Kosmonautika XVII - Cíl mise: Merkur

Planeta Merkur je druhou nejmenší planetou sluneční soustavy. O její existenci věděli již staří Sumerové před více než 5 000 lety a zmínka o ní je i ve slavném Eposu o Gilgamešovi [1]. Ze Země je však Merkur obtížně pozorovatelný, protože je malý a od Slunce se příliš nevzdaluje (maximální elongace je v rozmezí 18° a 28°). Významným zlomem v poznání Merkuru byla mise americké sondy Mariner 10, která v letech 1974 a 1975 Slunci nejbližší planetu zkoumala. Na dlouhá léta, ba desetiletí, však zájem o Merkur opadl. Vše se změnilo 3. srpna 2004, kdy ke své misi odstartovala americká sonda MESSENGER (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging).

Obr. 1: Planeta Merkur na složeném snímku pořízeném americkou sondou Mariner 10 [8].

Obr. 2: Kompletní sonda MESSENGER je připravena k montáži na nosnou raketu Delta 7925H [9].

Obr. 3: Sonda MESSENGER přilétá k planetě Merkur, kterou bude po dobu jednoho roku studovat [10].

Obr. 4: Průběh cesty sondy MESSENGER k první planetě sluneční soustavy Merkuru [11].

Co o první planetě sluneční soustavy vlastně víme? Merkur obíhá kolem Slunce po velmi eliptické dráze se střední vzdáleností 57,9 mil. km (minimální je 46 mil. km a maximální 70 mil. km). Doba oběhu je 88 dní a Merkur je tak „nejrychlejší“ planetou sluneční soustavy s průměrnou rychlostí oběhu 48 km/s. Kolem vlastní osy se Merkur otočí jednou za 59 pozemských dní. A protože je rotace planety kolem vlastní osy pomalá a rychlost oběhu kolem Slunce poměrně vysoká, dochází k zajímavému jevu. Jeden den na Merkuru (od poledne do poledne) trvá 176 pozemských dní, což jsou dva merkurovské roky. Vlastní planeta má průměr 4 878 km a je tedy o něco větší než náš Měsíc. Merkur má s Měsícem společný i svůj vzhled. Je poset nespočetným množstvím kráterů jak starých, tak i relativně mladých, z nichž největším je Caloris Basin o průměru 1 350 km [2]! Merkur má však mnoho společného také se Zemí. Řadí se do skupiny tzv. terestrických (Zemi podobných) planet, které mají pevný povrch složený z hornin (především křemičitanů). Jejich hmotnost a objem je menší než u plynných planet, ale mají větší hustotu (od 3,93 g.cm^-3 u Marsu po 5,52 g.cm^-3 u Země) [2]. U Merkuru byla zjištěna také tenká atmosféra obsahující vodík, kyslík, sodík, helium, krypton a stopy dalších prvků a sloučenin. Bylo objeveno také magnetické pole, které je asi 100krát slabší než má Země, což nasvědčuje tomu, že část železného jádra je roztavená. Mnoho z těchto údajů bylo zjištěno z pozemských pozorování nebo z výsledků, které přinesla sonda Mariner 10 při svých průletech kolem Merkuru v březnu a září 1974 a při posledním průletu v březnu 1975. Je však mnoho otázek, které čekají na odpověď. Tu by mohla přinést mise americké sondy MESSENGER v hodnotě 427 mil. USD.

