W poszukiwaniu pomidora, który zaginął na orbicie

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.

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

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.

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.

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.

Krótka historia pomidorowa w filmie

Opowieść o Franku Rubio – chirurgu i rolniku

O uprawie roślin w przestrzeni kosmicznej

Stalin i Wierszynin. Dzień Czołgisty. Wikimedia Commons

WSPÓLNOTA CZERWIENI cz. 51

Stalina bardzo interesowała nazistowska technika rakietowa, w szczególności metody kierowania pociskami ziemia-ziemia oraz ziemia-powietrze. W tym celu nakazał podwładnym, by ci zgromadzili jak najsilniejszy zespół niemieckich naukowców, inżynierów i techników. Wiedział, że coś takiego jak V-2, tylko wytwarzane na większą skalę, jest w stanie zapewnić mu przewagę podczas przyszłej inwazji Europy Zachodniej.

Wprawdzie ekipa Wernhera von Brauna i generała Dornbergera dostała się w ręce Amerykanów, ale to sowieckie wojsko zajęło Peenemünde i zabrało stamtąd do ZSRR dosłownie wszystko. Na celowniku ekip poszukiwawczych z Moskwy byli ludzie nie tylko wywodzący się bezpośrednio z programu V-2 (i V-1), ale także naukowcy, którzy potencjalnie mogli przejąć prowadzenie takiego programu dla Związku Sowieckiego. Nadto interesowano się ekipami, które stworzyły rozmaite pociski kierowane, w tym przeciwokrętowe i przeciwlotnicze. Zakres działalności najpierw “trofiejszczyków”, potem specjalnych ekspedycji na teren Niemiec, a następnie ośrodków i zakładów w Niemczech Wschodnich oraz w ZSRR nie jest w pełni znany, a informacje na jego temat – wyrywkowe i skąpe. Rosyjscy entuzjaści tematu zaczęli coś pisać w internecie na początku XXI wieku, ale szanse na dogłębne, uczciwe badania pod rządami Putina są zerowe. Program kosmiczny i broń rakietowa są fundamentami propagandy o samowystarczalności technicznej ZSRR i Rosji – naruszenie fundamentów rozbić może całkowicie mit potężnego mocarstwa.

Start V-2 w Peenemünde. (Bundesarchiv)

Wykorzystanie niemieckich doświadczeń, projektów i ludzi w zakresie techniki rakietowej przez Moskwę można podzielić na trzy etapy. Pierwszy to działalność batalionów zbierających trofea wojenne, drugi to praca Niemców dla Sowietów na terenie Niemiec, w latach 1945-1947 i trzeci, obejmujący pracę w ZSRR w latach 1946-1953. “Trofiejszyczki” działali formalnie od dekretu z lutego 1945 roku, ale de facto różne grupy Sowietów prowadziły podobną działalność już wcześniej. Każde dowództwo frontu na terenie okupowanej Polski i Niemiec (ale nie innych zajętych krajów; potem dołączono Czechosłowację) miało w swoim składzie komisję, której zadaniem było gromadzenie sprzętu i wiedzy. Warto wspomnieć, że montowane w ZSRR w latach 20. i 30. przez niemieckich i amerykańskich specjalistów tokarki miały prędkość roboczą tylko 600 obr./min, a to ze względu na niepewne parametry sowieckich sieci energetycznych. Ukradzione z terenów Polski i Niemiec tokarki pracowały z prędkością 3000 obr./min, co skokowo poprawiło precyzję wykonywania elementów obrabianych skrawaniem.

Borys Jewsiejewicz Czertok. (Wikimedia Commons)

W sumie na terenie Polski i Niemiec rozpoczęło działalność 48 tzw. brygad roboczych “trofiejszczyków”. Większość funkcjonowała na terenie Niemiec, reszta w Polsce i Czechosłowacji. O randze tej organizacji niechże świadczy fakt, że na jej czele znalazły się takie osoby jak Malenkow i Bułganin. W ramach owych struktur powstały sowieckie ekipy, które jako pierwsze zaczęły aktywnie poszukiwać ludzi, dokumentacji i sprzętu związanych z nazistowskim programem rakietowym. Pierwszą była ekipa generała Pietrowa, która, choć teoretycznie miała szukać nowoczesnej awioniki, przyrządów pokładowych, uzbrojenia lotniczego i urządzeń radiolokacyjnych, to w swoim składzie miała niejakiego Czertoka. Borys Jewsiejewicz Czertok, urodzony w 1912 roku w Łodzi, w rodzinie rosyjskich okupantów Polski (wynika to domniemanie z faktu, iż jego ojca przeniesiono służbowo do Moskwy, gdy Borys miał trzy lata) jest opisywany w internecie jako ojciec sowieckich systemów kierowania lotem rakiet kosmicznych – oczywiście jako marksistowsko-leninowski geniusz, który sam z siebie, znienacka, nagle wszedł w posiadanie stosownej wiedzy od razu w 1946 roku. W zespole Pietrowa Czertok i jego ludzie zajmowali się poszukiwaniami śladów niemieckich programów rakietowych. Już w sierpniu 1944 roku na terenie ośrodka szkoleniowego SS w widłach Wisły i Sanu, nieopodal Dębicy (SS-Truppenübungsplatz Heidelager) sowieckie wojsko znalazło kompletne rakiety V-2 oraz zdemontowane platformy startowe. Wcześniej wojska rakietowe SS szkoliły się w odpalaniu rakiet na poligonie Blizna, tym samym, z którego wywiad Armii Krajowej elementy V-2 wysłał do Londynu.

