science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe laat je een ruimteschip op een komeet landen?

Artistieke impressie van Rosetta terwijl het op 5 september langs asteroïde Steins vloog, 2008 Afbeelding door C. Carreau, met dank aan ESA

Op de loer in het afgelegen achterland van ons zonnestelsel zijn twee verzamelingen ijzige lichamen, de bevroren overblijfselen van de beginjaren van ons zonnestelsel. Een, de Kuipergordel , ringen de zon net voorbij de baan van Neptunus. De andere, de Oortwolk , omringt de lokale ruimte ergens tussen 5, 000 en 100, 000 astronomische eenheden verwijderd van de zon (1 AU is gelijk aan de gemiddelde afstand aarde-zon, ongeveer 93 miljoen mijl, of 150 miljoen kilometer). Wanneer een ijzige bewoner van een van beide ijskoude gemeenschappen vertrekt om avontuur te zoeken in het binnenste zonnestelsel, we noemen het een komeet.

De oude Grieken wantrouwden deze "langharige" hippie "sterren" als grillige voortekenen van ongeluk, maar moderne astronomen waarderen kometen vanwege de glimp die ze bieden in het verleden van het zonnestelsel. als bevroren, primitieve voorwerpen bedekt met vluchtige stoffen, ze fungeren als koude opslag voor de bouwstenen van ons zonnestelsel. Als opslagplaatsen van de koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof waaruit nucleïnezuren en aminozuren bestaan, ze kunnen ook helpen verklaren hoe het leven op onze planeet is ontstaan ​​[bron:ESA].

Onze kennis van kometen is de afgelopen decennia sterk toegenomen, gevoed door een opeenvolging van ruimtevaartuigen die naar, rendez-vousing met en zelfs rammen van de vuile ijsballen [bron:ESA]:

  • In 2001, NASA's Deep Space 1-missie naar de asteroïde 9969 Braille observeerde later de Borrelly-komeet.
  • De Stardust-missie van het bureau, gelanceerd februari 1999, verzamelde stof van komeet Wild-2 en bracht het in 2006 terug naar de aarde.
  • NASA's Deep Impact-missie met twee voertuigen, gelanceerd in januari 2005, ramde een impactor in komeet Tempel-1 om te zien waar het van gemaakt was.

Hoe dichterbij we kunnen komen, hoe beter:de helderheid van een komeet verbleekt naast de schittering van zijn sterrenachtergrond, dus het tart gemakkelijke observatie vanaf land- of orbitale observatoria. Het licht gedienstig op van uitgassen , materiaal overboord gooien als het naar de zon zwaait, maar tegen die tijd een omringende wolk van gas en stof, of coma , verduistert het zicht op zijn kern.

Met de Internationale Rosetta-missie, we hebben in november 2014 een ruimtevaartuig op komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko geland met plannen om ermee rond de zon te rijden.

Het vaartuig moest zo wendbaar zijn als een shuttlepiloot en bijna net zo zelfvoorzienend als een bemanning van olieborende rupsen, want zijn nadering moest uit de buurt blijven van wat de komeet afwierp en zijn radioverbinding met missiecontrole naderde een vertraging van 50 minuten [bron:ESA]. Nu ingezet, het duo van orbiter en lander zal proberen enkele van de vele onbeantwoorde vragen rond kometen en de vorming van ons zonnestelsel aan te pakken.

Er geraken is de helft van de haren trekken

Artistieke impressie van Rosetta die in augustus 2014 arriveert bij komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Afbeelding door C. Carreau, met dank aan ESA

Een snel rijdende komeet vangen, laat staan ​​op een landen, vereist trick-shot biljart op astronomische schaal. Stel je voor dat je een kogellager in een cirkel aan het uiteinde van een touwtje slaat. Stel je nu eens voor dat je de peiling probeert te raken met een andere snaar en kogellager. Probeer dit nu voor de maat:als dat touwtje 0,9 meter lang is, dan zouden de twee kogellagers een schaalequivalent van 10 nanometer en 4 picometer meten, kleiner dan een antilichaammolecuul en een waterstofatoom.