Sonda je tříose stabilizovaná a má rozměry 1,42 x 1,85 x 1,27 m [3]. Pohonný systém tvoří hlavní motor (LVA – Large Velocity Adjust thruster) a 16 pomocných motorků. LVA spaluje kombinaci hydrazinu a oxidu dusičitého a vyvine tah 660 N. Pomocné hydrazinové motorky zastávají několik funkcí. Čtveřice o tahu 22 N slouží ke stabilizaci sondy v průběhu funkce hlavního motoru. Zbylých 12 motorků o tahu 4,4 N se využívá k drobným korekcím a ke stabilizaci. Zdrojem elektrické energie jsou dva solární panely o rozměrech 1,5 x 1,65 m. Během letu se bude jejich výkon pohybovat v rozmezí 385 až 485 W, v blízkosti Merkuru pak dosáhne 600 W. V případě nutnosti lze docílit výkonu až 2 kW. Při přeletech nad odvrácenou stranou Merkuru zajistí dodávku elektrické energie dobíjecí akumulátor o kapacitě 23 Ah. Protože se sonda bude pohybovat v blízkosti Slunce, je ji potřeba chránit před jeho účinky pomocí sluneční clony (štítu) o rozměrech 2,5 x 2 m. Čelo a boční strany chrání speciální keramická tkanina Nextel, vnitřní stranu izolace z Kaptonu. Teplota clony dosáhne u Merkuru (na přivrácené straně ke Slunci) teploty až 370°C. Sonda však bude pracovat v „příjemné pokojové teplotě“ 20°C, což umožnilo konstruktérům použít „běžné“ elektronické součástky místo speciálních pro vysoké teploty. Komunikace se sondou probíhá v pásmu X (8 GHz) [4] za pomoci komunikačního systému obsahujícího dvojici antén s vysokým ziskem, dvojici se středním ziskem a čtyři všesměrové antény. Rychlost přenosu dat se pohybuje od 9,9 b/s do 104 kb/s, povely se přenášejí ve stejném pásmu rychlostí 7,8 – 500 b/s [5].

MESSENGER nese na své palubě sedm vědeckých přístrojů, které mají v první řadě za úkol zmapovat povrch celého Merkuru, povahu jeho magnetosféry a tenké atmosféry. Přístrojové vybavení sondy (podle [5]):

MDIS (Mercury Dual Imaging System)
Hmotnost: 7,9 kg
Maximální příkon: 10 W
Vývoj: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Obsahuje dvě CCD kamery, jednu širokoúhlou se zorným polem 10,5° a jednu teleskopickou se zorným polem 1,5°. Širokoúhlá kamera obsahuje 12 filtrů, přes které lze pozorovat povrch Merkuru ve vlnových délkách od 400 po 1 100 nm (viditelná a blízká infračervená oblast). Multispektrální snímky z této kamery pomohou vědcům určit různé druhy hornin na povrchu Merkuru. Teleskopická kamera bude schopna pořizovat detailní černobílé snímky povrchu s maximálním rozlišením 18 m (u Marineru 10 to bylo 100 m).

GRNS (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer)
Hmotnost: 13,1 kg
Maximální příkon: 23,6 W
Vývoj: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Obsahuje dva spektrometry – gama a neutronový, s jejichž pomocí se budou získávat informace o chemickém složení Merkurovy kůry. První spektrometr detekuje gama záření, které vyzařují jádra atomů na povrchu Merkuru při dopadu kosmického záření. Umožňuje zjistit přítomnost vodíku, hořčíku, křemíku, kyslíku, železa, titanu, sodíku a vápníku, dále pak přirozených radioaktivních prvků jako je draslík, thorium a uran. Neutronový spektrometr detekuje rychlé, termální a epitermální neutrony, slouží k detekci vodíku a jiných prvků s nízkým protonovým číslem.

XRS (X-Ray Spectrometer)
Hmotnost: 3,4 kg
Maximální příkon: 11,4 W
Vývoj: Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Rentgenový spektrometr detekuje záření vyvolané dopadem rentgenového záření ze Slunce na povrch Merkuru. Energetický rozsah XRS je 1 – 10 eV a je schopen registrovat přítomnost hořčíku, hliníku, křemíku, síry, vápníku, titanu a železa. Úzké zorné pole (12°) eliminuje možnost ovlivnění detekce rentgenovým zářením hvězdného pozadí.

MAG (MAGnetometer)
Hmotnost: 4,4 kg
Maximální příkon: 4,2 W
Vývoj: NASA Goddard Space Flight Center a Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Magnetometr bude podrobně zkoumat magnetické pole Merkuru, jeho sílu a rozložení v prostoru jak plošně, tak i výškově. MAG je umístěn na 3,6 m dlouhém ramenu, aby se zabránilo ovlivňování senzoru magnetickým polem sondy. Měření se budou provádět po dobu 50 ms každou sekundu s výrazným nárůstem počtu provedených měření v okrajových oblastech magnetosféry.

