Nevjerojatno je pomisliti da postoje teleskopi u svemiru upravo sada, koji satima, danima, čak tjednima usmjeravaju pogled prema udaljenim objektima. Pružanje gledišta tako stabilno i precizno da možemo saznati detalje o galaksijama, egzoplanetima i još mnogo toga.
A onda, kad dođe vrijeme, svemirska letjelica može preusmjeriti pogled u drugom smjeru. Sve bez upotrebe goriva.
Sve je zahvaljujući tehnologiji reakcijskih točkova i žiroskopa. Razgovarajmo o tome kako funkcioniraju, kako su različiti i kako je njihov neuspjeh završio misije u prošlosti.
Evo kratkog odgovora. Reakcijski kotači omogućuju svemirskim brodovima da promijene orijentaciju u prostoru, dok žiroskopi drže teleskop nevjerojatno stabilan, tako da mogu visoko precizno usmjeriti cilj.
Ako ste slušali dovoljno epizoda iz Astronomy Cast-a, znate da se uvijek žalim zbog reakcijskih kola. Uvijek se čini da je točka neuspjeha u misijama, završavajući ih prerano prije nego što se znanost sve uključi.
Vjerojatno sam u prošlosti naizmjenično koristio izraze reakcijski točkovi i žiroskopi, ali oni služe nešto drugačije svrhe.
Prvo, razgovarajmo o reakcijskim kotačima. To su vrsta zamašnjaka koji se koriste za promjenu orijentacije svemirskog broda. Razmislite o svemirskom teleskopu koji se treba prebaciti s cilja na cilj ili o svemirskom brodu koji se mora vratiti na Zemlju radi komuniciranja podataka.
Također su poznati i kao kotači zamah.
Ne postoji otpor zraka u svemiru. Kad se kotač okreće u jednom smjeru, cijeli se teleskop okreće u suprotnom smjeru, zahvaljujući Newtonovom Trećem zakonu - znate, za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija. Kad se kotači okreću u sva tri smjera, možete okrenuti teleskop u bilo kojem smjeru koji želite.
Kotači su fiksni na mjestu i okreću se između 1.000 i 4.000 okretaja u minuti, povećavajući zamah u svemirskom brodu. Da bi promijenili orijentaciju svemirske letjelice, oni mijenjaju brzinu kojom se kotači okreću.
Ovo stvara zakretni moment koji uzrokuje da svemirski brod pomakne orijentaciju ili preces, u odabranom smjeru.
Ova tehnologija radi sama s električnom energijom, što znači da vam nije potrebno koristiti gorivo za promjenu orijentacije teleskopa. Sve dok imate dovoljno okretanja rotora, možete nastaviti mijenjati svoj smjer, koristeći samo snagu Sunca.
Reakcijski kotači koriste se na gotovo svim svemirskim brodovima, od malenih kubesata do svemirskog teleskopa Hubble.
S tri kotača možete promijeniti orijentaciju na bilo koje mjesto u 3 dimenzije. Ali LightSail 2 Planetarnog društva ima samo jedan jedinični kotač za pomicanje orijentacije solarnog jedra, s ruba na Sunce, a zatim na stranu da bi mogao podići svoju orbitu samo sunčevom svjetlošću.
Naravno, najpoznatiji smo s reakcijskim kotačima zbog vremena kada su propali, a svemirske letjelice su ugašene u komisiju. Misije poput FUSE-a i JAXA-e Hayabusa.
Keplerov gubitak reakcijskih kotača i genijalno rješenje
Najpoznatije, NASA-in Kepler svemirski teleskop, lansiran je 9. ožujka 2009. kako bi pronašao planete u orbiti oko drugih zvijezda. Kepler je bio opremljen s 4 reakcijska kotača. Tri su bila potrebna kako bi teleskop pažljivo bio usmjeren prema području neba, a zatim rezervni.
Promatrao je da se bilo koja zvijezda u svom vidnom polju promijeni u svjetlini za faktor 1 na 10.000, što ukazuje na to da bi planet mogao prolaziti ispred. Da bi uštedio propusnost, Kepler je zapravo samo prenosio informacije o promjeni svjetline samih zvijezda.
