hirdetés
hirdetés

Űrkutatás

A kíváncsiság hajtóereje

Egy Mars-járó űrszonda megtervezése, elkészítése, tesztelése és célba juttatása évtizedes munka eredménye. A nagyívű projekt a kutatók mellett a tervezőmérnököknek is páratlan alkalmat ad ismereteik bővítésére – a szakmát új utakra vihetik, amiből nemcsak az űrkutatás, hanem más iparágak is profitálnak.

hirdetés

A fejlesztés egy űrszonda esetében is az ötlettel indul. A kutatók körvonalazzák, hogy a leendő Mars-járóval milyen vizsgálatokat szeretnének végezni, mely területeken bővítenék az eddigi ismereteiket, illetve melyek lennének az újak, amelyekre kiterjesztenék a kutatást. Ugyanakkor a tervezőmérnökök is elkészítik kívánságlistájukat, mivel minden újabb projektben szeretnének előrelépni, fejlettebb űrszondát tervezni, ezáltal közelebb kerülni a távoli célhoz, az ember Marsra juttatásához.

– A tudományos és mérnöki igényeket a NASA összesíti, majd a hivatal különböző csoportjai hozzálátnak a tervezéshez, amely a munkának ebben a szakaszában még kimondottan alapszintű – mondta dr. Kereszturi Ákos kutató, az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont munkatársa. – Meghatározzák például, hogy a kutatási célok alapján milyen típusú műszereket kell majd a szondának magával vinnie, mennyire kell mobilnak lennie a tervezett, felszíni műveletek elvégzéséhez, mekkora adatmennyiséget kell tárolni, illetve a Földre továbbítani, és mindehhez mennyi energiára lesz szükség. A követelmények alapján elkészül az első, vázlatos terv, amely többek között megadja a leendő űrszonda várható tömegét is. Fontos paraméter ez, melynek alapján kiszámítható, hogy mennyi energiára lesz szükség a Mars-járó célba juttatásához és a leereszkedést követően a tervezett vizsgálatok, kísérletek elvégzéséhez. Ennek alapján eldönthető, hogy a szonda napelemeket vagy miniatűr atomreaktort kapjon, és az is, hogy miként tehető le a Mars felszínére.

Komplex követelmények

A fékezőrakétákon légidaruval leeresztett Curiosity Mars-járó képe élénken él emlékezetünkben, ez volt az eddigi legösszetettebb megoldás ebben a műfajban. A mérnököknek ugyanis módot kellett találniuk arra, hogy az eddigi legfejlettebb Mars-járót biztonságosan, mégis költséghatékonyan juttassák a bolygó felszínére, méghozzá annak egy előre meghatározott pontjára.

– A korábbi megoldások ugyanis a Curiosity esetében nem működtek volna. Az űrszonda nagy tömege és kifinomult műszerei miatt a teljes egészében fékezőrakétákkal végzett alászálláshoz olyan védőburkolatra lett volna szükség, amely tömege folytán aránytalanul megnövelte volna a projekt költségeit – mutatott rá Kereszturi Ákos. – Az sem jöhetett számításba, hogy a Curiosityt légzsákokkal körülpárnázva dobják le a felszínre, mint néhány elődjét. A bonyolult műszerek könnyen megsérülhettek volna, és ilyenkor a landolás helye is bizonytalan, mert az űrszonda olyan, mint az eldobott kő, ki tudja, hol áll meg… Ezért született meg a légidarus megoldás, amely lehetővé tette a védőburkolat elhagyását és az űrszonda precíz talajra tételét.

A tervezőmérnökök is elkészítik kívánságlistájukat, mivel minden újabb projektben szeretnének előrelépni
A tervezőmérnökök is elkészítik kívánságlistájukat, mivel minden újabb projektben szeretnének előrelépni

A költség, a küldetés végrehajtására rendelkezésre álló pénzügyi keret ugyanis kényszerítő hatású. Amint ismeretessé válik az elkölthető összeg, megkezdődik a kompromisszumok keresése. A korábbi küldetések során gyűjtött adatok és tapasztalatok alapján pontosan meghatározható, hogy egy adott tömegű szonda melyik hordozórakétával bocsátható fel, és célba juttatása mennyibe kerül. A kutatócsoportok egymással versengve csökkentik műszereik tömegét és energiafogyasztását, hogy ne maradjanak le az űrszondáról, a tervezőmérnökök pedig igyekeznek a legtöbbet kihozni a legkevesebből.