MLA (Mercury Laser Altimeter)
Hmotnost: 7,4 kg
Maximální příkon: 38,6 W
Vývoj: NASA Goddard Space Flight Center
Laserový výškoměr bude mapovat povrch Merkuru pomocí infračerveného laseru (pracuje na vlnové délce 1 064 nm) s přesností na 30 cm. Společně s RS (Radio Science) pomůže ke studiu gravitačního pole a jádra planety.

MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer)
Hmotnost: 3,1 kg
Maximální příkon: 8,2 W
Vývoj: University of Colorado
Obsahuje dva přístroje – spektrometr pracující v ultrafialové a viditelné oblasti (Ultraviolet Visible Specrometer) a spektrograf pro viditelnou a blízkou infračervenou oblast (Visible-Infrared Spectrograph). První z nich bude zkoumat chemické složení a vlastnosti atmosféry s rozlišením 25 km. Druhý bude na povrchu zjišťovat přítomnost minerálů obsahujících železo a titan, a to s rozlišením 3 km.

EPPS (Energetic Particle and Plasma Spectrometer)
Hmotnost: 3,1 kg
Maximální příkon: 7,8 W
Vývoj: University of Michigan a Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Spektrometr EPS (Energetic Particle Spectrometer) poslouží k detekci částic urychlených v Merkurově magnetosféře. Druhý spektrometr FIPS (Fast Imaging Plasma Spectrometer) ke sledování nízkoenergetických částic přicházejících od povrchu a atmosféry, ionizované atomy unášené slunečním větrem apod.

RS (Radio Science)
Využívá komunikačního systému sondy pro měření její rychlosti a vzdálenosti od Země. Tyto údaje poslouží k měření gravitačního pole a společně s laserovým výškoměrem LSA k určení velikosti a skupenství Merkurova jádra.

Start sondy proběhl po jednodenním odkladu, způsobeném tropickou bouří Alex, 3. srpna 2004 v 6:15:56 UT pomocí nosné rakety Delta 7925H. Příhodná startovací okna se otevírala od 2. do 14. srpna vždy na dobu pouhých 12 sekund! V T +1:25 došlo k ukončení činnosti a odhození šestice pomocných raketových motorů GEM (Graphite-Epoxy Motor) na tuhé pohonné látky a zažehnutí zbývajících tří. Ty ukončily činnost v T +2:40. V čase T +4:38 je ukončena činnost prvního stupně (MECO – main engine cutoff) poháněného motorem RS-27A a o 18 vteřin později se zažehuje motor AJ10-118K druhého stupně. K prvnímu vypojení druhého stupně (SECO 1 – second stage engine cutoff) dochází v čase T +8:54, k opakovanému zážehu motoru druhého stupně v T +46:05. V čase T +49:03 došlo k ukončení činnosti druhého stupně (SECO 2) a o minutu později k jeho oddělení. K zážehu třetího stupně s motorem Star 48B dochází v T +50:20 a k ukončení jeho funkce v T +51:42. Sonda se od třetího stupně nosné rakety oddělila v T +56:50 (7:12 UT) ve výšce okolo 1 100 km a rychlosti 10,6 km/s. MESSENGER se tak vydal na svou dlouhou pouť sluneční soustavou [6].

Skoro přesně po roce od startu prolétne MESSENGER ve vzdálenosti 2 866 km od Země – proběhne první gravitační manévr. Další dva gravitační manévry u Venuše jsou naplánované na říjen 2006 a červen 2007. Sonda proletí nad planetou ve výšce okolo 2 500 km, resp. 300 km. Ke svému cíli – Merkuru se MESSENGER poprvé přiblíží v lednu 2008 na vzdálenost 200 km. Další dva gravitační manévry proběhnou u Merkuru v říjnu téhož roku a v září 2009. Na oběžnou dráhu kolem Merkuru (MOI – Mercury Orbit Insertion) bude sonda navedena 18. března 2011 s parametry 200 km v pericentru a 15 193 km v apocentru, oběžná doba bude 12 hodin. Operativní část mise má probíhat do března 2012, ale kdoví jak to vše dopadne [5].

Nezbývá nám tedy než čekat, čekat a čekat, až MESSENGER dorazí ke svému cíli a pokusí se odpovědět na otázky svých tvůrců. A co dál? V roce 2012 má být zahájena mise Bepi Colombo [7] Evropské kosmické agentury ESA, která má k Merkuru dorazit po čtyřech letech putování.