Kategoria: astronautyka

„The Eagle has landed!” – 55 lat od pierwszego lądowania człowieka na Księżycu

Mirosław DworniczakLeave a comment

21 lipca mija 55 lat od epokowego wydarzenia kosmicznego – pierwszego lądowania człowieka na Księżycu. Tu mała prywata – były wakacje, więc mogłem oglądać transmisję z tego wydarzenia, choć miała miejsce w środku nocy. Miałem 13 lat, tata obudził mnie i mojego 9-letniego brata i usadził przed telewizorem. Pamiętam jego słowa: „Oglądajcie, bo dzieje się historia. Będziecie o tym opowiadać swoim dzieciom i wnukom”. No cóż, jak zawsze miał rację.
Dziś, wspominając Tatę, który odszedł w 1993 roku, napisałem ten krótki tekst, przypominający tamte niezwykłe dni.

Wszystko zaczęło się kilka lat wcześniej, gdy ówczesny prezydent USA, J.F. Kennedy, w 1961 roku ogłosił, że przed końcem dekady Amerykanie wylądują na Księżycu. Wydawało się to wtedy naprawdę szalonym pomysłem. Trzeba było skonstruować rakietę zdolną przetransportować ludzi na Księżyc (czyli mogącą osiągnąć drugą prędkość kosmiczną – 11,2 km/s) oraz moduł księżycowy, który miał wylądować na powierzchni naszego satelity i powrócić na jego orbitę, a następnie bezpiecznie dostarczyć trójkę astronautów do domu. W konstrukcji rakiety Saturn V (111 m wysokości) pomogło doświadczenie Wernhera von Brauna, Niemca, który wcześniej odpowiadał za hitlerowski program rakietowy.
Przygotowania trwały bardzo długo. Już 3 lata po przemówieniu Kennedy’ego zaczęto próby kosmiczne. Testowano zarówno kolejne modele rakiet nośnych, jak też modułu księżycowego. Wszystko było zupełną nowością.

Misja

W misji Apollo 11 uczestniczyło trzech astronautów, którzy po kilku dniach lotu mieli przejść do historii. Starannie wyselekcjonowani piloci amerykańscy, z których dwaj (Armstrong i Aldrin) wcześniej byli m.in. pilotami misji bojowych w czasie wojny koreańskiej.

Oficjalne zdjęcie załogi: od lewej Neil Armstrong (dowódca), Michael Collins (pilot modułu dowodzenia), Edwin „Buzz” Aldrin (pilot modułu księżycowego)
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna



Start nastąpił 16 lipca 1969 r. z kosmodromu Cape Canaveral na Florydzie. Po 4 dniach lotu moduł księżycowy znalazł się na orbicie okołoksiężycowej i 20 lipca wylądował na Srebrnym Globie. Samo lądowanie było dość stresujące, ponieważ kilkakrotnie zawiódł komputer – nastąpiło przeładowanie zbieranymi danymi.

Interfejs użytkownika komputera AGC używanego przez wszystkie misje Apollo
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Samo podejście do lądowania też było nerwowe, ponieważ planowane miejsce lądowania okazało się zbyt skaliste i mogło grozić wywróceniem lądownika. W takim przypadku astronauci byliby skazani na pozostanie na powierzchni Księżyca i powolną śmierć. Na szczęście dowódca modułu księżycowego Neil Armstrong przejął sterowanie i manualnie sprowadził lądownik na powierzchnię. Chwilę później padły słynne słowa: „The Eagle has landed” („Orzeł” [nazwa kodowa lądownika] wylądował).

Na Srebrnym Globie

Kilka godzin później nastąpił kluczowy moment – astronauci wyszli z pojazdu i jako pierwsi ludzie postawili stopy na Księżycu. Pierwszą czynnością było zebranie niewielkiej próbki skał księżycowych (w torebkę i do kieszeni skafandra). Zrobiono to, aby w razie konieczności przerwania misji taka próbka została dostarczona na Ziemię. Kolejnym krokiem było ustawienie w pobliżu lądownika amerykańskiej flagi (no, wiadomo!) oraz plakiety.

Amerykańska flaga na Księżycu – obok Buzz Aldrin
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Następnie astronauci zebrali kolejne próbki skał księżycowych, które z niejaką trudnością umieścili w lądowniku. Po powrocie na pokład nastąpił planowy sen przed startem.

