saturna. W tym wypadku również rdzeniem projektu byłyby przeloty nad jednym z księżyców – mowa o znanym ze swoich aktywnych gejzerów Enceladusie. Misja o nazwie Enceladus Life Finder, zbudowana w ośrodku Jet Propulsion Laboratory, polegałaby na wykonaniu dziesięciu bliskich przelotów nad południowym biegunem.

Znajdująca się obecnie w systemie Saturna sonda Cassini wykryła aktywność geologiczną Enceladusa w 2005 roku. Miejsca wyrzutu gejzerów na powierzchni księżyca zidentyfikowane zostały w rejonach występowania charakterystycznych, lodowych kanionów, które nazwane zostały „tygrysimi pasami”. Sonda byłaby wyposażona w znacznie bardziej zaawansowane instrumenty niż te, znajdujące się na Cassini.

Misja Enceladus Life Finder poszukiwałaby sygnatur biologicznych w gejzerach, które składają się z wody, soli oraz cząsteczek organicznych. Dzięki tym zjawiskom można w zasadzie mówić o zachodzącym transferze potencjalnej zawartości podpowierzchniowych zbiorników księżyca w przestrzeń kosmiczną. Misja zbierająca próbki jest w ten sposób wyjątkowo łatwa do przeprowadzenia.

Cassini wykona jeszcze jeden przelot poprzez wyrzuty z Enceladusa pod koniec tego roku, jednak nie da się ukryć, że konieczna jest dedykowana misja, która przeprowadzi bardziej szczegółowe badania. Należałoby zebrać informacje o temperaturze potencjalnego podpowierzchniowego oceanu, stopniu zakwaszenia wody oraz ilości dostępnej energii na Enceladusie. Celem misji byłoby badanie aminokwasów i zweryfikowanie czy wykryty w wyrzutach metan nie został wytworzony przez organizmy biologiczne.

Obie opisane misje do zewnętrznego układu słonecznego są możliwe do przeprowadzenia dzięki zastosowaniu najbardziej wydajnych obecnie ogniw słonecznych. Jeszcze dekadę temu nie można było planować takich misji bez zagwarantowanego źródła energii niezależnego od ilości promieniowania słonecznego w rejonie badań. Stan technologii wymuszał nadawanie klasyfikacji „misji flagowej” (ang. flagship), wartych kilka miliardów dolarów, i wykorzystaniu np. generatora radioizotopowego (RTG). Teraz ta sytuacja się zmienia.

Pierwszą „jaskółką” postępu technologii w domenie słonecznych źródeł energii elektrycznej jest misja Juno do Jowisza, która dzięki trzem dużym panelom słonecznym zapewnia zasilanie dla instrumentów sondy. Obecność statków kosmicznych zbudowanych przez człowieka i obecnych w zewnętrznym Układzie Słonecznym skończy przed końcem dekady. Cassini zostanie skierowany do atmosfery Saturna, New Horizons przeleci w pobliżu Plutona oraz potencjalnie drugiego obiektu, a misja Juno zostanie zakończona.

Misje ku asteroidom i kometom

Oczywiście dalekie misje to nie jedyne złożone propozycje. Wśród zgłoszonych projektów na misję klasy Discovery znalazła się wyprawa do Psyche – asteroidy o średnicy około 240 km, która może się okazać pozostałością metalicznego jądra po protoplanecie z wczesnego Układu Słonecznego. Psyche wydaje się być odmiennym światem od tych znanych powszechnie w Pasie Asteroid pomiędzy Marsem a Jowiszem. Składa się niemal w całości z niklu i żelaza, tak jak jądro Ziemi.

Wizja artystyczna misji eksploracyjnej do asteroidy Psyche / Źródło: JPL/Corby Waste

W porównaniu do innych propozycji misja do Psyche mogłaby uchodzić za w pełni eksploracyjną. Nikt nigdy wcześniej nie widział metalowego świata i nie wiadomo dokładnie na co może natrafić sonda. Dotarcie do asteroidy zajęłoby około 5 lat, natomiast sam okres badań w pobliżu Psyche około jednego roku.

Komety również pozostają w strefie zainteresowań naukowców. Jedna z propozycji – CORE (Comet Radar Explorer) dotyczy zbadania komety Tempel 2 za pomocą radaru i zebrania informacji na temat wewnętrznej struktury. Poza tym wykonane zostałoby obrazowanie przy wykorzystaniu kamery oraz detektora termicznego. Start misji planowany by był na lipiec 2021 roku, a badania komety na 2026 rok.

Misje do Czerwonej Planety i jej księżyców

Jedną z misji w kierunku księżyców marsjańskich byłaby PADME, zbudowana na podstawie projektu platformy sondy księżycowej LADEE. PADME dokonałaby kilkunastu przelotów nad Fobosem i Deimosem, a potem wyszłaby z systemu Marsa i udałaby się w kierunku asteroidy. Źródło: NASA/Ames Research Center

Trzy propozycje dotyczą marsjańskich księżyców – Fobosa i Deimosa. Celem byłoby przede wszystkim poszukiwanie odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące pochodzenia tych zagadkowych obiektów. Misja PANDORA (Phobos and Deimos Origin Assessment) rozpoczęłaby się w lipcu 2020 roku. Czteroletni okres badań rozpocząłby się w sierpniu 2022 roku.

Z kolei misja MERLIN zakładałaby lądowanie na Fobosie w październiku 2024 roku i przeprowadzenie 90-dniowego okresu badawczego. Jedną z weryfikowanych hipotez byłoby pochodzenie tego księżyca z zewnętrznego Układu Słonecznego. Przed lądowaniem na Fobosie sonda wykonałaby kilka przelotów w pobliżu Deimosa. Wnioskodawcy zakładają możliwość odbycia po potencjalnym lądowaniu przemieszczenia się (wykonania skoku) w inne miejsce na powierzchni.

