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.

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 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.

– 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.