In acest articol care incheie seria noastra scurta despre sonda Messenger, vom incerca sa tragem o concluzie si sa vedem care va fi viitorul explorarii lui Mercur in urmatoarea decada.
Sub prisma ultimelor reduceri de bugete in domeniul aerospatial lucrurile nu par sa se miste in directia buna astfel ca, cel putin deocamdata, o singura sonda este planificata sa calce pe urmele lui Messenger. Este vorba despre satelitul europeano-japonez Bepi-Colombo ce se afla in faza de constructie si testare, urmand sa fie lansat, cel mai probabil, in luna iulie a anului 2014 si sa ajunga la destinatie undeva in 2020.
Fara sa revenim asupra caracteristicilor unui zbor in jurul lui Mercur- cei interesati le pot gasi in articolele anterioare SpaceAlliance- vom incerca sa punem in oglinda solutiile tehnice gasite de ingineri in cele doua cazuri si daca este posibil sa facem o comparatie intre cele doua misiuni.

Cateva cuvinte asadar despre BepiColombo.
Denumita dupa omul de stiinta italian Giuseppe Colombo ce si-a dedicat mare parte din activitate studiului planetei Mercur, misiunea BepiColombo va duce la alte dimensiuni explorarea pe care o va realiza Messenger, aducand o colaborare directa, prima la acest nivel, intre ESA si JAXA.
Vor fi de fapt 2 sateliti- Mercury Planetary Orbiter (MPO) construit de ESA si Mercury Magnetosphere Orbiter (MMO) construit de JAXA –grupati in modulul Mercury Transfer Module (MTM) ce asigura transferul de la Pamant la Mercur si plasarea celor doua probe pe o orbita stabila.
Aceasta platforma, care poate fi vazuta ca un container care va inmagazina cei doi sateliti (inactivi pe durata transferului) va asigura protectia acestora la variatiile termice si de radiatii pe care acest zbor le implica, dar rolul sau principal va fi, dupa cum spuneam sa asigure propulsia necesara plasarii in jurul lui Mercur.
Odata ansamblul ajuns la destinatie MTM se va separa si va lasa cei 2 sateliti in orbite independente.
Trebuie deasemenea amintit ca initial s-a propus si un al treilea modul- Mercury Surface Element (MSE)- in fapt un ‘lander’ de dimensiuni mici ce ar fi trebuit sa opereze timp de o saptamana la suprafata planetei, dar acesta a fost ulterior anulat din cauza constrangerilor financiare.

Misiunea Bepi-Colombo a fost luata in discutie pentru prima data in mai 1993. In 2000 ESA si-a reafirmat interesul pentru construirea unui satelit care sa exploreze planeta Mercur, iar in februarie 2007 a intrat oficial in programul Cosmic Vision. Intreaga misiune va costa Europa aproximativ 1 miliard de euro incluzand constructia satelitului, lansarea si operarea.

Lansarea va avea loc de la baza spatiala din Kourou, Guiana Franceza, la bordul unei rachete Ariane 5. Data oficiala de lansare este astazi 19 iulie 2014, dar o a doua fereastra este posibila (august 2015) in cazul ca se rateaza aceasta tinta.
Transferul orbital va folosi la fel ca si in cazul lui Messenger tehnica gravitatii asistate –cu “fly-by” (traiectorie de accelerare) in jurul Pamantului, a lui Venus si a lui Mercur, asa cum vom detalia mai tarziu- dar si cu folosirea presiunii solare sau a propulsiei electrice.
ESA va fi responsabila pentru calatoria interplanetara si inscrierea celor doi sateliti in jurul planetei Mercur, iar pe urma fiecare agentie isi va opera separat propria sonda.
Rezultatele stiintifice cat si infrastructura vor fi insa folosite in comun, misiunea BepiColombo avand la dispozitie statiile Cebreros (35m in diametrul antenei) si Usuda (64 m in diametrul antenei), dar si reteaua americana DSN pentru cazurile de urgenta.

MPO este un satelit care masoara 1.6 x 1.7 x 1.9 m si care cantareste 1147 kg (fara combustibil) din care 80 de kg numai partea de instrumente. In total 11 experimente sunt gazduite la bord :
•    BELA – BepiColombo Laser Altimeter
•    ISA – Italian Spring Accelerometer
•    MERMAG – Mercury Magnetometer
•    MERTIS-TIS – Mercury Thermal Infrared Spectrometer
•    MGNS – Mercury Gamma ray and Neutron Spectrometer
•    MIXS – Mercury Imaging X-ray Spectrometer
•    MORE – Mercury Orbiter Radio science Experiment
•    PHEBUS – Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy
•    SERENA – Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances (Neutral and ionised particle analyser)
•    SIMBIO-SYS – Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System (High resolution and stereo cameras, Visual and NIR spectrometer)
•    SIXS – Solar Intensity X-ray Spectrometer