Same orbitery Marsa to oczywiście nie wszystko. Jedna z propozycji dotyczy także dedykowanego lądownika. Misja o nazwie Mars Icebreaker miałaby na celu lądowanie w obszarach polarnych Czerwonej Planety. Inicjatywa budzi słuszne skojarzenia z misją Phoenix. W tym wypadku również wykorzystano by platformę tego lądownika.

Misje do Wenus

Jednym z celów misji badawczych jest także oczywiście najbliższa Ziemi planeta – Wenus. Ostatnia misja NASA, w ramach której badano drugą planetę Układu Słonecznego, odbyła się w 1994 roku. Radar na orbiterze sondy Magellan pozwolił na kompleksowe mapowanie powierzchni. Z kolei europejska misja do tej planety – Venus Express – zakończyła się po ośmiu latach w zeszłym roku.

NASA zrezygnowała z kilku propozycji misji Discovery dotyczących Wenus ostatnim razem, wybierając wtedy realizację misji marsjańskiego lądownika InSight, którego celem będzie zbadanie aktywności sejsmicznej planety. Większość z proponowanych wenusjańskich misji zakłada dalsze mapowanie za pomocą radarów, dla których warstwy chmur planety nie stanowią problemu.

Laboratorium Jet Propulsion Laboratory (NASA) z USA zaproponowało koncepcję misji o nazwie VERITAS (Venus Emissivity, Radio Science, InSAR Topography and Spectroscopy). Sonda ta „prześwietliłaby” atmosferę Wenus i zobrazowała powierzchnię z orbity o wysokości 220 km za pomocą radaru działającego na paśmie X. Inną koncepcją takiej misji, opierającą się również o zastosowanie radaru, byłaby proponowana przez naukowców z kilku instytucji oraz inżynierów z Boeinga sonda RAVEN (Radar at Venus).

Ciekawą, nieco egzotyczną propozycją, jest misja VASE, której celem byłoby wypuszczenie platformy balonowej w górnej atmosferze Wenus oraz dodatkowo próbnika atmosferycznego. Celem próbnika w czasie 90-minutowej misji byłoby dokładne zbadanie pionowego profilu atmosfery Wenus. Dane przekazane by zostały poprzez platformę balonową, która funkcjonowałaby na wysokości około 55 km do dwóch tygodni, wykonując w tym czasie przynajmniej dwa okrążenia planety.

Misje na Księżyc

Z uwagi na rozwój technologii małych satelitów nie mogło zabraknąć propozycji zakładającej badanie wybranego obiektu przez całą konstelację. Za 200 mln dolarów, czyli niecałą połowę dostępnego budżetu, zaproponowano misję NanoSWARM, której celem byłby Księżyc.

W ramach powyższej misji w otoczenie naszego naturalnego satelity dostarczono by za pomocą „statku-matki” około 30 małych satelitów. Celem badań byłyby obserwacje interakcji Księżyca z wiatrem słonecznym, a także studiowanie natury zagadkowych zawirowań pola magnetycznego i monitorowanie zjawiska przenoszenia wody w bezpowietrznej atmosferze.

Inną misją księżycową, co do której nie ma jednak pewności, czy została zaproponowana do ostatniego naboru na misje Discovery, mogła być MARE (Moon Age and Regolith Explorer). Lądownik MARE miałby osiąść na jednym z ciemnych, młodych obszarów powierzchni, które tworzone są przez pola lawowe.

Misje dedykowane asteroidom NEO

Wreszcie wśród zgłoszonych propozycji znalazły się też dwie misje teleskopów kosmicznych. Jednym z nich byłby NEOCam (Near-Earth Object Camera), osadzony w punkcie libracyjnym L1 (równowagi grawitacyjnej). Celem tej misji byłaby identyfikacja dwóch trzecich obiektów potencjalnie zagrażających Ziemi, czyli asteroid NEO.

Wizja artystyczna sondy NEOCam oraz jej sensora / Źródło: NASA/JPL-Caltech

Wnioskodawcy misji NEOCam uzyskali już w 2010 roku od NASA grant na prace rozwojowe nad systemem obrazującym w podczerwieni. Wskazuje to na pewną dojrzałość projektu. Za budowę NEOCam odpowiedzialna by była firma Ball Aerospace. Drugą misją teleskopu kosmicznego, zbudowanego również przez wspomnianą wcześniej firmę, byłby Kuiper.

Kuiper miałby trafić po 2020 roku w inny punkt libracyjny – L2. W ramach trzyletniej misji obserwowane by były przede wszystkim gazowe giganty naszego Układu Słonecznego, ich księżyce (np. Europa, Io, Ganimedes czy Kallisto), a także obiekty tak odległe jak Pluton. Kuiper, wielkości połowy teleskopu Hubble, badałby atmosfery planet, rozlokowanie małych ciał w Układzie Słonecznym oraz ich powiązanie z wpływem grawitacyjnym największych obiektów.

Wybór kolejnej misji klasy Discovery przez NASA ogłoszony zostanie w przyszłym roku. Nowe zasady klasyfikacji kosztów pozwalają na uwzględnienie misji badawczych również do Jowisza czy Saturna. Taki wybór wiąże się jednak z większym ryzykiem niepowodzenia, zatem bardziej prawdopodobnym wydaje się wybór mniej skomplikowanej misji. Prawdziwą wartość poznawczą niesie ze sobą z pewnością misja do planetoidy Psyche. Wraz z misją PADME wydają się to obecnie najmocniejsze kandydatury.

(SFN, NASA)