V sobotu 2. októbra o 1:34 stredoeurópskeho času sa po dlhých troch rokoch letu konečne sonda BepiColombo priblíži k planéte Merkúr a preletí okolo nej vo vzdialenosti len 200 km. Ide pritom o prvý zo série šiestich plánovaných preletov, informovala TASR hovorkyňa Slovenskej akadémie vied (SAV) Katarína Gáliková.

Súčasťou vedeckého vybavenie sondy je komplexná časticová aparatúra SERENA a jej iónová kamera PICAM. K jej konštrukcii prispel košický Ústav experimentálnej fyziky SAV.

Jedným z odborníkov, ktorý sa priamo podieľal na konštrukcii tohto zariadenia je pán Ing. Ján Baláž, PhD., ktorý exkluzívne pre FonTech.sk poskytol mnoho zaujímavých informácií o tejto misii, ale i vesmírnom výskume na Slovensku.

Ing. Ján Baláž, PhD. sa zaoberá vývojom prístrojovej techniky pre vesmírne vedecké experimenty už desiatky rokov. Za ten čas sa podieľal už na 13 vesmírnych misiách a aktuálne pracuje na  misii číslo 14.

V rozhovore sa dozvieš:

• Ako funguje prístroj, na ktorom pracovali?
• Ako prebiehal vývoj zariadenia?
• Čo je potrebné pred štartom misie zvládnuť?
• Aké ďalšie plány má misia?
• Ako si vážia prácu vedcov na Slovensku?
• Kde spočívajú problémy vesmírneho výskumu na Slovensku?

Už pred vyše 10 rokmi sa začalo hovoriť, že k Merkúru poletí európska sonda, na ktorej sa budú podieľať aj Slováci. Dnes vieme, že sonda je súčasťou misie BepiColombo. Čo je úlohou tohto prístroja?

PICAM je súčasť väčšieho vedeckého komplexu s názvom SERENA. PICAM je skratka pre planetárnu iónovú kameru, čiže prístroj určený na detekciu iónov – nabitých častíc. Zariadenie bude po zachytení BepiColombo na orbite planéty Merkúr analyzovať ióny v určitom energetickom rozsahu.

Zariadenie ich delí podľa toho akú majú energiu, aké majú chemické zloženie, keďže je to ionizovaný atóm nejakého prvku, a taktiež to, z ktorého smeru prilietajú.

Čo nám tieto častice dokážu prezradiť?

Merkúr nemá atmosféru, ale exosféru, ktorá siaha od samotného povrchu až do vesmíru, a funguje ako transportné prostredie pre rôzne častice. Slnko bombarduje povrch Merkúru intenzívnym žiarením, ako röntgenovým, tak aj časticovým, pričom sa uvoľňujú ióny, dochádza k ionizovaniu povrchu a uvoľňovaniu atómov. Tieto častice potom odchádzajú exosférou do vesmíru, kde by ich malo analyzovať zariadenie PICAM. Týmto spôsobom sa bude určovať aj povrchové zloženie planéty.

Zariadenie má rozlišovaciu schopnosť do hmotnostné čísla 132, čo je xenón, a dokáže tak rozlíšiť o aké ióny sa jedná. Okrem toho bude monitorovaný aj slnečný vietor, ktorý prichádza zo Slnka, a s ktorým Merkúr a jeho magnetické pole interaguje.

Merkúr je veľmi zaujímavá a pomerne málo prebádaná planéta a to i napriek tomu, že tadiaľ prelietali už dve americké sondy. Teraz konečne planétu podrobne preskúmame a to dokonca pomocou dvoch sond súčasne.

Treba upozorniť, že misia BepiColombo má dve sondy, jednu európsku – planetárny orbiter, druhú japonskú – magnetosférický orbiter. Obe sondy zatiaľ letia spolu s tzv. transferovým modulom. K ich rozdeleniu dôjde až v roku 2025, kedy ich transferový modul dopraví do cieľovej destinácie, kde budú zariadenia lietať. Európsky planetárny orbiter bude v relatívne malej výške, niekoľko sto kilometrov, lietať nad Merkúrom.

