Europa Clipper – podróż w kierunku Jowisza

Dwa wieki temu oceany świata opanowały duże, piękne i niesamowicie szybkie żaglowce – klipry. Do dziś budzą podziw, ponieważ ich konstrukcje były naprawdę optymalne, stworzone do pokonywania oceanów w trudnych warunkach z dużą prędkością, dochodzącą często do 20 węzłów (37 km/h). Ale era kliprów przeminęła, pojedyncze można jeszcze obejrzeć w suchych dokach (np. Cutty Sark w londyńskiej dzielnicy Greenwich).

Na pierwszym planie – Cutty Sark1

To tylko tytułem wstępu, albowiem ja zamierzam napisać trochę o kosmosie, a konkretnie o rozpoczynającej się misji o nazwie Europa Clipper. Jest to kolejny projekt NASA i JPL, którego celem jest jeden z galileuszowych księżyców Jowisza, konkretnie właśnie Europa.

Oficjalny znaczek misji

Pierwotny plan z 1997 r. zakładał wysłanie misji Europa Orbiter, ale w końcu została ona porzucona. W 2013 r. National Research Council zaproponował projekt pn. Europa Clipper. Jako wykonawców wybrano kilka instytucji: oczywiście NASA, będąca koordynatorem, poza tym JPL – Jet Propulsion Laboratory, a także Johns Hopkins University.

Sam projekt był kilkakrotnie modyfikowany, ponieważ trwające od kilku lat badania okolic Jowisza wykazały, że instrumenty badawcze będą w pobliżu Europy podlegać silnemu promieniowaniu. Zasadniczym zadaniem misji Clippera jest dokładne badanie księżyca, przy czym będzie ono prowadzone z odległości od kilkudziesięciu do ponad 2 tys. km.

Europa Clipper orbitujący wokół księżyca (wizja artystyczna)

Być może ktoś spyta: a dlaczego sonda nie zostanie wprowadzona na orbitę Europy, ale będzie krążyć wokół Jowisza i tylko okazjonalnie zbliżać się do księżyca? Wspomniałem o promieniowaniu – jest ono na tyle silne, że taka misja potrwałaby zaledwie kilka miesięcy, zanim instrumenty by się poddały, a tak jest szansa, że cała seria badań potrwa kilka lat. Planuje się, że powinna potrwać ok. 3,5 roku, po czym nastąpi efektowny koniec, a mianowicie roztrzaskanie Clippera o powierzchnię innego z księżyców Jowisza – Ganimedesa. No dobrze, a dlaczego nie o powierzchnię Europy? Naukowcy z NASA i JPL uznali, że powierzchnia Europy powinna pozostać na razie nietknięta, dostępna do dalszych badań, gdy zostanie tam wysłany lądownik. Czyli po prostu na wszelki wypadek. No cóż, zawsze jest możliwość, że sonda będzie miała pasażera na gapę. Nie jakiegoś małego ssaka, ale np. niesporczaka, który bez problemu przetrwałby taką podróż i zanieczyścił księżyc.
Europa Clipper został zaprojektowany pierwotnie w taki sposób, aby mógł czerpać energię z dwóch źródeł. Jednym z nich będą oczywiście panele solarne. Trzeba pamiętać o odległości Jowisza od Słońca – dochodzi tam zaledwie 4% energii słonecznej w stosunku do tej uzyskiwanej na orbicie ziemskiej. Panele o łącznej powierzchni ponad 100 m2 dostarczą zaledwie 150 W, i tyle musi sondzie wystarczyć. Trzeba tylko trzymać kciuki, aby wielkie panele wytrzymały ciągłe promieniowanie, które będzie je bombardować. Z konieczności zrezygnowano natomiast z drugiego źródła energii – generatora RTG opartego na promieniotwórczym plutonie. Niestety, niedostatek plutonu-239 wymusił zmianę koncepcji.
Masa sondy wyniesie 5,8 tony, z czego paliwo będzie stanowiło niemal połowę. Do komunikacji radiowej z Ziemią służyć będzie specjalna antena o średnicy 3 m, a także kilka anten dodatkowych. Całość korpusu sondy będzie obudowana osłonami chroniącymi przed promieniowaniem za pomocą warstw o grubości niecałych 10 mm, wykonanych ze stopu aluminium z cynkiem.