Laten we het nu hebben over snelheid en kracht. Rosetta is een aluminium doos van 9,2 x 6,9 x 6,6 voet (2,8 x 2,1 x 2,0 meter) en met een gewicht van ongeveer 6, 600 pond (3, 000 kilogram) bij de lancering. Vluchtwetenschappers hadden het vaartuig nodig om komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko te vangen, een scheve klont van ongeveer 3 x 5 kilometer met een lengte van maximaal 83, 885 mph (135, 000 km/u) [bronnen:ESA; ESA].

Er is alleen een probleem:we maken ruimtevaartuigen niet in staat om dit te doen. In plaats daarvan, Rosetta werd voor het eerst gelanceerd in een parkeerbaan rond de aarde op een Ariane 5-raket. Vervolgens vertrok het op een 10-jarige loop-the-loop-missie door het zonnestelsel, snelheid lenen van zwaartekrachtkatapulten langs Mars (in 2007) en de aarde (in 2005, 2007, 2009). Tijdens het doorkruisen van de belangrijkste asteroïdengordel, Rosetta deed ook observaties van asteroïden 2867 Steins (5 september, 2008) en 21 Lutetia (10 juli, 2010) [bronnen:ESA; ESA; ESA; ESA].

Schreeuwend op een bochtige onderscheppingskoers, de winterslaap Rosetta ontwaakte toen het zijn rendez-vous naderde rond 3,5 AU van de zon. Omdat het warm binnenkwam, het bracht van januari tot mei 2014 regelmatig door met het tikken op zijn remschroeven, aflopend tot een relatieve snelheid van 6,6 voet per seconde (2 meter per seconde). tegen augustus, toen het zichzelf in een baan om de aarde bracht, die snelheid zakte verder, tot enkele centimeters per seconde [bronnen:ESA; ESA].

Vervolgens, als een huwelijksfotograaf, het vaartuig bracht enige tijd door met ontwijken, foto's maken en op zoek gaan naar de beste lichtomstandigheden. De missiecontrole van de European Space Agency gebruikte deze opnamen om de positie van de komeet te berekenen. maat, vorm en rotatie. Eenmaal in een baan, Rosetta bracht de komeet in kaart en observeerde de oriëntatie van de spin-as, hoeksnelheid, belangrijke oriëntatiepunten en andere basiskenmerken - alles wat nodig is voor het uitzetten van vijf potentiële landingsplaatsen [bronnen:ESA; NASA].

In november, Rosetta liet zijn lander los vanaf ongeveer 1 kilometer boven de komeet. Philae zou met menselijke loopsnelheid landen, met behulp van zijn flexibele poten om zijn terugkaatsing te dempen en een harpoen om hem te verankeren tegen de lage zwaartekracht van de komeet, maar de landing ging niet helemaal zoals gepland. Vanaf daar, het zal de komeet in en rond de zon berijden, observaties zo lang mogelijk uitvoeren. De missie is gepland om in december 2015 te voltooien [bronnen:ESA; ESA; NASA].

Komeet missie primeurs

In november 2014, Rosetta's Philae-lander maakte de eerste gecontroleerde landing op een komeet. Hier zijn een paar andere primeurs van kometen:

  • Internationale komeetverkenner (NASA):als eerste door een komeetstaart (komeet Giacobini-Zinner in 1985)
  • Giotto (ESA):eerste bezoek aan twee kometen (komeet Halley in 1986 en komeet Grigg-Skjellerup in 1992)
  • sterrenstof (NASA):de eerste die komeetstof naar de aarde terugbracht (ontdekte komeet Wild-2 in 2004; geretourneerde monsters 2006)
  • Diepe gevolgen (NASA):eerst (met opzet) een komeet rammen (komeet Tempel-1 in 2005)
Lees verder

Records breken, Metingen uitvoeren

Toen de Philae-lander landde, het werd het eerste ruimtevaartuig dat ooit een gecontroleerde landing op een komeetkern maakte, maar dit is verre van het enige record dat het zal vestigen. Opmerkelijk, het zal het eerste vaartuig zijn dat zich alleen op zonne-energie verder dan de belangrijkste asteroïdengordel begeeft, ondanks het feit dat, op 500 miljoen mijl (800 miljoen kilometer), zonlicht zakt naar een schamele 4 procent van het aardniveau. De lander zal ook de eerste opnamen maken die ooit op het oppervlak van een komeet zijn gemaakt, terwijl Rosetta het eerste ruimtevaartuig wordt dat in een baan om de kern van een komeet draait, de eerste die wingman naar een inkomende komeet vloog en de eerste die de door de zon veroorzaakte veranderingen van dichtbij meemaakte [bronnen:ESA; ESA].