– A projekt a minden részletre kiterjedő tervezés és megvalósítás szakaszába lép. Véglegesítik a követelmények listáját, az űrszonda tömegét, és azt is meghatározzák, hogy milyen fajta területen fog leszállni, a vörös bolygó egyenlítőjének vagy valamely pólusának a közelében – folytatta a kutató. - Szintén fontos paraméterről van szó, mert ennek alapján adható meg, hogy menyire szélsőséges napi hőmérséklet-ingadozással kell számolni. A szonda tervezett élettartamából és mobilitásából kiindulva dől el, hogy milyen energiaforrást kap. Egy alacsony szélességi fokon, három hónapig működő szondának legfeljebb mínusz 80 fokot kell tolerálnia, meredek szögben kapja a napfényt, és ilyen rövid idő alatt a napelemek elszennyeződése sem valószínű. Egy sokkal hosszabb élettartamra tervezett, nagyobb és mobil Mars-járóba viszont valószínűleg miniatűr atomreaktort kell építeni. Ha a tervezett kísérletek között akad olyan, amely hosszabb időn keresztül változatlan körülmények biztosítását igényli, akkor a szonda vagy egy részének fűtését is meg kell oldani.

Extrém rendszerek

Az űrszonda és a fedélzetére kerülő műszerek tervezéséhez mind a mérnökök, mind a kutatók merítenek a korábbi küldetések tapasztalataiból, a különböző előtanulmányokból és a valamilyen okból leállított projektek során készült tervekből. Ritkaságszámba megy, hogy egy mechanikai megoldást, pl. felfüggesztést vagy műszert üres lapról indulva terveznek meg.

– A Curiosity esetében a drótköteles aláereszkedés mellett ilyen kihívás volt például a robotkar megtervezése, amely az ún. kontakt műszereket mintavételezés céljából a Mars kőzeteihez odatartja – mondta Kereszturi Ákos. – Ha belegondolunk, milyen lehet lyukat fúrni a falba kinyújtott karral tartva a kézifúrót, akkor jobban megértjük a feladat nehézségeit. Azonban míg az építőanyag keménységét ismerjük, addig a Mars kőzeteinek összetételét, szilárdsági fokát vagy porózusságát illetően, egy skálán persze, de csak találgathatunk.

Ezért olyan robotkart kellett tervezni, amely alátámasztás nélkül és a mintavételezett kőzet keménységétől függetlenül szilárdan tartja a kontaktműszert, a fúrást követően a mintát ki tudja venni, azt aprítja, ha szükséges, és az űrlabor mérőegységeibe juttat belőle, amelyekben a különböző kísérletek folynak. A bonyolult műveleteket végző Mars-járót és műszereit ráadásul rendkívül robusztusra kell tervezni, hogy a meghibásodás kockázata a lehető legkisebb legyen. A fennakadások azonban nem küszöbölhetők ki teljesen, ezért a szondát alkalmassá kell tenni arra, hogy az előre nem látott helyzeteket kezelni tudja, és visszatérjen a normális működéshez – méghozzá önállóan, mert a Föld és a Mars közötti távolság nem teszi lehetővé a valós idejű távvezérlést.

Kereszturi Ákos, az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont kutatója egy sarkvidéki szimulációs teszt során
Kereszturi Ákos, az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont kutatója egy sarkvidéki szimulációs teszt során

– A problémák elhárításában a Mars-járó fedélzeti számítógépe, egy nagyfokú autonómiával bíró, extrém rendszer játssza a kulcsszerepet – fejtette ki a kutató. – Ezt a számítógépet eljárásrendek beprogramozásával még a Földön felkészítik a lehető legtöbb meghibásodás vagy más vészhelyzet kezelésére. Így tudni fogja, hogy mit tegyen, ha a robotkar fúrója beszorul, a kőzetminta elakad a mérőegység felé vezető úton, vagy a működést más körülmény akadályozza. Végső esetben hibaleírást küld a Földnek, és megvárja, amíg utasítást kap az irányító központtól.

Az űrszonda számítógépe abban a tekintetben is különleges, hogy a Mars felszínén erős a részecske-, azaz radioaktív sugárzást, sőt annak szélsőséges ingadozását is tolerálnia kell. Egy napkitörés következtében a részecskesugárzás rendkívüli mértékben felerősödhet, amitől a processzorok megbolondulnak. Ilyenkor a számítógép újraindítja magát, majd a Mars-járót, és ami külön figyelemre méltó, a folyamatban levő kísérletek szálait is felveszi. A tavaly ősz óta eltelt évben a Curiositynek is meg kellett tennie ezt egy ízben. Jóllehet egy Mars-járó számítógépe sok mindenre képes, amire a legtöbb kereskedelmi forgalomban kapható számítógép nem, a feladatok, amelyeket el kell látnia, olyan összetettek, hogy ha a szükséges funkciókat a fejlesztők egyetlen szoftverben próbálnák megvalósítani, a program túlságosan összetetté válna.

Ezért a Mars-járó több szoftvert használ, és azokat a feladatok függvényében telepíti. A leszállást követően a beüzemelést végző programra például a későbbiekben már nem lesz szükség, így azt eltávolítja, és más szoftvert telepít, amelyet vagy magával vitt, vagy a Földről sugároznak utána. Egy Mars-küldetés indításáról hozott döntéstől az űrszonda felbocsátásig tíz év is eltelik a tervezéssel, a gyártással és a teszteléssel. A hihetetlenül összetett projekt megvalósítását fejlett szoftverek segítik.