Sonda Europa Clipper – wizja artystyczna


A w środku będzie kilka instrumentów badawczych. Pierwszy – E-THEMIS – będzie badał promieniowanie cieplne, które pozwoli na znalezienie miejsc aktywnych geologicznie. Następny, MISE, ma za zadanie badanie spektrometryczne pozwalające na wykrycie związków organicznych, w tym aminokwasów. EIS będzie obserwować powierzchnię księżyca w świetle widzialnym. Następne będą wykrywać pole magnetyczne, inne z kolei posłużą do analizy radarowej. Bardzo ważnym przyrządem jest MASPEX – specjalistyczny spektrometr mas, pozwalający na określenie składu powierzchni, jak też leżącego pod nią oceanu. Podobne urządzenie z sukcesem wykonywało już badania w ramach misji Cassini. Całość kosztów zamknęła się w sumie nieco większej niż 4 mld dolarów.

Po starcie (mam nadzieję, że szczęśliwym) z Ziemi sonda Europa Clipper nie poleci bezpośrednio w kierunku Jowisza. Najpierw doleci w okolice Marsa, potem do okolic Ziemi – wykona manewry znane jako asysta grawitacyjna (przyspieszenie dzięki oddziaływaniu pola grawitacyjnego planet i księżyców), a dopiero potem pomknie w kierunku Jowisza. Na miejsce ma dotrzeć dopiero w kwietniu 2030 r. Wtedy rozpocznie się część badawcza misji. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, dane zaczną spływać po tej dacie, ale zapewne jeszcze trochę potrwa, nim coś zostanie upublicznione. Ale spokojnie, zespół naszego portalu będzie trzymał rękę na pulsie i poinformuje was, gdy tylko pojawią się jakieś ciekawe informacje.

  1. Wszystkie ilustracje pochodzą z Wikipedii, licencja: domena publiczna ↩︎

Rakieta o napędzie nuklearnym

Historia

Już w 1944 roku Stanisław Ulam (polski matematyk pracujący m.in. przy Projekcie Manhattan) oraz Austriak Frederic de Hoffmann rozpoczęli prace koncepcyjne nad statkami kosmicznymi napędzanymi wybuchami jądrowymi. Tak właśnie – wybuchami jądrowymi, takimi jak ten, który w 1945 roku miał miejsce na poligonie Alamogordo w Nowym Meksyku. Seria regularnych kontrolowanych wybuchów miała zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona nadać rakiecie odpowiedni ciąg, znacznie silniejszy niż w przypadku klasycznej rakiety napędzanej silnikiem chemicznym. Pomysł ten został jednak dość szybko zarzucony. Kolejne pomysły pojawiły się pod koniec lat 40., ale wszystkie były natychmiast uznane za tajne. I w zasadzie tak było przez cały okres zimnej wojny. Dziś wiemy, że na przełomie lat 40. i 50. XX wieku zarzucono już pomysł seryjnych eksplozji jądrowych na rzecz silnika elektrycznego napędzanego reaktorem jądrowym. Oczywiście nie jest to taki silnik elektryczny, jaki znamy choćby z pojazdów na drogach. Tutaj reaktor w sposób ciągły produkuje energię elektryczną, która następnie zostaje zużyta do jonizacji atomów, a powstałe jony zostają przyśpieszone w polu elektrostatycznym, co powoduje powstanie ciągu. Co ciekawe – pierwszymi, którzy rozważali taki napęd, byli Robert Goddard (1906 rok, USA) oraz niezależnie Konstanty Ciołkowski (1911, Rosja). Oczywiście w tamtych czasach nie było mowy o reaktorach jądrowych.

