Neverjetno je misliti, da so teleskopi v vesolju prav zdaj, ure, dneve in celo tedne, ki usmerjajo pogled na oddaljene predmete. Zagotavljanje tako stabilnega in natančnega zornega kota, da lahko izvemo podrobnosti o galaksijah, eksoplanetih in še več.
In potem, ko je čas, lahko vesoljsko plovilo preusmeri pogled v drugo smer. Vse brez uporabe goriva.
Vse je zahvaljujoč tehnologiji reakcijskih koles in žiroskopov. Pogovorimo se o tem, kako delujejo, kako se razlikujejo in kako je njihov neuspeh končal misije v preteklosti.
Tu je hitri odgovor. Reakcijska kolesa omogočajo vesoljskim plovilom, da spremenijo svojo usmerjenost v vesolju, medtem ko žiroskopi ohranjajo teleskop neverjetno stabilen, tako da lahko z visoko natančnostjo kažejo na cilj.
Če ste poslušali dovolj epizod Astronomy Cast, veste, da se vedno pritožujem nad reakcijskimi kolesi. Vedno se zdi, da je misija neuspešna pri misijah, ki jih predčasno konča, preden se znanost sploh uvede.
Verjetno sem v preteklosti zamenljivo uporabljal izraze reakcijska kolesa in žiroskopi, vendar služijo nekoliko drugačnim namenom.
Najprej se pogovorimo o reakcijskih kolesih. To je vrsta vztrajnika, ki se uporablja za spreminjanje orientacije vesoljskega plovila. Pomislite na vesoljski teleskop, ki mora preklopiti iz cilja v cilj, ali na vesoljsko plovilo, ki se mora za sporočanje podatkov obrniti nazaj na Zemljo.
Znana so tudi kot momentna kolesa.
V vesolju ni zračnega upora. Ko se kolo obrne v eno smer, se celoten teleskop obrne v nasprotno smer, zahvaljujoč Newtonovemu tretjem zakonu - saj veste, da za vsako dejanje obstaja enaka in nasprotna reakcija. Ko se kolesa vrtijo v vseh treh smereh, lahko teleskop obrnete v katero koli smer.
Kolesa so pritrjena na mesto in se vrtijo med 1.000 in 4.000 vrtljaji na minuto, kar vzpostavi kotni zagon v vesoljskem plovilu. Da bi spremenili orientacijo vesoljskega plovila, spreminjajo hitrost, s katero se vrtijo kolesa.
Tako nastane navor, ki povzroči, da vesoljsko plovilo premika svojo usmerjenost ali preces v izbrano smer.
Ta tehnologija deluje samo z električno energijo, kar pomeni, da vam ni treba uporabljati pogonskega goriva, če želite spremeniti usmerjenost teleskopa. Dokler imate dovolj vrtenja rotorjev, lahko nadaljujete s spreminjanjem smeri, pri čemer uporabljate samo moč Sonca.
Reakcijska kolesa se uporabljajo na skoraj vseh vesoljskih plovilih, od majhnih kubesatov do vesoljskega teleskopa Hubble.
S tremi kolesi lahko v treh dimenzijah spremenite svojo usmerjenost na katero koli točko. Toda LightSail 2 Planetarne družbe ima samo eno zagonno kolo, da premakne orientacijo svojega sončnega jadra, od roba proti Soncu in nato ob strani, da bi svojo orbito dvignil sam zaradi sončne svetlobe.
Seveda smo reakcijska kolesa najbolj poznani zaradi časa, ko so odpovedovali, zato je vesoljska plovila odvzeta provizija. Misije, kot sta FUSE in JAXA's Hayabusa.
Keplerjeva izguba reakcijskih koles in domiselna rešitev
Najbolj znano je, da je bil NASA-in vesoljski teleskop Kepler 9. marca 2009 lansiran z namenom najti planete, ki krožijo po drugih zvezdah. Kepler je bil opremljen s 4 reakcijskimi kolesi. Potrebni so bili trije, da je teleskop skrbno usmeril v nebesno območje in nato še rezervni.
Gledala je, kako bi se katero koli zvezdo na svojem vidnem polju spremenilo v svetlost za faktor 1 na 10.000, kar kaže na to, da bi planet lahko prehodil spredaj. Za varčevanje pasovne širine je Kepler dejansko prenašal le informacije o spremembi svetlosti samih zvezd.