U srpnju 2012., jedan od Keplerovih četiri reakcijska kotača nije uspio. Imao ih je tri, što je bio minimum koji je bio potreban da bi bio dovoljno stabilan za nastavak opažanja. A onda je u svibnju 2013. NASA objavila da je Kepler imao kvar s drugim kotačima. Dakle, svelo se na dva.
To je zaustavilo glavne znanstvene operacije Keplera. Sa samo dva kotača koja rade, više nije mogao održavati svoj položaj dovoljno točno da bi mogao pratiti sjaj zvijezde.
Iako je misija mogla biti neuspjeh, inženjeri su smislili genijalnu strategiju, koristeći svjetlosni pritisak Sunca da djeluje kao sila u jednoj osi. Savršenim balansiranjem svemirske letjelice na sunčevoj svjetlosti, uspjeli su nastaviti koristiti druga dva reakcijska kotača za nastavak promatranja.
Ali Kepler je bio prisiljen pogledati sićušno mjesto na nebu koje se dogodilo u skladu s njegovom novom orijentacijom te je svoju znanstvenu misiju preusmjerio u potragu za planetima koji kruže u orbiti crvenih patuljaka. Iskoristio je svoje brodsko gorivo okrećući se natrag na Zemlju za prijenos podataka. Kepleru je napokon ponestalo goriva 30. listopada 2018., a NASA je završila svoju misiju.
U isto vrijeme kada se Kepler borio sa svojim reakcijskim kotačima, NASA-ova misija zore imala je problema s potpuno istim reakcijskim kotačima.
Dawn je gubitak reakcijskih kotača
Dawn je pokrenut 27. rujna 2007. s ciljem istraživanja dvaju najvećih asteroida u Sunčevom sustavu: Vesta i Ceres. Svemirska letjelica ušla je u orbitu oko Veste u srpnju 2011. i provela je sljedeće godine proučavajući i preslikavajući svijet.
Trebala je napustiti Vesta i krenuti prema Ceresu u kolovozu 2012., ali polazak je kasnio više od mjesec dana zbog problema s reakcijskim kotačima. Počevši od 2010. godine, inženjeri su otkrivali sve više i više trenja u jednom od njegovih kotača, pa se svemirski brod prebacio na tri funkcionalna kotača.
A onda je 2012. godine i drugi kotači počeo dobivati trenje, a svemirskoj letjelici preostala su samo dva preostala kotača. Nije dovoljno da se potpuno orijentira u prostor koristeći samo električnu energiju. To je značilo da je morao započeti koristiti svoje hidrazinsko gorivo kako bi održao orijentaciju tijekom ostatka svoje misije.
Dawn je prešla u Ceres, a pažljivim korištenjem pogonskog goriva uspjela je preslikati ovaj svijet i njegove bizarne površinske značajke. Konačno, krajem 2018. svemirska letjelica je nestala iz pogonskog goriva i više nije bila u stanju održavati orijentaciju, preslikavati Ceres ili slati svoje signale na Zemlju.
Svemirski brod nastavit će s orbitirati oko Ceres, bespomoćno tresući.
Postoji dugačak popis misija čiji reakcijski kotači nisu uspjeli. I sada znanstvenici misle kako znaju zašto. Objavljen je članak 2017. godine koji je utvrdio da samo okruženje prostora uzrokuje problem. Dok geomagnetske oluje prolaze svemirskim brodom, oni stvaraju naboje na reakcijskim kotačima koji uzrokuju porast trenja i čine ih bržim istrošenjima.
Stavit ću vezu do sjajnog videa Scotta Manleya koji podrobnije objašnjava.
Hubble svemirski teleskop i njegovi žiroskopi
Svemirski teleskop Hubble opremljen je reakcijskim kotačima za promjenu svoje ukupne orijentacije, rotirajući cijeli teleskop oko brzine minutne ruke na satu - 90 stupnjeva za 15 minuta.
No, kako bi bila usmjerena na jednu metu, koristi se druga tehnologija: žiroskopi.
