«Клипер» для океана Европы: подробности проекта по поиску внеземной жизни
Трудно назвать еще хотя бы один межпланетный полет последнего десятилетия, начало которого ожидали бы с таким интересом, как запуск автоматической межпланетной станции Europe Clipper. Ее путешествие должно стать одним из самых захватывающих событий в истории исследований планет Солнечной системы. Цель - подтвердить или опровергнуть возможность существования жизни в подледном океане одного из спутников Юпитера.
Курс - на Марс
В начале этой недели ракета-носитель Falcon Heavy компании SpaceX взлетела со стартового комплекса LC-39A Космического центра имени Кеннеди во Флориде, и первоначально вышла на промежуточную околоземную орбиту высотой 165 на 185 км и наклонением 32 градуса. Повторное включение верхней ступени вывело на траекторию отлета с Земли зонд Europe Clipper, созданный NASA, сформировав гелиоцентрическую орбиту 1 × 2,7 астрономические единицы.
Аппарат взял курс на Марс, чтобы выполнить гравитационный маневр в поле тяготения Красной планеты в феврале 2025 года. Если все пойдет хорошо, Europe Clipper окажется в окрестностях Юпитера в апреле 2030-го. Цель проекта Europe Clipper — изучение характеристик внутреннего океана спутника газового гиганта Европы, самого, пожалуй, перспективного места для существования внеземной жизни в Солнечной системе.
Поскольку достижение целей полета требует больших энергетических затрат, еще недавно предполагалось, что аппарат отправит в космос сверхтяжелая ракета SLS Block 1, разработанная по лунному проекту Artemis. Но из-за экономических соображений и неготовности этого носителя запуск провели с помощью Falcon Heavy, причем все блоки ракеты использовали запас топлива только для разгона полезного груза, выполнялись в одноразовом варианте (два боковых ускорителя B1064 и B1065 (шестой полет каждого) и новая центральная ступень B1090) и не совершали посадку. Это был второй пуск Falcon Heavy в 2024 году и 11-й по счету в истории носителя, а также 96-й орбитальный запуск для средств выведения семейства Falcon в этом году.
Межпланетный зонд стартовал буквально на следующий день после проведения пятого испытательного полета системы Super Heavy/Starship компании SpaceX. Публичный шум, поднятый давно ожидаемым «представлением» от Илона Маска, заглушил восторги ученых по поводу гораздо более значительного межпланетного проекта Europe Clipper. К тому же старт, состоявшийся в пределах баллистического окна (с 10 по 31 октября), пришлось отложить на четыре дня из-за урагана Милтон.
Почти полсотни подлетов к Европе
Межпланетная станция Europe Clipper должна определить точные параметры океана Европы, закрытого ледяной корой толщиной в многие километры, которая сковывает поверхность самого маленького галилеева спутника Юпитера (по диаметру Европа меньше Луны — 3122 против 3475 км).
Несмотря на относительно малые размеры небесного тела, его океан содержит в два раза больше воды (как жидкой, так и в виде льда), чем все водоемы Земли вместе взятые. Ученые хотят выяснить, могут ли там сложиться условия для жизни.
Главные трудности на пути познания — ледяная кора точно неизвестной толщины (расчетные модели дают значения от 10 до 40 км) и радиация. Хотя эта луна Юпитера не получает смертельных доз, достающихся, например, Ио (самый внутренний и второй по величине галилеев спутник, вращающийся внутри радиационных поясов газового гиганта), создание зонда, который будет проводить много времени в адских условиях — технологически сложная задача. По этой причине Europe Clipper не станет выходить на орбиту вокруг Европы, а только выполнит 49 близких облетов этого тела, наворачивая эллипсы вокруг Юпитера.
Тяжелая межпланетная станция
Europa Clipper — флагманский (то есть из самых дорогих) проект NASA. Стоимость проекта оценивается в $5,2 млрд. Созданный Лабораторией реактивного движения, этот зонд массой 6 тонн (из которых 2,75 т приходится на топливо бортовой двигательной установки) тяжелее Cassini, исследовавшего Сатурн и примерно соответствует другому летящему к Юпитеру зонду JUICE. Однако последний несет больше топлива (3,65 т), поскольку будет выполнять маневры для выхода на орбиту Ганимеда, в то время как Europa Clipper станет обращаться только вокруг Юпитера и совершать близкие облеты Европы.