Stabilizat triaxial, satelitul va calatori intr-o orbita polara cu inclinatia de 90 de grade, perigeul la 400 km si apogeul la 1508 km. In aceasta configuratie satelitul va avea o perioada orbitala de 2.3 ore.
Controlul orbital se va realiza cu ajutorul a patru motoare de 22 N, iar satelitul va fi dotat in paralel cu 3 camere stelare.
Puterea generata de panourile solare va fi cuprinsa intre 935 si 1565 W suficient pentru consumul instrumentelor –care este estimat la 100-174 W. In total se asteapta receptia a 1550Gbiti de date pentru perioada nominala de operare de 1 an- la o rata de 50kbps (folosind comunicatie in benzile X si Ka).

MMO-satelitul de origine japoneza- va masura 1.1 m inaltime x 1.9 m diametru si va cantari 275 de kg (fara combustibil) din care 45 de kg numai instrumentele stiintifice :
•    MERMAG-M/MGF – Mercury Magnetometer
•    MPPE – Mercury Plasma Particle Experiment
•    PWI – Plasma Wave Instrument
•    MSASI – Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager
•    MDM – Mercury Dust Monitor

Va fi un satelit stabilizat prin rotatie (un ‘spinner’ in terminologia consacrata) la viteza de 15 rpm, cu axa de rotatie la 90 de grade fata de Soare.
Orbita in care va zbura va fi deasemenea una polara cu inclinatie de 90 de grade, perigeul la 400 km si apogeul la 11824 km. Perioada orbitala va fi in aceste conditii de 9.3 ore.
Sistemul AOCS (attitude and orbit control system) va avea in sarcina 6 motoare alimentate de GN2 (4.25 kg), fiecare cu 0.2 N, 2 senzori solari, o camera stelara si un dispozitiv de scadere a momentului de rotatie al platformei.
Puterea electrica generata va varia intre 348 si 450 W in functie de distanta fata de Soare, dar va acoperi suficient consumul instrumentelor estimat la 90 W.
Satelitul va comunica cu solul in banda X la o rata de 5kb/s, ceea ce va duce la o colectie de date de 160Gbiti/an.

Cum aminteam mai devreme transferul orbital- partea critica a misiunii BepiColombo- va beneficia de aportul de viteza adus de gravitatia Pamantului, a lui Venus si a lui Mercur- similar cu ceea ce NASA a folosit in cazul lui Messenger.

Urmatorul tabel listeaza agenda misiunii si principalele evenimente ce vor avea loc :

credit SpaceAlliance.ro

In aceasta configuratie, durata de transfer orbital a scazut fata de Messenger de la 6.5 ani la 6 ani. Aceasta si datorita rolului propulsiei electrice.
SEP sau ‘solar electric propulsion’ este un sistem mostenit de la misiunea europeana Smart-1, cea care l-a folosit pentru prima data in jurul Lunii.
Pentru cei interesati aici pot fi consultate datele orbitale ale lui Messenger.

MTM-Mercury Transfer Module- cel care il va folosi, va avea o masa de 4.2 tone la lansare din care 32% va fi combustibil, respectiv 816 kg de combustibil conventional chimic si 500 kg de xenon pentru alimentarea motoarelor electrice.
Sistemul chimic de propulsie este format din 8 motoare bipropelant (N2O4-MMH) de cate 10 N fiecare, in timp ce sistemul electric de propulsie grupeaza 4 motoare.
In aceste conditii se va putea atinge un delta-v de 5.025 km/s (in cazul propulsiei electrice) si 1.065 km/s pentru propulsia conventionala, oricum cifre mult superioare celor pe care le-a avut la dispozitiei Messenger (2.2 km/s).

MTM va fi capabil sa genereze prin propriile panouri solare, care au o suprafata de 40 m2, o energie ce va varia intre 7 kW la distanta maxima de Soare a calatoriei sale (1.13 AU) si 14 kW la distanta minima (0.62 AU), aceste cifre fiind esentiale pentru stabilirea performantelor finale ale sistemului SEP (pentru care se estimeaza un consum mediu de 10.6 kW).
Spre exemplu la o distanta de 1 AU nominal, energia electrica va fi folosita pentru operarea unui singur motor odata, proiectantii estimand o forta de tractiune de 100-130 mN, dar pe masura ce distanta fata de Soare scade, datorita surplusului de energie doua motoare vor putea fi folosite in paralel rezultand o forta de tractiune de pana la 290 mN.