Powrót

A sam start z Księżyca był jedną wielką niewiadomą. Wszystko było wielokrotnie przeliczone, ale tylko teoretycznie. Naprawdę wszystko się mogło zdarzyć. Gdyby lądownik nie wystartował albo nie doszło do spotkania z modułem, w którym Collins okrążał Księżyc, musiałby on sam wrócić na Ziemię, pozostawiając kolegów z załogi na pewną śmierć. Na szczęście wszystko poszło perfekcyjnie (no, prawie, bo podmuch silników spowodował wywrócenie flagi zatkniętej na powierzchni). „Orzeł” po niecałej dobie pobytu na Księżycu wystartował z powierzchni i po kilku godzinach precyzyjnie połączył się z orbiterem.

Lądownik „Eagle” tuż przed dokowaniem do modułu dowodzenia
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

No a dalej była już tylko podróż do domu. Lądowanie nastąpiło 24 lipca, a załogę podjęto z wody na pokład lotniskowca USS Hornet. To jednak nie kończyło wyprawy. Astronauci musieli przejść obowiązkową kwarantannę, zanim mogli spotkać się z ludźmi. Było to spowodowane względami ostrożności – nie było wiadomo, czy nie przywlekli ze sobą jakichś księżycowych mikrobów. Pozostawali w odosobnieniu przez długie 3 tygodnie, nim dostali zgodę na opuszczenie pomieszczenia izolacyjnego.
A potem zostali bohaterami – nie tylko USA, ale całego świata. I jak w „Seksmisji”: wywiady, autografy, wizyty w zakładach pracy. Ot, normalne życie celebrytów.
Do dziś zaledwie 12 ludzi chodziło po powierzchni Księżyca, ostatni zrobili to w 1972 roku. Kiedy tam wrócimy – nie wiadomo.

Niewygłoszone przemówienie

Projektujący lot księżycowy przygotowali się na wszystko. Także na sytuację, w której powrót z naszego satelity byłby niemożliwy, a astronauci pozostaliby na zawsze na Srebrnym Globie. Nie przewidziano w takim przypadku akcji ratunkowej – byłaby ona z definicji niemożliwa. Dlatego też zostało przygotowane krótkie przemówienie, które w takim przypadku miał wygłosić prezydent Nixon. Przygotował je autor wystąpień prezydenckich, William Safire. Krótki tekst, który można znaleźć w sieci, był utrzymany w bardzo podniosłym, poważnym nastroju. Plan był taki, że prezydent najpierw zadzwoni osobiście do obu żon astronautów, a potem telewizja wyemituje przemówienie do narodu.

Na szczęście nie było konieczności jego wygłoszenia, bo wszystko poszło idealnie.

W poszukiwaniu pomidora, który zaginął na orbicie

Mirosław Dworniczak1 Comment

110 lat temu Marcel Proust napisał książkę (w zasadzie aż siedmiotomowy cykl) „W poszukiwaniu straconego czasu”. Dziś jest już zupełnie inaczej. W XXI wieku poszukiwaliśmy straconego pomidora.

Jedzenie w kosmosie

Frank Rubio, amerykański astronauta, pilot i chirurg dzierży aktualny rekord USA czasu przebywania w kosmosie. Ale prawdopodobnie zostanie zapamiętany głównie dzięki zupełnie innemu wydarzeniu.
Ale zacznijmy od początku. Jedzenie w kosmosie jest na pewno prawidłowo zbilansowane pod względem kalorii oraz wartości odżywczych. Niestety, wszystko, co astronauci jedzą, jest dostarczone z Ziemi. Mogą więc oni tylko pomarzyć np. o świeżych owocach czy warzywach. Jednak za sprawą prowadzonych właśnie na orbicie ziemskiej eksperymentów może to w końcu ulec zmianie. Eksperyment nosi nazwę „The eXposed Root On-Orbit Test System” (XROOTS).

Frank Rubio przy zestawie do hodowli roślin
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Hydroponika i aeroponika

Uprawa kojarzy się zwykle z ziemią. Wiemy jednak, że nie jest ona wcale niezbędna, wystarczy roślinom dostarczać wodę i składniki odżywcze. Są dwie inne, całkiem efektywne metody niż uprawa w ziemi. Zacznijmy jednak od definicji. Już od dawna (połowa XIX wieku) na Ziemi hodujemy rośliny metodą hydroponiczną. Jest to metoda bezglebowa – rośliny są umieszczone w roztworze zawierającym specjalną mieszaninę soli mineralnych, bo tylko one i woda (oczywiście poza światłem) są niezbędne do rozwoju roślin. Z kolei aeroponika polega na umieszczeniu korzeni rosnących roślin w powietrzu zamiast w wodzie i dostarczaniu mineralnej mieszanki w postaci aerozolu bezpośrednio do korzeni. Aeroponika została wprowadzona do uprawy w roku 1970. Na początku była to metoda stosowana głównie do celów badawczych, dziś można komercyjnie kupić systemy, które wszystko wykonują automatycznie.

