Zgodba iz vesolja

Nazaj

Novembra letos se bosta zgodila dva dogodka, ki predstavljata izjemna mejnika v raziskovanju vesolja. Prvi je povezan z najbolj oddaljeno vesoljsko odpravo Voyager 1. Ta bo, po več kot 49 letih potovanja, 18. novembra ob 11:16:07 po srednjeevropskem času od Zemlje oddaljena natanko en svetlobni dan. Radijsko sporočilo, ki ga bo v tistem trenutku poslala iz medzvezdnega prostora, nas bo doseglo šele 24 ur pozneje. Prepotovati 25,9 milijarde kilometrov je izjemen dosežek, za katerim stoji ogromno človeškega truda. Pot do zvezd bo sicer še dolga, saj je razdalja do nam najbližje zvezde še vedno 1550-krat večja od trenutne oddaljenosti Voyagerja 1.

Drugi dogodek se bo zgodil le tri dni pozneje, ko se bo v okolico Merkurja vtirila odprava BepiColombo. To bo prvo plovilo, namenjeno proučevanju tega planeta po misiji MESSENGER, ki se je zaključila leta 2015.

Odpravi Voyager 1 in BepiColombo povezujejo znanstveni temelji, ki so jih že pred desetletji postavili raziskovalci in inženirji s skupnimi sanjami o potovanju med planeti. Teh misij si danes ne moremo zamisliti brez Michaela Minovitcha, Garyja Flandra ter Giuseppeja »Bepija« Colomba.

Čudesa neba

Ko je Gary Flandro štel šele šest let, je dobil v dar knjigo z naslovom Wonders of the Heavens (Čudesa neba). Njegovo pozornost je pritegnila ilustracija Osončja, v kateri so bili planeti prikazani na način, ki je Flandra spominjal na kamne, po katerih je mogoče prečkati reko. Mladega Garyja je ob pogledu na ilustracijo spreletela misel o tem, kako lepo bi bilo obiskati vsakega od planetov in prepotovati celotno Osončje.

Flandro se je taiste ilustracije spomnil kakšnih 25 let pozneje, ko je že delal v Jet Propulsion Laboratoryju (JPL). Njegova naloga je bila izračunati tirnice za misije do zunanjih planetov Osončja. Opremljen le s svinčnikom in papirjem je prišel do odkritja, ki je zanetilo odpravo Voyager: ugotovil je, da bo konec sedemdesetih let prišlo do redke poravnave Jupitra, Saturna, Urana in Neptuna. Flandro je spoznal, da bi v tej postavitvi planeti delovali natanko tako, kot si je zamislil ob pogledu na ilustracijo v otroški knjigi. Vesoljsko plovilo bi namreč lahko izkoristilo gravitacijski privlak planetov za dodatni pospešek ter preusmeritev in tako obiskalo vsakega od njih. Kar bi v običajnih razmerah trajalo desetletja, bi z gravitacijskimi manevri opravili v pičlih 10 do 12 letih. Izračunal je tudi, da bo idealen trenutek izstrelitve leto 1977 ter da bo na ponovno poravnavo treba počakati kar 175 let.

Ko je odkritje predstavil svojim sodelavcem in jim razkril zamisel o odpravi, ki bi obiskala plinaste orjake, je naletel na zelo hladen odziv. Njegovi kolegi so trdili, da misije ne bi bilo mogoče voditi z dovoljšno natančnostjo, da plovilo enostavno ne bi zmoglo delovati celo desetletje, da so medplanetarne razdalje pač prevelike za prenos uporabnih podatkov ter da bi v asteroidnem pasu med Marsom in Jupitrom odprava gotovo trčila z enim od tamkajšnjih nebesnih teles. Flandro se je pozneje spominjal, da mu je prav vsak strokovnjak, s katerim se je posvetoval, podal negativno mnenje o misiji.

Že kmalu je ameriški inženir Homer Joseph Stewart objavil članek o Flandrovem odkritju v lokalnem časopisu, pri čemer je uporabil njegovo frazo o uporabi gravitacijskih manevrov za pospeševanje in preusmeritev satelitov: “Odprava bi pospešila, Jupiter pa bi se upočasnil”. To je sprožilo jezen odziv nekaterih študentov, ki so ustanovili Društvo Pasadene za ohranitev Jupitrove tirnice. Med drugim so protestirali proti domnevnim načrtom JPL-ja, da spremeni orbito našega največjega planeta.

