Misje badawcze w kosmosie. Zadanie na dziesięciolecia

W 2005 r. próbnik Huygens odłączył się od badającej Saturna sondy Cassini i gładko osiadł na powierzchni Tytana, największego księżyca tej wielkiej gazowej planety. Za dostarczenie lądownika, który poleciał do układu Saturna odpowiedzialna była Europejska Agencja Kosmiczna (ESA). Propozycję jego misji wysunięto w 1982 r. Pomysł uzyskał aprobatę w roku 1988. W 1997 r. Huygens wystartował wraz z sondą Cassini w przestrzeń kosmiczną. Legendarne zdjęcie z powierzchni satelity gazowego olbrzyma przesłał w styczniu 2005 r. Można więc powiedzieć, iż na rezultaty misji lądownika trzeba było oczekiwać ponad dwadzieścia lat.

 Powyższy przykład doskonale pokazuje, że rezultaty naukowe bezzałogowych misji kosmicznych potrafią być niezwykle odroczone w czasie. Normą jest oczekiwanie na nie kilkanaście lat, a czasami dłużej. W tej sytuacji dla agencji kosmicznej takiej jak ESA niezwykle istotne jest racjonalne, długofalowe i prowadzone z wyprzedzeniem planowanie swoich działań. Tylko w ten sposób złożonym, rozciągniętym w czasie misjom kosmicznym można zapewnić stabilne finansowanie, a międzynarodowych partnerów oraz firmy prywatne skłonić do zaangażowania się w tego rodzaju projekt. Długofalowy plan pozwala bowiem owym partnerom zmniejszyć ryzyko inwestowania i angażowania się w realizowaną przez Agencję misję kosmiczną.

Tworzenie "Kosmicznej Wizji" 

"Cosmic Vision 2015-2025" to już kolejny długofalowy program działania ESA. Pierwszą próbą tego rodzaju uporządkowania działań Agencji było przyjęcie w połowie lat 80-tych ubiegłego wieku programu Horizon 2000. Przyjęte w nim założenia jeśli chodzi o starty misji kosmicznych zostały ostatecznie wypełnione w 2009 r. wraz z wysłaniem na orbitę okołoziemską kosmicznych obserwatoriów Planck oraz Herschel. W połowie lat 90-tych XX wieku ESA przyjęła program Horizon 2000+, w ramach którego realizowane są misje Gaia oraz LISA Pathfinder, a do Merkurego poleci w 2018 r. przy współpracy z Japońską Agencją Kosmiczną (JAXA) sonda BepiColombo. Horizon 2000+ obejmuje także europejski wkład w tworzenie James Webb Space Telescope. Natomiast kolejny krok milowy to właśnie Cosmic Vision.

Cele naukowe europejskiej wizji eksploracji Wszechświata

Tworzenie programu Cosmis Vision 2015-2025 było złożonym procesem. Wszystko zaczęło się w kwietniu 2004 roku wezwaniem do środowiska naukowego o zgłaszanie tematów, którym mogłyby być poświęcone przyszłe misje kosmiczne pod egidą Europejskiej Agencji Kosmicznej. Nadeszło ponad 150 propozycji, które były oceniane przez grupy naukowe ESA. Dotyczyły one trzech głównych tematów:

• astronomii i astrofizyki,

• eksploracji Układu Słonecznego,

• fundamentalnej fizyki

Następnie badacze debatowali nad naukowymi priorytetami przyszłych misji podczas warsztatów zorganizowanych w Paryżu, w połowie września 2004 r. Do początku roku 2006 postanowiono ostatecznie, iż przyszły 10-letni program działań Agencji będzie się koncentrował na poszukiwaniu odpowiedzi na cztery zasadnicze pytania:

1. Jakie warunki umożliwiają formowanie się planet i pojawianie się życia

2. Jak funkcjonuje Układ Słoneczny?

3. Jakie fundamentalne prawa fizyki rządzą Wszechświatem?

4. Jak Wszechświat powstał i z czego jest zrobiony?

Podział misji. Koszt od 50 do 900 mln Euro

Kiedy w marcu 2007 ESA zwróciła się do środowiska naukowego o zgłaszanie pomysłów na misje kosmiczne w ramach Cosmic Vision, odzew był dość znaczny. Nadesłano 19 propozycji dotyczących astronomii i astrofizyki, 12 z dziedziny fizyki fundamentalnej i 19 dotyczących badań Układu Słonecznego. W zależności od stopnia złożoności oraz przede wszystkim od niezbędnych nakładów finansowych misje kosmiczne Europejskiej Agencji Kosmicznej realizowane w ramach "Cosmic Vision 2015-2025" dzielą się na trzy kategorie:

• misje małe – small class missions (S-class),

• misje średnie – medium class missions (M-class),

• misje duże – large class missions (L-class).

Misje S-class to takie, w których koszt ponoszony przez ESA nie przekracza 50 mln euro. Dotychczas zatwierdzono do realizacji dwie misje małe:

• S1: CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite) –  teleskop orbitalny do badania planet pozasłonecznych, którego start zaplanowano na rok 2017;

• S2: SMILE (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Eplorer) – misja realizowana we współpracy z Chińską Akademią Nauk, mająca na celu badanie interakcji między ziemską magnetosferą a wiatrem słonecznym. Start zaplanowano na rok 2021.