Kosmiczne testy

NASA rozpoczęła testy systemów hydroponicznych oraz aeroponicznych już pod koniec lat 90. XX wieku. Pierwotne eksperymenty skupiały się na hodowli sałaty, ale plany obejmowały cały szereg innych warzyw. W tym celu pierwotnie zaprojektowano nadmuchiwane urządzenie ze sterowaniem elektronicznym, którego można używać wtedy, gdy jest niezbędne, a po wypuszczeniu powietrza zajmuje niewiele miejsca. Jako oświetlenie stosowano lampy LED. Okazało się, że uprawa warzyw na orbicie jest jak najbardziej możliwa. Wielką zaletą w tym przypadku jest to, że nie trzeba wysyłać w przestrzeń niepotrzebnych kilogramów ziemi, co kosztuje gigantyczne pieniądze.

Kompaktowy testowy system uprawy roślin na orbicie XROOTS
źródło: NASA, licencja: domena publiczna


Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) cały czas są prowadzone badania nad uprawami hydroponicznymi i aeroponicznymi. Tym razem jednak zaprojektowano porządny, automatyczny system, który wymaga tylko minimalnej obsługi. I właśnie o uprawach traktuje ta opowieść, której głównym bohaterem jest amerykański astronauta, Frank Rubio. Jest jeszcze drugi bohater – pomidor. Sadzonki pomidorów zostały oczywiście przywiezione z Ziemi i umieszczone w dwóch uprawach: hydroponicznej i aeroponicznej. Co prawda Rubio jest inżynierem i chirurgiem, ale tutaj miał dodatkową rolę – rolnika doświadczalnego. Każdego dnia dbał o to, aby każdy pomidor był właściwie odżywiany, fotografowany i mierzony. W marcu 2023 odbył się zbiór i każdy z astronautów dostał swoją część. Pomidory nie miały imponujących rozmiarów – średnica wyniosła ok. 2,5 cm.

Gdzie jest pomidor?

Ten, który dostał Rubio po zbiorach, został zamknięty w worku foliowym i przymocowany chwilowo rzepem do ściany stacji. I tyle go widziano. Rubio nie znalazł pomidora w miejscu, w którym podobno go zostawił. Reszta załogi podejrzewała, że pan doktor zwyczajnie go zeżarł i nie chciał się przyznać. Normalnie sytuacja, jak z jabłkami w „Seksmisji”. Zarządzono szeroko zakrojone poszukiwania – bez rezultatu. Zniknął jak kamfora. Wszystko działo się w zamkniętej przestrzeni, a więc pomidor musiał tam być. Prawdziwa zagadka kryminalna. Zniknięcie pomidora ujawniono dopiero we wrześniu 2023 r., gdy amerykański astronauta świętował swój rekord – rok w kosmosie. Powiedział wtedy, że ma nadzieję, że kiedyś w przyszłości pomidor się znajdzie, a on zostanie oczyszczony z zarzutów.
Rubio poszukiwał go aż do czasu, gdy jesienią 2023 musiał, po roku pobytu, wrócić na Ziemię (pół roku później niż to było planowane). Do samego końca upierał się, że nie był pomidorowym skrytożercą.
Zagadka rozwiązała się w grudniu. W czasie transmisji z ISS padły słowa: Houston, mamy pomidora! Frank Rubio został oczyszczony z zarzutu skrytożerstwa, ponieważ pomidor się znalazł. Ba, okazało się, że znaleziono dwa pomidory. Trzeba przyznać, że po tych 9 miesiącach nie wyglądały one imponująco. Były wysuszone i odbarwione, ale nie zauważono, aby rozwinęły się na nich pleśnie czy grzyby. Jednak nic nie wiadomo o tym, że ktokolwiek próbował je zjeść.
Eksperymenty z uprawą roślin jadalnych są oczywiście kontynuowane, i to z sukcesem. Warunki hodowli są cały czas optymalizowane. Doświadczenia te mają wielkie znaczenie dla kolejnych wypraw kosmicznych – na Księżyc, ale oczywiście też na Marsa. Miejmy tylko nadzieję, że nie będzie kolejnych zaginionych pomidorów ani innych warzyw.