Artillerie-Zielfeld Blizna/Poligon Blizna. (Wikimedia Commons)

Drugim zespołem był team generała Sokołowa. Złożony był po części z inżynierów, którzy mieli za sobą pracę przy wyrzutniach “Katiusza”. Jednym z pierwszych zadań zespołu było zbadanie kompleksu w Peenemünde. Sama skala przedsięwzięcia dała sowieckim delegatom do myślenia – bez wątpienia hitlerowskiej broni rakietowej należał się priorytet. Znaleziono co najmniej jeden kompletny pocisk V-2 oraz różne dokumenty, w tym projekt naddźwiękowego samolotu bombowego o napędzie rakietowym. Do Peenemünde przyjechała też inna radziecka delegacja, z resortu produkcji amunicji, w której składzie znalazł się Siergiej Korolow, autentyczny specjalista od rakiet, wcześniej więziony w obozie, a z którego potem propaganda sowiecka zrobiła samodzielnego ojca programu kosmicznego ZSRR.

Siergiej Korolow po aresztowaniu w 1938 roku. (Wikimedia Commons)

Na podstawie porozumień z Poczdamu Amerykanie przekazali Sowietom Turyngię. Ta kraina została włączona do sowieckiej strefy okupacyjnej i znajdowały się tam obiekty, które mocno interesowały Moskwę – głównie ogromny podziemny kompleks fabryczny koło Nordhausen (ten sam, któremu siły roboczej dostarczały obozy koncentracyjne Dora). Dokumentację wcześniej zabrali wysłannicy z USA, ale nagle pojawiło się sporo Niemców, którzy liczyli na to, że pracować na rzecz ZSRR będą mogli w Niemczech. W dodatku znaleziono sporo niekompletnych rakiet V-2, silników do nich i mnóstwo podzespołów. Amerykanie zabrali z Nordhausen tylko 400 ton gotowych rakiet, elementów do nich oraz urządzeń. Sowieci załadowali 717 wagonów towarowych maszynami, głowicami bojowymi i nieukończonymi rakietami o łącznej masie 5647 ton. Pod koniec 1946 roku radzieckie władze okupacyjne zmontowały jeszcze jedną falę transportów: 2270 wagonów wywiozło do ZSRR 14256 ton towaru z niemieckich fabryk broni rakietowej.

SIlniki dla rakiet V-2 w kompleksie produkcyjnym Nordhausen. (Wikimedia Commons)

Jednym z nielicznych miejsc, ważnych dla hitlerowskiego programu rakietowego, które wpadły nietknięte w ręce Sowietów, był zespół stanowisk startowych w Lehesten. Przyjechał tam Walentin Głuszko, jeden z nielicznych radzieckich inżynierów o znacznej wiedzy na temat silników rakietowych – wcześniej zajmował się rozwojem startowych silników rakietowych dla samolotów. Głuszko wraz z kolegami zadomowili się w Lehesten, gdzie pozostali aż do 1947 roku. Już we wrześniu 1945 roku udało się dokonać pierwszych uruchomień silników, w czym ważną rolę odegrał dr Karl-Joachim Umpfenbach, urodzony w Oppeln (dziś Opolu) matematyk i inżynier-mechanik.

Podziemne zakłady produkcyjne V-2. (Bundesarchiv)

Przejmując po kolei tereny opuszczane przez Amerykanów, Sowieci zaraz po Nordhausen wybrali się do Bleicherode, gdzie znajdowała się ostatnia siedziba zespołu badawczo-rozwojowego Wernhera von Brauna. Wprowadził się tam wspomniany wcześniej Czertok, któremu udało się szybko zwerbować do pracy 12 Niemców. Jak widać, rzekoma nienawiść do faszystów zupełnie nie przeszkadzała ludziom radzieckim w realizacji planu rozbudowy wojsk rakietowych… Wprawdzie Niemcy ci nie mieli doświadczenia bezpośrednio w pracy nad rakietami, ale byli wprawnymi inżynierami i technikami. Zadaniem grupy Czertoka, pracującej w tej samej willi, którą wcześniej zajmował von Braun, było odtworzenie systemu kierowania lotem rakiety V-2 (A-4). Ośrodek nazwano “Institut Rabe”, przy czym “Rabe” to skrót od “Raketenbau” (budowa rakiet) i “Entwicklung” (rozwój). Do instytutu zaczęły ściągać grupy szukających pracy niemieckich specjalistów.

Układ sterujący rakiety V-2. (Bundesarchiv)

cdn.

Kosmiczny streaming wideo

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.