Współczesność

Napęd jonowy jest od czasu do czasu stosowany we współczesnych sondach kosmicznych, z których pierwszą była Deep Space 1, wystrzelona w 1998 roku.

Sonda Deep Space 1 – widok od strony silnika jonowego

żródło: NASA, licencja: domena publiczna

W tym przypadku źródłem energii elektrycznej były klasyczne panele słoneczne. Dziś jednak są rozważane także inne pomysły, z których pierwszym był nuklearny silnik cieplny. Pierwsze takie silniki oparte na koncepcji wodoru jako czynnika roboczego stworzono na przełomie lat 50. i 60. XX wieku. Projekt nosił znaczącą nazwę Kiwi, ponieważ z definicji były to silniki tylko do testów naziemnych. Testy prowadzono najpierw z użyciem gazowego wodoru, później zastąpionego ciekłym wodorem. Do ogrzewania H2 i wytworzenia ciągu używane były niewielkie reaktory uranowe (U-235). Były one wyposażone w wąskie kanaliki, którymi przepływał czynnik roboczy, ogrzewając się do temperatury ponad 2000 stopni. Bardzo gorący gaz był następnie kierowany do dyszy, w której ulegał rozprężeniu i ochłodzeniu.

Inną wdrażaną koncepcją są wspomniane wcześniej silniki elektryczne, a dokładniej elektrostatyczne. W tym przypadku czynnikiem roboczym jest zwykle ksenon (czasami rtęć albo jod). W pierwszym etapie atomy czynnika roboczego ulegają jonizacji, a powstałe w tym procesie kationy są kierowane przy użyciu pola magnetycznego w stronę dodatnio naładowanych elektrycznie metalowych siatek. Siatka odpycha kationy i kieruje je w stronę siatki naładowanej ujemnie, gdzie przy pomocy lampy katodowej są one neutralizowane, a rozpędzony elektrostatycznie strumień obojętnych atomów wytwarza ciąg napędzający rakietę. Tego typu napęd jonowy z silnikiem NEXT wykorzystano między innymi w misji DART, która wystartowała w 2021 roku, przy czym tutaj źródłem prądu były panele słoneczne.

Silnik jonowy NEXT – testy w komorze próżniowej

źródło: NASA, licencja: domena publiczna

Warto tu podkreślić, że reaktor jądrowy projektowany do takich misji nie będzie w niczym przypominał tych, które znamy z typowych elektrowni jądrowych. Nie będzie też tak duży, jak obecnie projektowane reaktory SMR (Small Modular Reactors). Rozmiarami będzie raczej przypominał typową pralkę, choć jego masa będzie zapewne większa.

Bezpieczeństwo

Wykorzystanie reaktorów jądrowych działających już w czasie startu rodzi pytania o bezpieczeństwo. To prawda, można sobie wyobrazić, co by się stało, gdyby taka rakieta eksplodowała w czasie startu. Dlatego też zakłada się, że sam reaktor, jak też potem silnik, może zostać uruchomiony dopiero wtedy, gdy rakieta znajdzie się wystarczająco daleko od Ziemi. Nie znamy szczegółów konstrukcyjnych projektowanych napędów, ale badacze zapewniają, że nawet w przypadku eksplozji całego systemu podczas samego startu, jak też lotu w kierunku wysokiej orbity, materiały rozszczepialne nie będą w stanie wywołać skażenia promieniotwórczego.

Co dalej?

Tekst mój powstał nieprzypadkowo w lipcu 2023. Kilka dni temu NASA wraz z Departamentem Obrony USA ogłosiły, że firma Lockheed Martin wygrała przetarg na stworzenie nuklearnego napędu, który docelowo miałby posłużyć do transportu załogowej misji na Marsa. Program o nazwie DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) ma ruszyć w 2027 roku. Oczywiście pierwsze próby będą przeprowadzone bez udziału załogi, aby nie szafować niepotrzebnie ludzkim życiem.