Podľa dostupných informácií sa na vývoji PICAM-u podieľalo viac krajín, kto všetko na ňom pracoval?

Ide o misiu ESA a tam je aktuálne taký trend, že na jednej aparatúre sa podieľa pomerne veľa inštitúcií a ľudí. Tieto misie sú veľmi nákladné a vyžadujú si veľký počet odborníkov, to jedna inštitúcia nemá šancu obsiahnuť.

Náš ústav sa zvyčajne zaoberá elektronickými fyzikálnymi detektormi, v tomto prípade sme však mali len čiastkovú úlohu. Na PICAM-e pracovalo asi 6 – 7 inštitúcií z celej Európy, napr. Francúzi robili senzorovú časť, Nemci robili vysokonapäťovú časť, Rakúšania robili počítač, Maďari napájací systém. Nám sa ušla rola v oblasti mechanických štruktúr tohto prístroja. Spolu s rakúskym ústavom sme robili dizajn elektronického boxu.

Na čo tento box slúži?

Elektronický box má dve funkcie. Jednak sú v ňom integrované všetky elektronické moduly, ale taktiež slúži ako podporná štruktúra senzorovej časti, ktorá je dosť ťažká.

Na tento box boli veľmi prísne váhové limity, museli sme box urobiť tak, aby bol ľahký, no zároveň dostatočne pevný. Box bol vyrobený na Slovensku bratislavskou firmou Q-Products, my sme sa postarali o 3D dizajn v prostredí SolidWorks, ktorý sme jej odovzdali. Prvé čo firma spravila, bola pevnostná analýza, kde sa ukázali všetky slabiny, ale aj miesta, ktoré sú až príliš silné. Týmto spôsobom sa to všetko optimalizovalo až pokým sme nedošli k finálnemu boxu, ktorý bol dostatočne ľahký a pevný.

Na záver firma Q-Products vyrobila na moderných obrábacích strojoch všetky potrebné komponenty. Firma nám pomohla aj s ďalšími vecami, laserovými technológiami, popisom a označením rozličných častí a pod.

Všetko sa sfinalizovalo na ústave, odoslalo do Rakúska, kde sa celý prístroj integroval. Tam sa to všetko schádzalo, dával sa dokopy senzor, elektronika, moduly. Ako hovorím, bolo v tom zainteresovaných pomerne veľa krajín.

Ako prebiehajú testy zariadenia pred nasadením do misie?

Hovorí sa tomu kvalifikačné testy. Na to, aby vedecký prístroj mohol letieť do vesmíru, musí sa kvalifikovať.

Vo vesmíre na prístroj čaká viacero nástrah. Prvá je hneď pri štarte zo Zeme, pretože štart rakety je mechanicky veľmi namáhavý. Zariadenia trpia na silné vibrácie, akcelerácie, nárazy a bolo by veľmi smutné, keby sa prístroj pokazil už pri štarte. Nám sa to našťastie nikdy nestalo, ale máme nejaké nepriame skúsenosti z iných pracovísk, kde k takejto situácii už došlo.

Zariadenie teda treba pripraviť, kvalifikovať na vibrácie. To dokážeme aj na našom pracovisku. Disponujeme vibračným systémom, kde sa prístroj upevňuje na veľký vibrátor, ktorý si možno predstaviť ako veľký reproduktor s výkonom 5 kW.

Pri misii je vždy určené, aké asi veľké vibrácie tam budú, aká nosná raketa bude použitá a pod. Zadávateľ misie, ESA, teda povie, že tento prístroj musí vydržať v každej osi vibrácie s takým a takým spektrom, takou a takou hustotou, intenzitou a my to na základe toho musíme odsimulovať. Hluk čo pri tomto teste vzniká sa dosť podobá štartu rakety.

Okrem toho, vo vesmíre je vákuum, vzduchoprázdno oveľa väčšie ako dokážeme na Zemi dosiahnuť v našich vákuových komorách, ale taktiež extrémne teploty. Napríklad sonda, ktorá letí v tieni planét môže veľmi vychladnúť, v inom prípade na slnečnej strane môže dôjsť k jej prehriatiu. Takže v kvalifikačných testoch je definované aj to, aký teplotný rozsah vo vysokom vákuu musí prístroj vydržať.