De orbiter herbergt verschillende gadgets die gepland zijn om samen te werken met de apparatuur van de lander. Ultraviolette en warmtebeeldspectrometers, samen met een microgolfinstrument, zal de coma analyseren en de lander helpen de kern van de komeet en de coma-gerelateerde ontgassing te bestuderen. Een ingebouwde radiogolfsounder zal Philae ook helpen de interne structuur van de komeet te bestuderen. Rosetta zal het stof van de coma verder analyseren met behulp van een ionenmassa-analysator, een korrelimpactanalysator en stofaccumulator, en een micro-imaging stofanalysesysteem. Andere instrumenten zullen de atmosfeer van de komeet bestuderen, ionosfeer en plasma-omgeving, inclusief temperatuur, snelheid, gasstroomdichtheid en magnetisch veld. Rosetta heeft ook een dubbele smal-/groothoekcamera die in het zichtbare, nabij-infrarood en nabij-ultraviolet golflengten.

De lander heeft 10 experimenten om te observeren, bemonster en analyseer de samenstelling van de komeet, ondersteund door een boorsubsysteem dat tot 23 centimeter kan boren en materiaal kan leveren aan instrumenten aan boord. Onder hen is een alfa-proton röntgenspectrometer, die chemische elementen onderscheidt door een monster bloot te stellen aan een radioactieve bron en de energiespectra van teruggekaatste alfadeeltjes te analyseren, protonen en röntgenstralen [bronnen:ESA; NASA].

Philae heeft ook een panoramisch zichtbaar en infrarood camerasysteem, samen met een landing imager. Het zal een radiogolfsonde gebruiken om de kernstructuur van de komeet in kaart te brengen en een elektrisch sondeer- en akoestisch controlesysteem om een ​​idee te krijgen van de mechanische en elektrische eigenschappen van de komeet. Een multifunctionele sensor bestudeert oppervlakte- en ondergrondeigenschappen, en een magnetometer en plasmamonitor zullen het magnetische veld van het lichaam en de geladen deeltjesomgeving volgen [bronnen:ESA].

Twee gasanalysatoren zullen de samenstelling van het oppervlak van de komeet bepalen. Een, COSAC, combineert een gaschromatograaf en massaspectrometer. De andere, PTOLEMIE, gebruikt een ion trap massaspectrometer om oppervlakte vaste stoffen en atmosferische gassen te analyseren [bronnen:ESA; NASA].

Het is veel apparatuur om in twee kleine dozen te passen, maar tientallen jaren van lancering van sondes hebben ESA en NASA het een en ander geleerd over inpakken.

Asteroïden:Cometary Cousins

Wetenschappers beschouwen asteroïden en kometen als naaste verwanten. In feite, sommige asteroïden -- het soort dat is gemaakt van losse stofophopingen -- zouden ooit kometen kunnen zijn geweest. Astronomen denken ook dat gedevolatiliseerde kortperiodieke kometen uit de Kuipergordel uiteindelijk als rotsmassa's om de zon kunnen cirkelen. Deze hypothese wordt het best geïllustreerd door Chiron, een enorme, half bevroren asteroïde, of centaur object , cirkelend om de zon net voorbij de baan van Saturnus.

Om licht te werpen op deze en andere vragen, Rosetta gebruikte zijn tijd om door de belangrijkste asteroïdengordel te vliegen om twee slecht begrepen asteroïden te bestuderen. 21 Lutetia en 2867 Steins.

Lees verder

Veel meer informatie

Notitie van de Auteur:Hoe laat je een ruimteschip op een komeet landen?

Ik heb in eerdere artikelen geschreven over de duizelingwekkende complexiteit van het lanceren van een ruimtevaartuig naar een specifieke planetaire locatie of langs een bepaald traject in de ruimte. Hoewel we weten - of, minstens, studie -- de banen van veel objecten, planeten en manen, de afstanden en snelheden zijn, goed, astronomisch, om nog maar te zwijgen van de aantrekkingskracht die wordt uitgeoefend door de verschillende massa's die om de zon cirkelen.