Literatura dodatkowa

Krótka historia pomidorowa w filmie

Opowieść o Franku Rubio – chirurgu i rolniku

O uprawie roślin w przestrzeni kosmicznej

Kosmiczny streaming wideo

Wiesław SewerynLeave a comment

W październiku 2023 rakieta Falcon Heavy wyniosła w przestrzeń sondę Psyche. O misji Psyche, bardzo skądinąd interesującej, pisał wcześniej Mirosław Dworniczak. Ja jednak chciałbym napisać na temat bardzo ważnego eksperymentu, który miał być w ramach Psyche przeprowadzony. Mowa o Deep Space Optical Communications (DSOC), nowej technologii przekazu danych na kosmiczne odległości.

Na czym polega nowatorstwo DSOC?

Dotychczas w łączności kosmicznej wykorzystywano zwykły modulowany sygnał radiowy, używając nadajników różnej mocy, a efektywna prędkość transmisji była dość niska. Na przykład łaziki Curiosity (2012) i Mars Perseverance Rover (2021) korzystały z nadajników o mocy około 125 watów, a prędkość transmisji wahała się od kilku do kilkuset kb/s. Technologia ta wystarczała do przesyłania krótkich komunikatów, danych i sygnałów sterujących z Ziemi, ale do transmisji obrazów (a tym bardziej filmów w czasie rzeczywistym) niekoniecznie. Obrazy przesyłały się długo i były niskiej jakości. DSOC ma zamiar złamać ten obowiązujący dotychczas paradygmat i wykorzystując celowany promień lasera podczerwonego, transmitować dane z prędkością liczoną w setkach megabitów na sekundę, czyli 10-100 razy szybciej niż do tej pory. Czyli z prędkością dobrej jakości ziemskiego internetu szerokopasmowego.

Ryc. 1. 15-sekundowy film przesłany w obie strony w ramach eksperymentu DSOC. Źródło: NASA/JPL-Caltech.
Link do filmu na YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=GvJtVOmFs5Q

Eksperyment

Seans łączności odbył się 11 grudnia 2023. Do przetestowania łączności posłużył (wcześniej nagrany) 15-sekundowy film wysokiej rozdzielczości z kotem Tatersem uganiającym się za wskaźnikiem laserowym w roli głównej. Film został przesłany z Ziemi do urządzenia nadawczo-odbiorczego na Psyche, skąd natychmiast odesłano go z powrotem na Ziemię. Odległość sondy od Ziemi wynosiła wtedy około 30 milionów kilometrów, więc czas transmisji wyniósł 101 sekund. Prędkość maksymalna transmisji wyniosła 267 megabitów na sekundę (Mb/s). Podczas całej sesji łączności przesłano w sumie 1,3 terabita danych. Dla porównania – misja NASA Magellan na Wenus w latach 1990-1994 przesłała łącznie 1,2 terabita. Właśnie ze względu na potrzebę przesyłania ogromnych ilości danych pomiarowych, a nie medialnie atrakcyjnej transmisji live video projekt DSOC jest tak ważny. Znakomita większość odległych lotów kosmicznych to misje bez powrotu i nie ma sensu gromadzenie danych na nośnikach, które nigdy nie powrócą i nie będą odczytane. Zebrane dane muszą być przesyłane na Ziemię na bieżąco, inaczej przepadną. Alternatywą jest selekcja i wstępne przetwarzanie danych na miejscu.

Oczywiście był to jedynie test skomplikowanego, przyszłego systemu łączności; wiele prób jeszcze przed Psyche, ale można już być pewnym, że po usunięciu błędów i udoskonaleniu technologii będzie to rewolucja w łączności kosmicznej. Sonda po dotarciu do celu, którym jest metalowa asteroida Psyche znajdująca się w odległości 2,5-3,3 jednostki astronomicznej (j.a.), czyli około 500 milionów kilometrów od Ziemi, do przesyłania danych „produkcyjnych” będzie wykorzystywała klasyczną łączność radiową.

Opisywany test DSOC to nie pierwsza próba łączności laserowej w kosmosie, ale pierwsza, której celem jest łączność długodystansowa, docelowo podczas przyszłych misji na Marsa. Pierwszy test dwukierunkowej komunikacji laserowej miał miejsce w grudniu 2021 r., kiedy NASA przetestowała łączność z obiektem orbitalnym w odległości 35 406 kilometrów od Ziemi. Także załogowa misja Artemis, która okrąży Księżyc, będzie wykorzystywała łączność laserową do bieżącego przesyłania nagrań wideo wysokiej jakości.