Planowana rakieta DRACO – wizja artystyczna

źródło: NASA, licencja: domena publiczna

Docelowo przelot Ziemia – Mars ma trwać ok. 100 dni. W przypadku użycia aktualnie posiadanych napędów trwałby on co najmniej 8 miesięcy. Krótszy czas lotu jest kluczowy, ponieważ załoga jest wtedy mniej narażona na promieniowanie kosmiczne. Nie bez znaczenia jest to, że pozwoli to na zmniejszenie zapotrzebowania na jedzenie oraz tlen.

Ale to nie koniec nowości. Brytyjska firma Pulsar Fusion zaczęła właśnie prace nad projektem jeszcze wydajniejszego silnika, w którym źródłem energii ma być reakcja fuzji jądrowej (czyli taka, jaka jest w bombach wodorowych). Prace studialne wykazały, że rakieta tego typu może osiągnąć prędkość maksymalną rzędu 800 tys. km/h. Jeśli to się powiedzie, podróż do Saturna lub jego księżyców zajmie 2 lata zamiast 8.
Trzymamy kciuki!

Literatura uzupełniająca

https://www.osti.gov/includes/opennet/includes/Understanding%20the%20Atom/Nuclear%20Propulsion%20for%20Space%20V.2.pdf

https://www.darpa.mil/program/demonstration-rocket-for-agile-cislunar-operations

https://www.sciencealert.com/worlds-largest-nuclear-fusion-rocket-engine-begins-construction

Telemedycyna – 1. Diagnostyka i konsultacje

W ostatnich latach zachwycamy się doniesieniami dotyczącymi medycyny na odległość. Od razu zastrzegam – nie mam na myśli tego, co się działo niedawno, w czasach pandemii, czyli konsultacji telefonicznych i zdalnego wystawiania zwolnień i recept. Chodzi mi raczej o rzeczywiste monitorowanie pacjentów nawet na odległość tysięcy kilometrów, czy nawet zdalne operacje. Tak, to niezwykłe osiągnięcia, ale warto wiedzieć, że wszystko zaczęło się ponad 60 lat temu, w kosmosie.

Za pionierów telemedycyny z pewnością można uznać badaczy z NASA. To właśnie oni jako pierwsi, już w 1962 r., przeprowadzili pierwsze eksperymenty. Lekarze zastanawiali się bowiem, jak będzie reagował organizm człowieka na warunki panujące na orbicie okołoziemskiej. Pierwszymi zwierzętami w kosmosie były muszki owocowe (łac. Drosophila melanogaster, oficjalnie po polsku: wywilżna karłowata). W 1957 w kosmos poleciał pies, biedna Łajka, a w 1961 Gagarin. Wcześniej Amerykanie wysłali w lot suborbitalny szympansa Hama. Ale wróćmy do telemedycyny – w lutym 1962 r. na orbitę poleciał legendarny John Glenn. Miał do ciała przylepione elektrody typowego zestawu do EKG, a na ramieniu rękaw do pomiarów ciśnienia krwi. Dane zbierane w trakcie lotu były transmitowane w czasie rzeczywistym do stacji naziemnych, dzięki czemu lekarze i inżynierowie mogli na bieżąco monitorować parametry astronauty.