Julija 2012 ni uspelo eno od Keplerjevih štirih reakcijskih koles. Še vedno jih je imel tri, kar je bilo najmanj, kar je bilo potrebno, da bi bil dovolj stabilen, da nadaljuje s svojimi opažanji. In nato maja 2013 je NASA sporočila, da je Kepler imel napako z drugim svojim kolesom. Torej je bilo vse do dveh.
S tem so se zaustavile glavne znanstvene operacije Keplerja. Ker delujeta samo dve kolesi, ni mogel več vzdrževati svojega položaja dovolj natančno za sledenje svetlosti zvezd.
Čeprav bi bila misija lahko neuspešna, so inženirji iznašli domiselno strategijo in s pomočjo svetlobnega tlaka Sonca delovali kot sila v eni osi. S popolnim uravnoteženjem vesoljskega plovila na sončni svetlobi so lahko še naprej uporabljali druga dva reakcijska kolesa za nadaljevanje opazovanja.
Toda Kepler je bil prisiljen pogledati majhen delček na nebu, ki se je zgodil v skladu z njegovo novo usmeritvijo, in svojo znanstveno misijo preusmeril na iskanje planetov, ki krožijo okoli rdečih pritlikavih zvezd. Za prenos podatkov je uporabil svoje vgrajeno gorivo, ki se je vrnil na Zemljo. Keplerju je 30. oktobra 2018 končno zmanjkalo goriva, NASA pa je zaključila svojo misijo.
Hkrati, ko se je Kepler boril s svojimi reakcijskimi kolesi, je Nasina misija Dawn imela težave s povsem enakimi reakcijskimi kolesi.
Zore izgubijo reakcijska kolesa
Dawn se je začel 27. septembra 2007 s ciljem raziskati dva največja asteroida v Osončju: Vesta in Ceres. Vesoljsko plovilo je prišlo v orbito okoli Veste julija 2011, naslednje leto pa je preučevalo in preslikalo svet.
Avto 2012 naj bi zapustil Vesta in se odpeljal v Ceres, vendar je bil odhod zaradi težav z reakcijskimi kolesi odložen za več kot mesec dni. Od leta 2010 so inženirji v enem od svojih koles zaznavali čedalje več trenja, zato je vesoljsko plovilo prešlo na tri delujoča kolesa.
In nato leta 2012 je drugo kolo začelo dobivati tudi trenje, vesoljsko plovilo pa je ostalo le z dvema preostaloma kolesoma. Ni dovolj, da bi bil popolnoma orientiran v prostoru, ki uporablja samo elektriko. To je pomenilo, da mora začeti uporabljati svoje hidrazinsko gorivo, da ohrani orientacijo skozi preostanek svoje misije.
Dawn se je pripeljala do Ceres in z natančno uporabo pogonskega goriva je lahko preslikala ta svet in njegove bizarne površinske značilnosti. Končno je konec leta 2018 vesoljsko plovilo zmanjkalo pogonskega goriva in ni več moglo ohraniti orientacije, preslikati Ceres ali poslati signalov nazaj na Zemljo.
Vesoljsko plovilo bo še naprej krožilo po Ceres in se nemočno treslo.
Obstaja dolg seznam misij, katerih reakcijska kolesa niso uspela. In zdaj znanstveniki mislijo, da vedo, zakaj. Leta 2017 je bil objavljen članek, ki je določil, da okolju vesolje povzroča težavo. Ko geomagnetne nevihte mimo vesoljskega plovila ustvarjajo naboje na reakcijskih kolesih, ki povzročajo povečanje trenja in jih hitreje obrabijo.
Bom dal povezavo do odličnega video posnetka Scotta Manleyja, ki je podrobneje opisan.
Hubblov vesoljski teleskop in njegovi žiroskopi
Vesoljski teleskop Hubble je opremljen z reakcijskimi kolesi za spreminjanje svoje celotne usmeritve, celoten teleskop pa vrti okoli hitrosti minutne roke na uro - 90 stopinj v 15 minutah.
Da pa ostane osredotočen na eno tarčo, uporablja drugo tehnologijo: žiroskope.