Desi nu vine cu cifre spectaculoase in comparatie cu propulsia clasica (prin prisma fortei de tractiune rezultate),  propulsia electrica are multe avantaje in cazul calatoriilor interplanetare. Acolo, unde nu este nevoie de manevre executate pe termen scurt, ci unde dimpotriva lucrurile sunt bine planificate, o propulsie constanta, chiar daca la valori mici, poate accelera un satelit la viteze suficient de mari (prin timpul de actiune lung).
Folosirea unei propulsii electrice la bordul lui BepiColombo scade riscul unei singure manevre de anvergura si ofera posibilitatea modificarii din mers a scenariului.
Astfel prin folosirea ei intensiva se poate salva foarte mult din combustibilul clasic.
In principiu, daca lucrurile merg cum trebuie, la sosirea in apropierea lui Mercur, BepiColombo va avea o viteza suficient de mica pentru a usura capturarea naturala de catre planeta.
Vor fi desigur necesare manevre suplimentare executate cu propulsia chimica, dar acestea vor fi de mai mica anvergura si oricum nu critice ca in cazul lui Messenger- respectiv un delta-v de 325 m/s in cazul lui MMO si 620 m/s in cazul lui MPO.
De aceea este foarte probabil ca cea mai mare parte a combustibilului de care dispun cei 2 sateliti sa ramana neatins si astfel, daca electronica de bord se va comporta la nivelul asteptarilor, misiunea se va putea extinde cu inca un an fata de durata de viata nominala.
Evident acest lucru nu poate decat sa bucure comunitatea stiintifica pentru ca va insemna o colectie mai mare de date si implicit o mai buna cunoastere a vecinului nostru din sistemul solar.

Daca este sa ne referim la constrangerile tehnice impuse celor doi sateliti – ele sunt aceleasi despre care am discutat si in cazul lui Messenger. In primul rand emisia ce vine dinspre Soare si care va putea atinge valori de pana la 14kW/m2 si cea care vine dinspre suprafata lui Mercur- cu valori pana la 6kW/m2.

Pentru a le face fata, proiectantii lui Messenger au trebuit sa redeseneze orbita satelitului –alegand o traiectorie eliptica inalta- astfel ca satelitul sa se apropie de suprafata doar pentru o scurta perioada petrecand doar 5% din perioada orbitala in conditii de solicitare termica maxima. Astfel, in restul orbitei, exista suficient timp pentru radierea surplusului de caldura inmagazinat in structura satelitului.
Acest lucru are insa si dezavantajul ca perioadele care permit observatii la rezolutii maxime sunt limitate.

In cazul lui MPO proiectantii europeni au impins limitele tehnologice, apogeul orbitei a scazut la 1508 km si astfel satelitul va trebui sa petreaca mult mai mult timp in apropierea planetei. In acest caz stabilizarea in zbor va fi esentiala- si cum 5 din cele 6 fete ale satelitului vor fi iluminate in conditiile non-eclipsa- pe cea de a sasea s-a ales sa se monteze un radiator de caldura. Pentru a functiona insa in bune conditii acesta trebuie ferit de actiunea directa a Soarelui iar sistemul AOCS va trebui sa rezolve autonom (data fiind comunicatia dificila cu statiile de sol) aceasta problema.

Pentru MMO proiectantii japonezi au ales sa copieze solutia americana cu panouri solare ce functioneaza in ambele sensuri –si cu rolul de a capta energie dar si cu rolul de a reflecta- astfel ca 50% din celulele panorului sunt celule solare in timp ce celelalte 50% sunt oglinzi (OSR- optical solar reflectors). Tot de la Messenger s-a pastrat si ideea montarii unui scut termic care ar trebui sa limiteze actiunea razelor solare.
In ambele cazuri va fi insa vorba de un sistem complex de protectie termica- atat activa cat si pasiva- ce va face loc unor noi materiale compozite, rezistente la variatiile de temperatura si la degradarea in timp.
Odata cu BepiColombo vom avea posibilitatea sa testam in zbor real aceste noi materiale, iar Europa spera ca aceste tehnologii sa justifice investitia si sa radieze in scurta vreme si in alte domenii ale industriei de pe batranul continent.

Tragand o concluzie a calatoriei noastre virtuale spre Mercur nu putem decat sa spunem ca 2020 este un termen indepartat si ca pana atunci va trebui sa ne multumim cu imaginile si datele venite de la sonda Messenger.
Ca iubitori ai stiintei speram desigur ca aceste doua misiuni nu vor ramane singulare si ca in pofida constrangerilor financiare curiozitatea stiintifica va invinge si ele vor fi urmate si de alte explorari.

credit ESA

Articole anterioare:
partea 1
partea 2
partea 3
partea 4
partea 5