Przygotowania do misji ATHENA. SENER Polska zakończył testy funkcjonalne Mechanizmu Wyboru Instrumentu

Zaprojektowany przez inżynierów SENER Polska mechanizm wyboru instrumentów (ISM - Instrument Selection Mechanism) służy do zmiany pozycji zwierciadła względem urządzeń pomiarowych umieszczonych na teleskopie – tak, aby wiązka promieni trafiała do jednego z dwóch instrumentów naukowych. Za wykonanie obu urządzeń badawczych (spektrometr X-IFU oraz przetwornik wizyjny WFI do pomiaru fal rentgenowskich) odpowiedzialne jest szerokie międzynarodowe konsorcjum agencji kosmicznych i instytutów badawczych – z udziałem Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika oraz Centrum Badań Kosmicznych PAN.

Przy realizacji projektu SENER Polska współpracował z 38 polskimi partnerami i instytutami badawczymi, które odpowiadały m.in. za produkcję jego komponentów i mechanizmów. Jak podano w komunikacie firmy, testy funkcjonalne prototypu ISM-a potwierdziły, że urządzenie działa w zamierzony sposób, nadaje się do dalszego rozwoju i może zostać wykorzystane w misji kosmicznej.

Największe wyzwania inżynieryjne wynikają z wielkości lustra - ma ono ponad 2 metry średnicy i waży ponad tonę. W trakcie startu nasz mechanizm będzie musiał wytrzymać przeciążenie o sile nawet 15 g. Podczas jego projektowania wykorzystaliśmy innowacyjne rozwiązanie SENER - urządzenie jest heksapodem, czyli strukturą, która wykorzystuje sześć siłowników do precyzyjnego poruszania lustrem w wielu płaszczyznach.

Sonda ATHENA będzie teleskopem rentgenowskim o znacznych rozmiarach, charakteryzującym się ogniskową o długości 12 m. Powszechnie uważa się, że przestrzeń kosmiczna wypełniona jest zimną pustką, ale astronomia rentgenowska pokazała, że Wszechświat jest gorący i pełen energii, do tego stopnia, że gwiazdy wydają się obiektami o niskiej temperaturze. Temperatura na powierzchni gwiazd waha się między 2 000 a 30 000 Kelwinów. Tymczasem większość zwykłej materii Wszechświata może być zamknięta w chmurach gazu gorętszych niż milion Kelwinów. W takich temperaturach gaz świeci jasno na falach rentgenowskich.

Celem misji ATHENA jest zbadanie tej rozgrzanej międzygalaktycznej materii oraz czarnych dziur – tego, jak rosną i w jaki sposób wpływają na kształt Wszechświata. Sonda wykona wiele punktowych obserwacji wybranych fragmentów przestrzeni kosmicznej - zakłada się około 300 obserwacji rocznie. Misja zaplanowana jest na minimum 5 lat, ale wszystkie systemy projektowane są tak, aby działać dwukrotnie dłużej.

W sektorze kosmicznym misje naukowe takie jak ATHENA należą do najbardziej wymagających. Przyczyniają się również szczególnie do postępu naukowego i technologicznego, bo nowe odkrycia wymagają tworzenia zupełnie nowych urządzeń.

To natomiast generuje wiele dodatkowych wyzwań. Te, z którymi mierzą się inżynierowie SENER Polska dotyczą niwelowania wpływu przeciążeń oraz naprężeń na kondycję i spasowanie wrażliwego urządzenia obserwacyjnego, m.in. ze względu na dużą masę jego zwierciadła. W takiej sytuacji głównym zadaniem projektowym specjalistów firmy pozostawało stworzenie nie tylko wysoce precyzyjnego, ale i odpornego systemu pozycjonowania oraz kontroli położenia lustra teleskopu – tak, aby nie przenosić zbyt dużych sił podczas obrotu kolumny zwierciadła, co w warunkach zerowej grawitacji mogłoby doprowadzić do destabilizacji położenia sondy. Odpowiedzialne jest za to szersze instrumentarium, które z jednej strony zabezpiecza lustro w trakcie lotu oraz pozwala na precyzyjne ustawienie mechanizmu względem dwóch odbiorników.

Zaprojektowanie, wyprodukowanie i przetestowanie prototypu Mechanizmu Wyboru Instrumentu nie było zatem jedynym zadaniem SENER Polska w ramach współpracy z ESA przy misji ATHENA. W układzie znajdzie zastosowanie jeszcze inny produkt tej firmy - mechanizm podtrzymująco-zwalniający HDRM (Hold-Down and Release Mechanism), którego celem jest zapewnienie w początkowej fazie misji, że ciężkie zwierciadło główne teleskopu pozostanie unieruchomione aż do momentu, gdy sonda znajdzie się na właściwej orbicie. Wówczas nastąpi zwolnienie mechanizmu i możliwe stanie się poruszanie lustrem.

Jako tzw. heksapod, ISM będzie urządzeniem o sześciu stopniach swobody. Umożliwi wykorzystywanie jednego zwierciadła głównego na potrzeby dwóch osobnych instrumentów dzięki przekierowaniu lustra na właściwą ogniskową. To rozwiązanie rzadko stosowane w misjach kosmicznych ze względu na jego złożoność. Niemniej jednak, projekt koncepcyjny ISM wykazuje podobieństwo do innych stworzonych wcześniej przez SENER – w tym do projekcie międzynarodowego mechanizmu cumowania i dokowania (IBDM - International Berthing and Docking Mechanism).

Sektor kosmiczny a epidemia koronawirusa

Epidemia SARS-CoV-2 nie pozostaje bez wpływu na sektor kosmiczny. Od 16 marca do odwołania nie są realizowane starty z centrum kosmicznego Kourou w Gujanie Francuskiej. Misja europejskiego robota marsjańskiego ExoMars, która miała startować w lipcu tego roku, została przesunięta o dwa lata. Do tej misji SENER Polska dostarczył już gotowy produkt – „pępowinę”, czyli mechanizm zwalniający połączenia elektrycznego, mający krytyczne znaczenie dla powodzenia misji.

Projekty kosmiczne mają jednak długoletnią perspektywę. Dobrym przykładem jest misja ATHENA. ESA rozpoczęła przygotowania do niej na wiele lat przed startem planowanym na 2031 rok. To specyfika programu naukowego ESA „Cosmic Vision” – w jego ramach realizowane są przedsięwzięcia wymagające technicznie i naukowo, których realizacja rozpisana jest na dziesięciolecia.

Z jednej strony pozwala to na rozwój naprawdę zaawansowanych technologii, których opracowanie zajmuje wiele lat. Z drugiej strony misje naukowe, jak ATHENA, JUICE czy Euclid, zapewniają stabilny popyt w europejskim sektorze kosmicznym. Europejskie firmy wiedzą, że część budżetu ESA przeznaczona jest na finansowanie wieloletnich programów. To pozwala nam tworzyć strategie rozwoju i inwestować w perspektywiczne technologie.

Tekst powstał we współpracy z SENER Polska.