Z tohto dôvodu sa robia tzv. termovákuové testy, na ktoré máme taktiež aparatúru. Ide o vákuovú komoru, ktorá disponuje chladením (dusíkové) a vyhrievaním (elektrické). V nej musíme dokázať, že prístroj vydrží predpísané rozpätie a počet cyklov, od určitých mínusových po určité plusové teploty.

Ďalším testom je elektromagnetická kompatibilita. Na sonde sa nachádza množstvo prístrojov a tie sa nesmú navzájom rušiť. Musí sa teda zistiť, či daný prístroj negeneruje elektromagnetické rušenie, jednak do napájacích a komunikačných vodičov a jednak do éteru.

Na druhej strane treba otestovať aj to, či prístroj nie je veľmi citlivý. Je potrebné mať definované úrovne, ktoré hovoria o tom, ako ten-ktorý prístroj môže byť citlivý na cudzie rušenie a aké rušenie prístroj nesmie generovať.

Ako je to s odolnosťou voči radiácii?

Samozrejme prístroj musí byť odolný aj voči radiácii. Vo vesmíre je kozmické žiarenie, ktoré je schopné poškodzovať rôzne komponenty, materiály a elektronické súčiastky. Z tohto dôvodu sa robí aj radiačná analýza.

Pri konštrukcii prístroja sa musia použiť komponenty, ktoré sú čo najviac odolné voči žiareniu, radiácii. Ide o drahé súčiastky, ktoré sú funkčnosťou úplne rovnaké ako bežné a lacné súčiastky za pár eur, pričom tieto stoja stovky, niekedy aj tisícky eur, len preto, že sú špeciálne kvalifikované do vesmíru a odolávajú žiareniu.

Toto sa testuje už ťažšie. Na našom pracovisku takéto vybavenie nemáme, robí sa to pomocou rádioaktívnych izotopov, alebo na nejakých urýchľovačoch. Robí sa aj teoretická analýza, ktorá hovorí o tom, aké komponenty boli použité, aká je hrúbka materiálov, ako je box hrubý, ako tieni, ako zoslabí kozmické žiarenie a pod.

Misia odštartovala 20. októbra 2018, po štarte preletela okolo Zeme a zamierila smerom k Venuši, kde na ňu čakali dva prelety. Stihlo sa počas týchto preletov otestovať aj zariadenie PICAM?

Testovanie nejaké bolo, ale tým, že to letí s transferovým modulom, tak nie všetky prístroje majú voľné zorné polia. Cele je to dosť zložito poskladané. Pokiaľ viem, tak PICAM bol testovaný, ale k nejakým zaujímavým dátam som sa nedostal. Napokon aj prelet okolo Venuše bol pomerne krátky a s dosť veľkej vzdialenosti.

Priznám sa ale, že som sa až tak extra o to nezaujímal. Z hľadiska funkčnosti však prístroje sú testované periodicky, takže PICAM aj celá SERENA sú v poriadku a neviem o žiadnom prístroji na palube, ktorý by mal nejaké problémy.

Ako je na tom misia teraz, v akej fáze sa nachádza?

Aktuálne ide o prvý prelet popri planéte Merkúr. Kedysi pán Giuseppe „Bepi“ Colombo matematicky ukázal ako letieť na Merkúr a na jeho počesť je aj táto misia pomenovaná. Mimochodom dnes (2.10.) by pán Colombo oslávil 101. narodeniny.

Reálne tam letieť je ale dosť zložité. Vo vesmíre je v podstate skoro jedno či zrýchľujeme, či brzdíme, pretože je potrebné vždy udeliť nejaký impulz a na to spotrebovať nejaké palivo. Sonda má tiež dosť zložitú trajektóriu, využíva preto chemické motory, ale i tie iónové, ktoré sú zároveň najsilnejšie, aké boli do vesmíru vyslané. Hoci názov iónový motor môže pôsobiť impozantne, reálne ide o veľmi slabý motor. Jeho ťah je asi taký, ako je váha jedného listu papiera formátu A4, ale pôsobí celé roky, čím sa účinok týchto motorov kumuluje.