Misje średnie realizowane są raczej samodzielnie przez Agencję, a koszt takiej misji to maksymalnie około 500 mln euro. W toku są następujące:

• M1: Solar Orbiter – sonda poświęcona bliskiej obserwacji Słońca, która wystartuje w 2018 r.;

• M2: Euclid – statek, który poleci w przestrzeń kosmiczną w roku 2020 celem badania ciemnej materii i ciemnej energii oraz tempa ekspansji Wszechświata;

  Czytaj też: Polscy inżynierowie projektują mechanizmy do montażu sondy ESA

• M3: PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) – misja, która rozpocznie się około roku 2024, poświęcona poszukiwaniu tranzytujących planet oraz badaniu pulsacji gwiazd;

• M4: wybór tej misji nie został jeszcze dokonany. Wiadomo, że będzie to jeden z trzech projektów:

  • ARIEL (Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey) – plan zbadania atmosfer ok. 500 pobliskich egzoplanet, by określić skład chemiczny tych gazowych otoczek oraz panujące tam warunki fizyczne;

  • THOR (Turbulence Heating ObserveR) – badanie poświęcone fizyce kosmicznej plazmy, w szczególności jej podgrzewaniu i późniejszej utracie energii;

  • XIPE (X-ray Imaging Polarimetry Explorer) – poznawanie promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez wysokoenergetyczne źródła (np. supernowe), by dowiedzieć się więcej o zachowaniu materii w ekstremalnych warunkach.

• M5: wezwanie do składania projektów pojawiło się w kwietniu br. Wybrana misja wystartuje najpewniej w latach 2029-2030, choć może to nastąpić wcześniej, jeśli nie będzie ona szczególnie skomplikowana.

Co do misji dużych (L-class), to pierwotnie zakładano, iż będą one realizowane z dużym zaangażowaniem międzynarodowych partnerów, a koszt jednej misji po stronie ESA nie będzie przekraczał 900 mln euro. Kiedy jednak w 2011 w USA nastąpiły istotne cięcia budżetowe w dziedzinie badań kosmosu, okazało się, współpraca z NASA przy misji L1 nie będzie możliwa na zakładanym wcześniej poziomie. W tej sytuacji władze Europejskiej Agencji Kosmicznej postanowiły, iż Europa w przeważającej części weźmie na siebie ciężar realizacji misji klasy L, decydując się co najwyżej na współpracę międzynarodową w niewielkiej skali. Dotąd przyjęto do wykonania dwie misje duże:

• L1: JUICE (JUpiter ICy moon Explorer) – sonda, która w 2022 r. poleci w stronę Jowisza by zbadać jego trzy duże księżyce lodowe: Europę, Ganimedesa i Kallisto;

• L2: ATHENA (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics) – obserwatorium rentgenowskie do mapowania struktur gorącego gazu i poszukiwania supermasywnych czarnych dziur, którego początek misji zaplanowano na rok 2028;

  Czytaj więcej: Ucieczka na ATHENĘ

• L3: ta misja nie została jeszcze wybrana, ale już wiadomo, ze ma ona być poświęcona badaniu fal grawitacyjnych. Mocnym kandydatem jet tutaj misja eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), która może polecieć w 2034 r.

Co dalej? Ogromne zainteresowanie badaniami kosmosu

Gdy w kwietniu 2004 roku ESA poprosiła środowisko naukowe o sugestie, jakim tematom mogłyby być poświęcone badania kosmosu w ramach przyszłego planu działania agencji, odzew przeszedł najśmielsze oczekiwania. Zgłoszono 151 oryginalnych pomysłów, ponad dwukrotnie więcej niż miało to miejsce w roku 1984. Program "Cosmic Vision 2015-2025" ma na celu zwiększenie europejskiego zaangażowania w badania i eksplorację kosmosu, z korzyścią dla całej ludzkości. Jednocześnie jest on gwarancją stabilności podejmowanych działań i tym samym stanowi zachętę do zaangażowania się weń dla międzynarodowych partnerów oraz prywatnych przedsiębiorstw działających w przemyśle kosmicznym.

Szansa także dla polskich firm

Realizacja programu badawczego ESA, dzięki wysokiemu poziomowi technicznemu planowanych projektów umożliwi też skokowy wzrost kompetencji europejskiego sektora kosmicznego. W budowie komponentów dla europejskich misji badawczych coraz lepiej odnajdują się także polskie firmy, które już teraz mają swój udział w opracowywaniu elementów dla sond kosmicznych, w tym tych, które powstaną dla dwóch najbardziej ambitnych misji "Kosmicznej Wizji" czyli JUICE i ATHENA. Te umiejętności będę mogłyby być w przyszłości wykorzystane także w innych projektach np. do budowy polskich satelitów badawczych takich jak kosmiczne obserwatorium UVSat lub planowana wspólnie z Chinami sonda do badań Księżyca. Warto podkreślić, że rozwój krajowych podmiotów w tym kierunku jest także zgodny z założeniami Polskiej Strategii Kosmicznej.