Na Hubblu je 6 žiroskopov, ki se vrtijo z 19.200 vrtljaji na minuto. So veliki, masivni in se vrtijo tako hitro, da se njihova vztrajnost upira morebitnim spremembam usmeritve teleskopa. Najbolje deluje s tremi - ki ustrezajo trem dimenzijam prostora - lahko pa deluje z dvema ali celo enoma z manj natančnimi rezultati.
Avgusta 2005 so bili Hubbleovi žiroskopi dotrajani in NASA je prešla v dvo-žiroskopski način. Leta 2009 so med servisno misijo 4 NASA astronavti obiskali vesoljski teleskop in zamenjali vseh šest njegovih žiroskopov.
To bo verjetno zadnji astronavti kdaj obiskali Hubble, njegova prihodnost pa je odvisna od tega, kako dolgo trajajo ti žiroskopi.
Kaj pa James Webb?
Vem, da že samo omemba vesoljskega teleskopa James Webb povzroči, da so vsi živčni. Do zdaj je bilo vloženih več kot 8 milijard dolarjev, ki jih je treba začeti predstavljati v približno dveh letih. Letelo bo do točke Lagrange Zemlja-Sonce L2, ki je približno 1,5 milijona kilometrov oddaljena od Zemlje.
Za razliko od Hubbleja James Webb ne more izleteti, če bi ga popravil, če bi šlo kaj narobe. In če vidimo, kako pogosto žiroskopi niso uspeli, se to res zdi nevarna šibka točka. Kaj pa, če žiroskopi Jamesa Webba ne uspejo? Kako jih lahko nadomestimo.
James Webb ima na krovu reakcijska kolesa. Zgradil jih je Rockwell Collins Deutschland in podobni so reakcijskim kolesom na NASA-in misiji Chandra, EOS Aqua in Aura - tako da je drugačna tehnologija od neuspelih reakcijskih koles na Dawn in Kepler. Misija Aura je leta 2016 zastrašila, ko se je eno od njegovih reakcijskih koles vrtilo, a so si ga po desetih dneh opomogli.
James Webb ne uporablja mehanskih žiroskopov, kot je Hubble, da bi ga držal na cilju. Namesto tega uporablja drugačno tehnologijo, imenovano žiroskopi hemisferičnega resonatorja ali HRG.
Ti uporabljajo kremenovo poloblo, ki je bilo oblikovano zelo natančno, tako da odmeva na zelo predvidljiv način. Poloblo obdajajo elektrode, ki poganjajo resonanco, hkrati pa zaznajo tudi rahle spremembe v svoji orientaciji.
Vem, da to zveni kot treskanje, kot da ga poganjajo samorožne sanje, vendar to lahko doživite sami.
Držite čašo in jo nato s prstom drgnite tako, da zazveni. Zvonjenje je čaša, ki se v svoji resonančni frekvenci upogiba naprej in nazaj. Ko vrtite kozarec, se upogibanje naprej in nazaj vrti, vendar zaostaja za orientacijo na zelo predvidljiv način.
Ko se v kremenčevem kristalu ta nihanja dogajajo tisočkrat na sekundo, je mogoče zaznati drobne gibe in jih nato upoštevati.
Tako bo James Webb ostal priklenjen na svoje tarče.
Ta tehnologija je letela na misiji Cassini pri Saturnu in je delovala odlično. NASA je že junija 2011 poročala, da so ti instrumenti doživeli 18 milijonov ur neprekinjenega delovanja v vesolju na več kot 125 različnih vesoljskih plovilih brez enega samega odpovedi. Pravzaprav je zelo zanesljiv.
Upam, da se stvari razčistijo. Reakcijska ali momentna kolesa se uporabljajo za preusmerjanje vesoljskih plovil v vesolju, tako da se lahko soočijo v različnih smereh, ne da bi uporabljali pogonsko gorivo.
Žiroskopi se uporabljajo za vesoljski teleskop, ki je natančno usmerjen na cilj, za zagotovitev najboljših znanstvenih podatkov. Lahko so mehanska predilna kolesa ali pa uporabljajo resonanco vibrirajočih kristalov, da zaznajo spremembe vztrajnosti.