Výhodou iónových motorov ale je, že energiu získavajú zo Slnka pomocou solárnych panelov. Pravda, relatívne ťažké xenónové ióny, ktoré taký motor urýchľuje, si sonda musí viezť so sebou zo Zeme.

Keďže sonda letí smerom k Merkúru, potrebujeme ju brzdiť. Tým, že sa približuje bližšie k Slnku, padá a je zrýchľovaná. Prostriedkami, čo máme, ju jednoducho nedokážeme ubrzdiť, a tak sonda teraz okolo Merkúru presviští veľkou rýchlosťou.

Z tohto dôvodu sa používajú gravitačné asistencie. Každý prelet, ktorý sonda urobila okolo Zeme a Venuše, určitým spôsobom sondu spomaľoval. Týmto spôsobom sa sonda približovala k Merkúru, kde bude opäť spomaľovaná ďalším preletom.

Aktuálny prelet je teda gravitačnou asistenciou, ktorá upraví trajektóriu sondy tak aby sa stále viac a viac približovala k orbite Merkúru. Na to treba však ešte 5 ďalších preletov. Tento dnešný je prvý zo šiestich preletov, ktoré sonda musí vykonať okolo Merkúra. Napokon v decembri 2025 by sonda mala mať takú rýchlosť, že sa dokáže zachytiť na orbite okolo neho. Na tieto korekcie potom už budú stačiť chemické a iónové motory.

Čo sa bude diať po tomto dátume?

V roku 2025 sa sonda zachytí na orbite okolo Merkúru, rozdelí sa na 3 časti. Japonský magnetosférický modul Mio bude lietať na excentrickej orbite a po takmer kruhovej orbite, v relatívne malej výške nad povrchom bude lietať európsky modul.

Spustia sa naplno všetky vedecké experimenty, prístroje, bude sa skúmať samotný Merkúr, ale i jeho interakcia s prostredím v ktorom sa nachádza.

Spomínali ste, že je tam reálne dosť náročné letieť, kde je najväčšie úskalie?

Tým, že Merkúr sa nachádza blízko Slnka, je tam dosť ťažké letieť, pretože je tam veľmi silné gravitačné pôsobenie Slnka. Je tam tiež veľmi teplo, pri návrhu PICAM-u bol tepelný režim jedna z najzložitejších a najdôležitejších otázok. Vzhľadom na vzdialenosť Merkúru od Slnka, je tam asi 10-krát intenzívnejšie žiarenie ako máme tu. Solárna konštanta u nás je približne 1300 W/m², pri Merkúre je to aj cez 10000 W/m².

Keďže sonda je doslova v pekle, naša senzorová časť prístroja, ktorá vyčnieva, je pokrytá zrkadielkami, tzv. solárnymi reflektormi, ktorých úlohou je odraziť čo najviac slnečného žiarenia a zároveň vyžiariť čo najviac tepla v infračervenej oblasti.

Všetky prístroje budú v podstate skúmať planétu Merkúr. Nás najviac samozrejme zaujíma PICAM, ktorý bude analyzovať ióny, ich smer, zloženie, energie, hmotnosť a pod. Analýza týchto dát však nie je moja parketa, na to sú tu iní špecialisti.

Ústav experimentálnej fyziky SAV bol súčasťou už niekoľkých veľkých vesmírnych misií. Ako vnímajú vašu prácu na Slovensku, dostávate podporu úmernú úspechom?

Veľmi nie. Ako sa vraví, doma nikto nie je prorokom. Sporadicky sa niečo medializuje, ale odozvy sú minimálne, Slovákov zaujímajú iné veci. Samozrejme teraz v súvislosti s COVIDom sú v popredí ľudia z biomedicínskych vied a nie z tých fyzikálnych.

Veľký záujem tu jednoducho nie je, nemožno vôbec hovoriť o „masovom športe“. Už sme si ale na to zvykli.