Ilustracija Osončja na notranji strani platnic knjige Wonders of the Heavens Arthurja Draperja iz leta 1940. Vir: Caltech Heritage Project.

Kljub vsemu je NASA že leta 1969 ustanovila delovno skupino, imenovano Outer Planets Working Group, ki je zasnovala dve vesoljski misiji. Vsaka naj bi obiskala po tri planete, med katere je bil takrat še vključen Pluton. Misiji so poimenovali Grand Tour ali po naše Veliko popotovanje.

Eden pomembnejših zagovornikov zamisli o Velikem popotovanju je bil ravno Stewart, ki je predlog uspešno predstavil v ameriškem senatu predvsem z argumentom o tem, da bi na naslednjo planetarno poravnavo morali čakati do 22. stoletja.

Prvotni načrt Velikega popotovanja se je izkazal za predragega, zato ga je NASA leta 1972 nadomestila s skromnejšim programom dveh plovil, ki bi poleteli proti Jupitru in Saturnu. Iz tega sta se rodila Voyager 1 in Voyager 2. Slednji je pozneje pot nadaljeval še do Urana in Neptuna.

Flandrovo izjemno odkritje pa ni samo padlo z neba. Temeljilo je na revolucionarnih spoznanjih in matematičnih temeljih še enega vizionarja, Michaela Minovitcha.

Za cel tovornjak računalniških izpisov

Michael Minovitch je bil leta 1961 še mlad podiplomski študent matematike in fizike na Univerzi Kalifornije v Los Angelesu (UCLA). Poletje se je odločil preživeti na praksi na JPL-u, kjer so mu zaupali reševanje standardnih matematičnih problemov, povezanih z vesoljskimi tirnicami. Vendar to Minovitchu ni zadoščalo. Sam se je lotil še precej zahtevnejšega izziva, katerega rešitev je pozneje močno spremenila načrtovanje medplanetarnih odprav.

Minovitcha je zanimala možnost, da bi s pomočjo gravitacijskega privlaka planetov spremenili tirnico vesoljskih plovil in jim s tem omogočili nadaljnjo pot do drugih planetov, pri čemer bi porabili karseda malo goriva. Minovitch se je problema lotil z izjemno vnemo in mu posvečal od 12 do 16 ur na dan.

Po koncu poletne prakse je delo nadaljeval na UCLA, kjer je imel dostop do takratnega čuda tehnologije – računalnika IBM 7090, ki je veljal za enega najzmogljivejših znanstvenih računalnikov na svetu. To je bil velikanski stroj, ki je zasedal celotno sobo in za delovanje potreboval zmogljiv sistem hlajenja. Čez dan je bilo povpraševanje po računalniku precejšnje, zaradi česar se je Minovitch svojih zahtevnih izračunov loteval predvsem ponoči in ob koncih tedna.

Za programiranje računalnika so uporabljali tudi jezik Fortran. Programi so bili zapisani na posebnih kartonastih karticah (perfokarticah), na katerih so luknjice predstavljale računalniška navodila. Rezultate izračunov pa je računalnik izpisoval na papir. Ko je maja 1962 Minovitch rezultate poslal raziskovalcem v JPL, je bila količina papirnatih izpisov tolikšna, da so jih z univerze UCLA odpeljali kar s tovornjakom!

Račnalnik IBM 7090.

Minovitchevo delo je postavilo temelje za načrtovanje medplanetarnih poti s pomočjo gravitacijske asistence. Pri tem manevru se vesoljsko plovilo približa planetu, ki kroži okoli Sonca. Planetov gravitacijski privlak preusmeri plovilo, pri čemer se lahko spremeni tudi njegova hitrost glede na Sonce. Plovilo lahko tako doseže naslednji planet z bistveno manjšo porabo goriva.

Toda na uporabo gravitacijske asistence pri potovanju med planeti je bilo treba počakati več kot desetletje. Prva odprava, ki je izkoristila gravitacijo enega planeta za potovanje do drugega, je bila Mariner 10. Sonda je 5. februarja 1974 preletela Venero, katere gravitacija jo je usmerila proti Merkurju. Tega je dosegla 29. marca istega leta. K uspehu odprave pa je pomembno prispeval še en velikan nebesne mehanike – italijanski matematik Giuseppe »Bepi« Colombo.