Na Hubbleu se nalazi 6 žiroskopa koji se vrte u 19.200 okretaja u minuti. Oni su veliki, masivni i vrte se tako brzo da se njihova inercija odupire bilo kakvim promjenama orijentacije teleskopa. Najbolje funkcionira s tri - koja odgovara tri dimenzije prostora - ali može raditi s dvije, pa čak i jednom, s manje točnim rezultatima.
U kolovozu 2005. godine, Hubbleovi žiroskopi su se oborili, a NASA je prešla u režim dva giroskopa. Tijekom 2009. godine, za vrijeme servisne misije 4, NASA astronauti posjetili su svemirski teleskop i zamijenili svih šest njegovih žiroskopa.
To je vjerojatno posljednji put da će astronauti ikad posjetiti Hubble, a njegova budućnost ovisi o tome koliko dugo traju ti žiroskopi.
Što je s Jamesom Webbom?
Znam da samo spominjanje James Webb svemirskog teleskopa svakoga nervira. Do sada je uloženo više od 8 milijardi američkih dolara i potrebno je za lansiranje u dvije godine. Letjet će do točke Lagrange Zemlja-Sunce smještena oko 1,5 milijuna kilometara od Zemlje.
Za razliku od Hubblea, nema načina da odleti Jamesov Webb da ga popravi ako išta pođe po zlu. A kad vidim kako često žiroskopi nisu uspjeli, to se zaista čini kao opasna slaba točka. Što ako giros Jamesa Webba ne uspije? Kako ih možemo zamijeniti.
James Webb ima reakcijske točkove na brodu. Izgradio ih je Rockwell Collins Deutschland, a slični su reakcijskim kotačima na NASA-inim misijama Chandra, EOS Aqua i Aura - tako da je drugačija tehnologija od neuspjelih reakcijskih točkova na Dawn i Kepler. Misija Aura zastrašila je 2016. godine kada se jedan od njegovih reakcijskih kotača zaletio, ali se oporavila nakon deset dana.
James Webb ne koristi mehaničke žiroskope poput Hubblea da ih drži na meti. Umjesto toga, koristi se drugačijom tehnologijom nazvanom žirosfere hemisfernih rezonatora ili HRG.
Oni koriste hemisferu kvarca koja je oblikovana vrlo precizno, tako da odjekuje na vrlo predvidljiv način. Hemisfera je okružena elektrodama koje pokreću rezonancu, ali i detektiraju bilo kakve male promjene u njenoj orijentaciji.
Znam da takvi zvuče poput gluposti, kao da ih pokreću snovi iz jednoroga, ali to možete iskusiti i sami.
Držite čašu, a zatim je stavite prstom tako da vam zazvoni. Zvuk je čaša koja se vrsi naprijed i natrag po svojoj rezonantnoj frekvenciji. Dok rotirate čašu, također se okreće naprijed-natrag, ali zaostaje za orijentacijom, na vrlo predvidljiv način.
Kada se ove oscilacije događaju tisuću puta u sekundi u kristalnom kristalu, moguće je otkriti sitne pokrete i zatim ih uzeti u obzir.
Tako će James Webb ostati zaključan u svojim ciljevima.
Ova je tehnologija letela na misiji Cassini u Saturnu i savršeno je funkcionirala. U stvari, od lipnja 2011, NASA je izvijestila da su ovi instrumenti doživjeli 18 milijuna sati neprekidnog rada u svemiru na više od 125 različitih svemirskih letjelica bez ijednog kvara. Zapravo je vrlo pouzdan.
Nadam se da će to raščistiti. Kotači s reakcijama ili zamahom koriste se za preusmjeravanje svemirskih letjelica u svemir, tako da se mogu suočiti u različitim smjerovima bez upotrebe pogonskog goriva.
Žiroskopi se koriste da bi svemirski teleskop bio precizno usmjeren prema cilju, kako bi se osigurali najbolji znanstveni podaci. To mogu biti mehanički centrifugalni kotači ili se koriste rezonancijom vibrirajućih kristala da otkriju promjene u inerciji.