Cestujeme aj do zahraničia, alebo sme aspoň cestovali kým nebol COVID a podpora vedy je tam na úplne inej úrovni. Stačí sa pozrieť na Škandináviu, ale samozrejme aj iné európske krajiny. O Spojených štátoch ani hovoriť nebudem, s nimi však od nás pracujú väčšinou len teoretici, NASA si vystačí aj sama so svojimi misiami. S USA sme v oblasti kozmickej techniky nikdy priamo nepracovali, ale pracovali sme s Rusmi, ESA a jeden projekt máme aj s Čínou.

V čom vidíte problém?

V poslednej dobe sa to zlepšilo najmä s prístupovým procesom k Európskej kozmickej agentúre. Teraz prebieha ešte tzv. PECS (pozn. redakcie: Plan for European Cooperating States), takže sme iba spolupracujúca krajina s ESA, chceli by sme ale prejsť na vyšší level tzv. asociované členstvo s ESA. Kedy bude plné členstvo zatiaľ nevieme.

Všetky okolité krajiny ako Poľsko, Česko, Rakúsko, Maďarsko, Rumunsko sú už plnými členmi ESA, to znamená, že platia vyššie členské, ale môžu aj viac čerpať. Na Slovensku je problém ten, že nemáme dostatočnú infraštruktúru, náš ústav je dosť ojedinelý a ESA ide za tým, aby priemysel danej krajiny bol schopný konkurovať iným krajinám.

Vzhľadom na to, že celý trh je dosť obsadený technologicky vyspelejšími krajinami ako Nemecko, Francúzsko, Anglicko, ktoré v tendroch ľahšie získavajú zákazky na vesmírne systémy, Slovensko by malo problém im konkurovať. Zatiaľ sa preto ani nehrnieme do plného členstva, pretože by sme dopadli tak, že by sme platili vysoké členské, ale naspäť na Slovensko by sa toho veľa nevrátilo.

Česko v tejto oblasti „slušne šľape“, oni pre ESA dodávajú všetko, od ťažkého hardvéru na kozmodróm, až po vedecké prístroje a rôzne vesmírne komponenty. Na Slovensku sa to zatiaľ všetko len rozbieha. Najnovšie vznikla kozmická kancelária pri agentúre SARIO, ktorej úlohou je kozmické aktivity na Slovensku efektívne koordinovať.

Boli tu tiež všelijaké turbulencie v súvislosti s prvým slovenským satelitom, ktorý, aspoň pre nás, vyznieval paradoxne, pretože už 50 rokov posielame do vesmíru aparatúry a potom sa zrazu zjavila prvá slovenská družica, okolo ktorej bol strašný mediálny povyk, ako keby to bolo neviem čo a vo svete pred nimi do vesmíru letelo tuším viac ako 700 CubeSatov.

Pozitívne na tom bolo to, že oni nejako prelobovali, aby Slovensko vôbec začalo komunikovať s ESA, pretože to vôbec nebolo v oblasti záujmu našich politikov. Z akademickej obce sme sa občas nechávali mediálne počuť, že by bolo dobré, aby sa Slovensko integrovalo do ESA, ale bolo to ako hádzanie hrachu na stenu.

My sme vždy leteli na cudzích satelitoch, či už ruských, európskych, alebo čínskych. Nestarali sme sa teda o tú administratívnu a propagačnú stránku satelitu. Oni to nejako dali do popredia a rozhýbali Slovensko k tomu, aby sa k ESA aspoň začalo približovať, takže v tejto oblasti si určite zaslúžia uznanie.

Je o prácu na vesmírnych misiách a konštruovaní rôznych súčastí na Slovensku záujem?

Máme mladých kolegov, ktorí sa snažia študentov podchytiť, záujem je, ale nie je to nič masové. Mladí snažia do toho vnášať aj veľa informatiky, umelú inteligenciu, deep learning a pod. Často je to odkázané na to, že získajú určité dáta z nejakého satelitu a potom v tých dátach hľadajú niečo zaujímavé, čo si človek nemusí všimnúť, ale dobre natrénovaná inteligencia to dokáže vydolovať.