Hoe verbazingwekkend zulke prestaties ook zijn, vaak is het moeilijkste van een ruimtemissie om er niet te komen, maar liever de reis overleven. We hebben de neiging om het als vanzelfsprekend aan te nemen dat ervan uitgaande dat de lancering goed verloopt en niemand metrische eenheden verwart met Engelse eenheden, het vaartuig zal functioneren. Ik garandeer je de wetenschappers en ingenieurs die ontwerpen, bouwen, (toets, toets, test) en de lancering van deze vaartuigen zijn er niet zo optimistisch over. Zoals het vlekkerige trackrecord van vroege planetaire sondes illustreert, een vaartuig ontwikkelen om de ontberingen van de ruimte en de winterslaap maandenlang te overleven, laat staan ​​een decennium (!), wordt nog steeds beschouwd als een van de meest buitengewone technische hoogstandjes die ooit zijn geprobeerd -- en dat is voordat je je zorgvuldig samengestelde verzameling instrumenten vastmaakt, controlesystemen en voortstuwing op een van die gecontroleerde explosies die we raketten noemen.

gerelateerde artikelen

  • 5 kleine landen met grote ruimtedromen
  • Hoe kometen werken
  • Hoe een betere ruimteverkenner te bouwen
  • Hoe de Mars Curiosity Rover werkt
  • Wat gebeurt er als de zon een komeet eet?

bronnen

  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Asteroïde (21) Lutetia." 30 mei 2012. (3 maart, 2014) http://sci.esa.int/rosetta/47389-21-lutetia/
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Asteroïde (2867) Steins." 8 januari 2014. (3 maart, 2014) http://sci.esa.int/rosetta/43356-2867-steins/
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Ariane 5." 17 september 2013. (3 maart, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Launchers/Launch_vehicles/Ariane_5
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Puin van het zonnestelsel:asteroïden." 18 november, 2009. (27 februari, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Debris_of_the_Solar_System_Asteroids
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko." 18 december 2013. (28 februari, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Comet_67P_Churyumov-Gerasimenko
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Komeet Rendez-vous." 13 november 2013. (28 februari, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Comet_rendezvous
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Komeets:een inleiding." 16 januari 2014. (27 februari, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Comets_-_an_introduction
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Europa's Comet Chaser." (26 feb. 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Europe_s_comet_chaser
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Geschiedenis van komeetmissies." 9 oktober 2103. (26 februari, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/History_of_cometary_missions
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Hoeveel kometen zijn er?" (27 feb. 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/How_many_comets_are_there
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Leven en overleven in de diepe ruimte." 1 november 2004. (3 maart, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Life_and_survival_in_deep_space
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Overzicht van Europa's ruimtehaven." (3 maart, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Launchers/Europe_s_Spaceport/Overview_of_Europe_s_Spaceport
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Philae's instrumenten." 20 december 2013. (28 februari, 2014) http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2013/12/Philae_s_instruments_black_background
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "De veelgestelde vragen van Rosetta." (5 maart, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Frequently_asked_questions
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Rosetta Lander." 16 januari 2014. (27 februari, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/The_Rosetta_lander
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Rosetta-orbiter." 16 januari 2014. (27 februari, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/The_Rosetta_orbiter
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "De Lange Trek." 12 november 2013. (28 februari, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/The_long_trek
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Waar het leven begon." 9 november 2007. (27 februari, 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Where_life_began
  • Europese ruimtevaartorganisatie. "Waarom 'Rosetta'?" (26 feb. 2014) http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Rosetta/Why_Rosetta
  • Max Planck Instituut voor onderzoek van het zonnestelsel. "COSAC - Komeetbemonstering en compositie-experiment." (28 februari, 2014) http://www.mps.mpg.de/1979406/COSAC
  • Nasa. "Beschrijvingen van Mars Pathfinder-instrumenten." (28 februari, 2014) http://mars.jpl.nasa.gov/MPF/mpf/sci_desc.html#APXS
  • Nasa. "Ptolemaeus." (28 februari, 2014) http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/experimentDisplay.do?id=PHILAE%20%20%20-05
  • Nasa. "Fila." Nationaal ruimtewetenschapsdatacentrum. (3 maart, 2014) http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=PHILAE