Размеры "Клипера" перед запуском составляют 3,0 х 4,7 х 3,0 м, а размах «крыльев» солнечных батарей после развертывания — 30,5 м. Конструкция разделена на центральный цилиндр (длиной 3 м и диаметром 1,5 м) с топливными баками внутри, и водруженный над ним короб из алюминиево-цинкового сплава — там расположена большая часть бортовой радиоэлектроники.
Толстые (9,2 мм) металлические стенки короба защищают приборы и системы от радиации. Антенна для связи с Землей с высоким коэффициентом усиления HGA диаметром 3 м работает в X-диапазоне и Ka-диапазоне. Двигательная установка включает баки окислителя (четырехокись азота) и горючего (монометилгидразин), вытесняемые сжатым гелием, и 24 двигателя с тягой по 22 Н (2.25 кгс) каждый, сгруппированных в связки по четыре и расположенных на концах «мачт-рычагов» снаружи зонда.
Прямоугольные панели солнечных батарей огромны, длиной 14,2 м и шириной 4,1 м каждая, поскольку они должны генерировать достаточно электроэнергии для работы аппарата у Юпитера, где он будет получать всего 4% света, достигающего Земли. Europa Clipper станет третьим зондом с солнечными батареями, вышедшим на орбиту Юпитера после Juno и JUICE (и всего четвертым после Galileo). Панели изготовлены в Европе компанией Airbus Defence and Space, которая делала характерные крестообразные батареи для JUICE. В свою очередь, мачта магнитометра имеет длину 8,55 м, а две пары радиолокационных антенн, торчащих перпендикулярно солнечным батареям, имеют длину 17,6 м.
В поисках органики
Europa Clipper будет исследовать "европейский" океан с помощью девяти передовых научных приборов.
Основную задачу решает радар REASON (Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Nearsurface), который будет измерять толщину ледяной коры. Один из ключевых вопросов, на которые должно дать ответ исследование — свойства этой коры (она твердая или нет, есть ли в ней каверны, заполненные жидкостью).
Для этого у REASON есть две пары высокочастотных монопольных антенн по 8 м каждая (работают на частоте 9 МГц), и четыре петлевых, по 3 м каждая (на частоте 60 МГц), расположенные под панелями солнечных батарей. Первые антенны дадут подробные данные о строении ледяной коры планеты и океана на глубине до 35 км (напомним: толщина ледяного покрова оценивается от 3 до 40 км, отсюда и эта цифра), а вторые обеспечат высокое разрешение на глубине до 10 км.
Состав поверхности спутника изучит инфракрасный картирующий спектрометр MISE (Mapping Imaging Spectrometer for Europa), уделяя особое внимание веществам и минералам, отложившимся в районах, где на поверхность недавно поднялся глубинный лед. Это может дать ключ к разгадке состава океана (при условии существовании его связи с поверхностью). MISE работает в диапазоне от 0,8 до 4,8 мкм и имеет поле зрения 4,3 градуса.
Карту поверхности с нанесенными на нее «горячими» точками (самые активные в геологическом смысле области) составит инфракрасная камера E-THEMIS (Europa Thermal Emission Imaging System), также представляющая дополнительную информацию о составе вещества. E-THEMIS будет работать в трех диапазонах (от 7 до 14 мкм, от 14 до 28 мкм, и от 28 до 50 мкм) с разрешением не менее 25 км на пиксель изображения.
Камера видимого диапазона EIS (Europa Imaging System) получит самые подробные изображения Европы, превосходя картинки, переданные зондами Voyager-1 и Voyager-2, Galileo и Juno. EIS составит карту 80% поверхности луны с разрешением 100 м и 5% — с разрешением 25 м (или выше). Окончательное разрешение будет зависеть от конкретной высоты каждого пролета. EIS включает две камеры: одну с широким полем зрения (WAC), и другую — с узким, для съемки с высоким разрешением (NAC). Оптика последней представлена телескопом Ричи-Кретьена (диаметр апертуры 15.2 см, фокусное расстояние 1 м, поле зрения 1,2 х 2,3 градуса), которые может перемещаться по одной оси на угол до 30°, рассматривая интересующие области. Камера WAC имеет апертуру 8 мм, фокусное расстояние 4,6 см и поле зрения 24 х 48 градуса. Обе камеры оснащены CMOS-детекторами с разрешением 2048 x 4096 пикселей и позволяют получать цветные изображения 25% поверхности в спектральном диапазоне от 350 до 1050 нм.