Przed wykonaniem opisywanego rekordowego testu, 14 listopada przeprowadzono wstępną próbę łączności, która miała na celu synchronizację i kalibrację urządzeń, a sygnał odebrany przez Psyche z Ziemi pozwolił na dokładniejsze wycelowania jej lasera w teleskop Hale’a.

Na czym polega kosmiczna łączność laserowa DSOC?

Ryc. 2. Architektura planowanego systemu łączności laserowej DSOC. Źródło: NASA/JPL, domena publiczna.

System komunikacyjny DSOC składa się z trzech podstawowych elementów. Na pokładzie Psyche znajduje się urządzenie nadawczo-odbiorcze z laserowym nadajnikiem o mocy 4 watów. Na Ziemi – nadajnik laserowy o mocy 5 kilowatów i odległy od niego o kilkadziesiąt kilometrów odbiornik zintegrowany z teleskopem Hale’a, największym teleskopem w obserwatorium Palomar. Na potrzeby projektu zaprojektowano bardzo czułe detektory (liczniki) fotonów umieszczone na obu końcach kosmicznej linii transmisyjnej.

Temat nadprzewodzących detektorów pojedynczych fotonów (NSNPD) jest interesujący sam w sobie, gdyż 64-pikselowa matryca jest zdolna do zliczania ponad 1 miliarda fotonów na sekundę przy rozdzielczości czasowej poniżej 100 ps (pikosekund), co jest rekordem świata.

Ryc. 3. Matryca SNSPD firmy MDL.
Źródło: https://microdevices.jpl.nasa.gov/news/superconducting-nanowire-single-photon-detectors-for-dsoc/

Do łączności DSOC użyto lasera pracującego w bliskiej podczerwieni. Ważnym elementem systemu jest korekcja błędów, zwłaszcza separacja szumu tła, czyli fotonów pochodzących ze Słońca i ziemskiej atmosfery. Korekcji podlegają też różnego rodzaju wibracje.

Wymiary poszczególnych elementów systemu to: nadajnik na Ziemi – 1 m, ziemski odbiornik – 5,1 m (teleskop Hale’a), teleskop na Psyche – 22 cm. Projektując test, oczekiwano, że prędkość przekazu z Ziemi na Psyche powinna osiągnąć 292 kbit/s w odległości 0,4 j.a. (60 000 000 km), a transmisja powrotna 100 Mb/s.

Ryc. 4. Teleskop Hale’a w obserwatorium Palomar.
Źródło zdjęcia: NASA/JPL-Caltech/Obserwatorium Palomar

Co dalej?

Przed eksperymentem DSOC jeszcze wiele podobnych seansów łączności. Oczekuje się, że próby będą powtarzane aż do osiągnięcia maksymalnej odległości od Ziemi, a czas transmisji wydłuży się do 20 minut. Jest to wystarczająca odległość, aby przetestować wszelkie aspekty przyszłej łączności z Marsem, bo to Mars jest ostatecznym celem misji. Aby uświadomić skalę wyzwań technologicznych, należy pamiętać o tym, że w czasie tej 20-minutowej transmisji Psyche i Ziemia będą się przemieszczać i obracać, a wąska wiązka laserowa z Psyche musi zachować ciągłą łączność z maleńkim (w skali kosmicznej) teleskopem Hale’a.

Harmonogram testowania systemu:

  • Około 20 dni po wystrzeleniu: faza I – kalibracja DSOC, przygotowanie do następnego etapu fazy 1.
  • Około 50 dni po wystrzeleniu: pierwsza transmisja testowa (opisywana w tym tekście).
  • Czerwiec 2024: zakończenie fazy I (300 mln kilometrów od Ziemi).
  • Styczeń 2025: II faza testów.
  • Październik 2025: zakończenie testów DSOC.

Następny test systemu przewidziany jest więc na czerwiec 2024, kiedy odległość sondy Psyche od Ziemi wyniesie około 300 milionów kilometrów, czyli 2 jednostki astronomiczne (sonda będzie dwa razy dalej od Ziemi niż Ziemia od Słońca). Taką odległość światło przebywa w 1000 sekund, czyli nieco ponad 15 minut. Dla porównania, odległość Marsa od Ziemi to 56-400 milionów kilometrów (średnio 225 mln km); światło pokonuje ją w ok. 200-1300 sekund.

Czekamy więc do czerwca.