John Glenn w trakcie lotu orbitalnego w kapsule Friendship 7

I w zasadzie system taki jest stosowany do dziś (no, jest może nieco nowocześniejszy). Oczywiście nie piszę tutaj o kolejnych astronautach, ale o ludziach mieszkających tu, na Ziemi. Zdalne monitorowanie stanu człowieka jest doskonałym rozwiązaniem w przypadku pacjentów, którzy mieszkają w miejscach odległych od centrów medycznych – w górach czy gdzieś na wyspach. Sprzęt jest dostarczany pacjentowi wraz z odpowiednim instruktażem, ustanawiana jest łączność – i gotowe. Tego typu systemy korzystają albo z dostępnej typowej sieci komórkowej, albo też z połączeń radiowych. Ułatwia to znacznie opiekę nad pacjentem. Nie trzeba go co chwilę przywozić do szpitala ani też lekarz nie musi za każdym razem udawać się do niego, aby skontrolować stan zdrowia. Lekarz w szpitalu po przejrzeniu danych może zdalnie wydać pacjentowi dyspozycje np. odnośnie do zmiany dawek leków itd. Od kilku lat testuje się też systemy działające też w drugą stronę. Jeśli pacjent jest wyposażony w pompę infuzyjną, lekarz może zdalnie zmodyfikować jej parametry. Wygodna sprawa – dla wszystkich.

Kardiologia

Bardzo ciekawą sprawą jest zdalne monitorowanie pacjentów kardiologicznych. W tym przypadku system Glenna jest już rozwinięty dzięki zastosowaniu najnowszych technologii. I znowu – nie trzeba pacjenta dowozić do kliniki. Dane EKG są przesyłane w sposób ciągły do centrum kardiologicznego, a więc pacjent jest w takiej sytuacji, jakby miał non stop podłączony holter. I tu istotna sprawa: zazwyczaj każdy pacjent ma swojego lekarza, co znacznie wpływa na koszty opieki. Tymczasem w opisywanym systemie jeden kardiolog może mieć pod opieką nawet ponad setkę pacjentów. Ale jak to? Musiałby non stop analizować zapisy! I tu na scenę wkracza sztuczna inteligencja kardiologiczna (cardio AI). To ona automatycznie analizuje wszystkie zapisy, odrzucając te, które nie budzą specjalnie wątpliwości. I z setki zapisów zostaje maksymalnie kilka, co specjalnie nie obciąża kardiologa. Odpada jeżdżenie do lekarza, montowanie holtera, odczyt. W końcu mamy XXI wiek.
Na świecie co roku implantuje się łącznie ponad milion rozruszników serca i kardiowerterów. Do niedawna każdy z pacjentów musiał stawiać się regularnie na kontrolach w specjalistycznych ośrodkach. Dziś, dzięki telemedycynie, wielu pacjentów może bez problemu połączyć się ze swoim kardiologiem, który zdalnie odczyta parametry rozrusznika, w tym stan baterii, dzięki czemu unika się sytuacji kryzysowych.

Telekonsylium

Często w przypadku chorób, które trudniej jest zdiagnozować, zbiera się konsylium lekarskie, czasem złożone z lekarzy różnych specjalności. Najczęściej są to lekarze z jednej placówki, czasem z kilku, jeśli sprawa jest złożona. Dziś, dzięki ogólnoświatowej sieci, nie ma w zasadzie ograniczeń co do miejsca, w którym jest dany specjalista. Można zorganizować telekonsylium lekarzy z kilku krajów, a nawet kontynentów. Najczęściej nie jest konieczne, aby wszyscy ci lekarze znaleźli się przy łóżku pacjenta. Wystarczy zgromadzić całą dokumentację w wersji elektronicznej i udostępnić ją uczestnikom. Wszyscy mają w tym momencie dostęp do wyników badań laboratoryjnych czy obrazowych (TK, rezonans, PET itd.).

TK płuc – obraz oglądany w trybie zdalnej konsultacji medycznej

Licencja: domena publiczna

Jeśli uczestnicy chcą podyskutować o danym przypadku, wystarczy dostęp do prostego komunikatora – i tyle. Co więcej, elektroniczne wyniki takich konsyliów można gromadzić, ponieważ mogą w przyszłości posłużyć do celów porównawczych albo dydaktycznych.
Trzeba tylko pamiętać, że dane gromadzone w ten sposób muszą być ściśle chronione, ponieważ należą do grupy tzw. danych wrażliwych.

A w drugiej części tekstu na scenę wejdą roboty.