Станция попытается найти неуловимые гейзеры Европы с помощью ультрафиолетового спектрографа Europa-UVS (Europa Ultraviolet Spectrograph), способного обнаруживать струи льда, жидкости и пара.
Прибор будет работать в диапазоне от 55 до 206 нм. Если зонд обнаружит гейзер и пересечет его, прибор SUDA (SUrface Dust Analyser) поможет проанализировать частицы пыли и установить их состав и характеристики. SUDA будет измерять частицы размером от 100 до 1000 нм, которые сталкиваются с космическим аппаратом на скорости от 3,5 до 7,5 км/с.
Усовершенствованный спектрометр MASPEX (Mass Spectrometer for Planetary Exploration/Europa) подробно проанализирует неорганические и органические вещества, присутствующие в гейзерах или — если их невозможно будет уловить — в разреженной атмосфере Европы и на поверхности льда. Напрямую жизнь MASPEX обнаружить не сможет, но найдет ключ к определению того, пригоден ли для нее океан Европы.
Магнитометр ECM (Europa Clipper Magnetometer) и плазменный зонд PIMS (Plasma Instrument for Magnetic Sounding) будут определять, как меняется магнитосфера Юпитера вблизи Европы под воздействием внутреннего океана, благодаря чему можно будет узнать больше об объеме жидкости, pH и солености огромного подледного водоема. Наконец, гравитационный прибор, использующий радиосигналы, будет служить для установления ограничений на модели внутренней структуры естественного спутника, особенно те, которые связаны с глубиной океана.
Отработавший свое "Клипер" разобьют о Ганимед
Europa Clipper достигнет Юпитера не по «прямой» траектории — даже у одноразового варианта Falcon Heavy нет для этого достаточной мощности (SLS, от которой отказались, могла закинуть зонд прямо к Юпитеру) — но позволит не использовать для гравитационного маневра пролет рядом с Венерой. В последнем случае зонд пришлось бы модифицировать, защищая не только от радиации, но и от перегрева.
Пертурбационные маневры, выполняемые при пролете вблизи Марса (предположительно 28 февраля 2025 года) и вблизи Земли (2 декабря 2026 года) позволят достичь цели (11 апреля 2030 года), хотя в какой-то момент зонд даже улетит дальше орбиты планеты-гиганта. После импульса торможения автоматическая станция сможет изучать Европу и остальную систему Юпитера до завершения основной части экспедиции в 2034 году. Если к этому времени зонд еще будет работать, задачи проекта смогут расширить.
Первый облет Европы (E1) запланирован на 7 марта 2031 года. 49 пролетов будут проходить на высотах от 25 до 100 км от ледяного покрова спутника. В конце миссии планируется похоронить зонд, разбив его... о Ганимед, чтобы избежать загрязнения поверхности Европы, перспективной для поисков внеземной жизни.
Послание «европейцам»
Europa Clipper несет танталовую табличку с посланием от землян. Пластина, являющаяся частью защитной конструкции, экранирующей авионику, имеет треугольную форму (18 х 28 см) и содержит на одной стороне слово «вода» на 103 языках. Это не текст и не аудиозапись, а рисунок формы звуковой волны при произнесении слова на каждом языке (в центре — «вода» согласно американскому языку жестов).
На другой стороне таблички — формула Дрейка для расчета числа внеземных цивилизаций в Галактике, с которыми человечество имеет шанс вступить в контакт, портрет ученого-планетолога Рона Грили, рукописная копия стихотворения «Похвала тайне: поэма для Европы» американской поэтессы Ады Лимон, а также микрочип с записью 2,6 миллионов имен, представленных в рамках общественной инициативы NASA «Послание в бутылке».
Кстати, после прочтения романа Лю Цысиня «Задача трех тел» начинаешь сильно сомневаться как в общественной значимости, так и в безопасности таких посланий для Земли...