Trije obiski Merkurja za ceno enega

Odbor za vesoljske znanosti pri ameriški Nacionalni akademiji znanosti je junija 1968 NASI priporočil odpravo, ki bi s pomočjo Venerine gravitacije dosegla Merkur. NASA je projekt odobrila leta 1969, izstrelitev pa načrtovala za leto 1973.

Od leve proti desni: Gary Flandro, Michael Minovitch in Guiseppe Colombo.

Leta 1970 je JPL na konferenco o načrtovani odpravi povabil priznanega profesorja z Univerze v Padovi, Giuseppeja »Bepija« Colomba. Italijanski znanstvenik je opazil, da bi lahko obhodni čas vesoljskega plovila okoli Sonca po prvem srečanju z obema planetoma znašal 176 dni, kar je skoraj natanko dvakratnik Merkurjevega obhodnega časa okoli Sonca (88 dni). To je pomenilo, da bi se lahko sonda planetu po približno šestih mesecih ponovno približala.

Colombo je predlagal, da bi s skrbno izbiro poti mimo Merkurja izkoristili njegov gravitacijski vpliv ter sondo usmerili na resonančno tirnico. Strokovnjaki v JPL so njegovo zamisel preverili z izračuni in potrdili njeno izvedljivost.

Sonda Mariner 10 je Merkur drugič preletela 21. septembra leta 1974. Ker je njena tirnica omogočala ponavljajoča se srečanja, so Nasini inženirji sklenili odpravo podaljšati še za tretji prelet. Do tega je prišlo 16. marca 1975. Colombova genialna zamisel je tako pripomogla k temu, da je sonda opravila kar tri obiske Merkurja »za ceno enega«.

Uspeh odprave Mariner 10 je pokazal uporabnost gravitacijske asistence. Podobne manevre sta pozneje izvedli tudi sondi Voyager. Evropska vesoljska agencija (ESA) je Colomba zaradi izjemnega prispevka k raziskovanju planetov poimenovala »dedek planetarnih preletov«. Po njem je poimenovala odpravo BepiColombo, ki je na poti do Merkurja izvedla kar devet gravitacijskih manevrov, okoli planeta pa se bo utirila 21. novembra letos.

Tako Voyager 1 kot BepiColombo nazorno kažeta, kako znanstvena dognanja še desetletja pozneje oblikujejo potek zgodovine. Flandro, Minovitch in Colombo s svojimi izračuni niso le premaknili meja mogočega na področju nebesne mehanike. Pokazali so nam, kako lahko planete uporabimo kot odskočne kamne za potovanje po Osončju. Vesoljska reka, ki se je mlademu Flandru nekoč zdela nepremostljiva, je tako postala pot do drugih svetov.

Dodatna čtiva za najbolj radovedne

1. Where are Voyager 1 and Voyager 2 Now?, NASA.
2. What Is a Light-Day?, NASA.
3. Why NASA’s Interstellar Mission Almost Didn’t Happen, National Geographics.
4. Gary Flandro, Wikipedia.
5. Gary A. Flandro, “Fast Reconnaissance Missions to the Outer Solar System Utilizing Energy Derived from the Gravitational Field of Jupiter,” Astronautica Acta 12 (1966): 329-37.
6. Voyager 1, Wikipedia.
7. Homer Joseph Stewart, Wikipedia.
8. Michael Minovitch, Wikipedia.
9. Richard L. Dowling, William J. Kosmann, Michael A. Minovitch in Rex W. Ridenour, The Effect of Gravity-Propelled Interplanetary Space Travel on the Exploration of the Solar System, str. 359–360
10. Mariner 10, NASA.
11. 45 Years Ago, Mariner 10 Off to Venus and Mercury, NASA.
12. Giuseppe ‘Bepi’ Colombo: Grandfather of the fly-by, ESA.
13. The Voyage of Mariner 10 Mission to Venus and Mercury, NASA.
14. Giuseppe Colombo, Wikipedia.
15. Latest updates: BepiColombo’s arrival at Mercury, ESA.