A Curiosity űrszonda mechanikus részeit a NASA Jet Propulsion Laboratory például a Siemens NX PLM szoftverplatformján tervezte, amely teljesen integrált CAD/CAE/CAM funkciókkal, szerkezeti modellezéssel és szimulációkkal, valamint csoportmunka-támogatással segítette a mérnökök munkáját. – A korábbi tervek, megoldások felhasználásával a 10 éves átfutás négy-hat évre rövidülhet, elsősorban a Föld-körüli pályára kerülő, egyszerűbb műholdak felbocsátását célzó projektek esetében – tette hozzá Kereszturi Ákos. – Egy Mars-járó megtervezése, legyártása és célba juttatása azonban annyira összetett feladat elé állítja a kutatók, a mérnökök és a szállítók népes táborát, hogy a megvalósítás jellemzően egy évtizedbe telik.

Nemzetközi együttműködés

A minden részletre kiterjedő tervezés és a gyártás, a megvalósítás szakaszában a NASA partnerei, beszállítói is közreműködnek. Azok a vállalatok, amelyek elnyernek egy-egy megbízást, jellemzően a gazdaság meghatározó szereplői, vagy azzá válnak, mert az űrkutatás területe a lehető legjobb referenciának számít. Ez nem véletlen, a legkisebb tévedés is kudarcra ítélheti a több tíz- vagy százmillió dollárba kerülő küldetést, ezért a hibázásnak itt nincs helye.

– A NASA Mars-kutatással összefüggő projektjeiben jellemzően egyesült államokbeli szervezetek vesznek részt, az űrkutatási hivatal háttérintézményei, amelyek között gazdasági szervezetek, vállalatok is találhatók – mondta a kutató. – Partnerkörükből további kutatóközpontok és cégek is bekapcsolódhatnak a munkába, de alapvetően mindez nemzeti keretek között marad. Az űriparban rendkívül fontos a bizalom és a hitelesség, a szereplők közé nagyon nehéz bekerülni.

Arra is akad példa, hogy a NASA külföldi partnert, például űrkutató ügynökséget hív meg a projektbe, de jellemzően azért, mert az adott szervezet olyan speciális műszert fejlesztett, amilyet az Egyesült Államokban még senki nem készített. Közvetett módon azonban tudományos munkájukkal a magyar kutatók is hozzájárulhatnak a Mars-expedíciók sikerességéhez. Az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpontjának munkatársai például egy európai uniós támogatással megvalósuló projekt keretében ún. Mars-analógia-kutatást fognak végezni Izlandon.

– Az eddigi Mars-szondák jóvoltából óriási adatmennyiség áll rendelkezésünkre, amelynek feldolgozásába a nemzetközi tudóstársadalom is bekapcsolódik, azonban számos jelenség jobb megértéséhez további kutatás szükséges – mutatott rá Kereszturi Ákos. – Ilyenkor analóg folyamatokat keresünk a Földön, amelyeket közvetlenül tanulmányozhatunk. Mi ezúttal infravörös spektrométerrel vizsgáljuk majd a szigetországban, hogy az alacsony hőmérsékleten málló bazalt miként változtatja színképét. Az európai űrkutatási ügynökség, az ESA 2018-ban tervezi útjára indítani ExoMars Rover űrszondáját, amely első ízben fog 2 méter mélyre fúrni a vörös bolygón.

Összehasonlításképp a Curiosity fúrásmélysége 7 centiméter. A két adat közötti különbség is érzékelteti, hogy milyen kihívásokat és lehetőségeket tartogat minden újabb Mars-küldetés a kutatók és a tervezőmérnökök számára. Európai űrkutatási projektről lévén szó, a magyar szakemberek is bekapcsolódhatnak az új technológiák és megoldások kifejlesztésébe. Az együttműködés már az eddigiekben is szorosabb lehetett volna, Magyarország azonban még mindig nem ESA-tag. Egy idei kormányrendelet értelmében most indították el a csatlakozás folyamatát, így a jövőben remélhetőleg jobban kiaknázhatjuk majd az űriparban kínálkozó lehetőségeket.

Kereszturi Ákos a 2000-es évek közepétől három olyan, részben a NASA által szponzorált expedícióban is részt vett, amely a Földön, de a Mars felszínén uralkodó körülményeket idéző helyszíneken vizsgálta azokat a logisztikai és technológiai megoldásokat, műszereket, amelyek a jövőben hatékonyan segíthetik a vörös bolygóra látogató űrhajósok munkáját. – Távoli jövőről beszélünk, az ember Marsra juttatása jelenlegi ismereteink mellett ugyanis 30 éves felkészülést követelne – világított rá a kutató. – A mostani gazdasági környezetben sem az Egyesült Államok, sem Oroszország, sem az Európai Unió nem tudna következetesen finanszírozni egy több évtizedes projektet. Éppen ezért sokan úgy vélik, hogy a Marsra kínai űrhajósok léphetnek majd elsőként.

Kis Endre
a szerző cikkei

hirdetés
Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
hirdetés
hirdetés
hirdetés

Kiadónk társoldalai

hirdetés