LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter)

Družice Měsíce zahájila podrobný lunární průzkum, který by měl odstartovat sérii dalších misí, vrcholících návratem lidské posádky na naši jedinou přirozenou družici. Sonda LRO, která má za úkol mapovat povrch s ohledem na perspektivní místa přistání odstartovala 18. června roku 2009.

 

 

Po dlouhou dobu byla přijímána všeobecná představa o Měsíci jako o pustém, mrtvém světě, jenž nezná vodu a nemá prakticky žádnou atmosféru. Trhlinu tato představa dostala misí sondy LRO/LCROSS v podobě objevu vody v trvale zastíněných kráterech v okolí jižního pólu. Nedávné studie pak rozbouraly i ideu neexistence atmosféry obklopující bezprostředně našeho nebeského souseda, když potvrdily řídkou vrstvu atmosféry skládající se z několika neobvyklých plynů včetně sodíku a draslíku.

 

Dosavadní výzkum měsíční atmosféry

Hustota lunární atmosféry není nijak závratná, méně než milion molekul na centimetr čtvereční (atmosféra Země na úrovni moře 10 triliónů molekul). Podobnou hustotu byste našli ve výškách, kde obíhá Mezinárodní kosmická stanice (ISS) t.j. 400-500 km nad hladinou moře. Na Zemi bychom to směle nazývali vakuum, ovšem ISS tento počet molekul stačí k tomu, aby zpomalovala svou rychlost. Někdy se měsíční atmosféra označuje jako exosféra, což není přesné, neboť hustotou spíše odpovídá zemské termosféře. Ovšem dalo by se říci, že některé vlastnosti mají měsíční a pozemská exosféra společné, například to, že částice svrchní vrstvy unikají do meziplanetárního prostoru.

 

Pozorování sodíku v okolí Měsíce

Již vědecký přístroj Lunar Atmospheric Composition Experiment (LACE) dovezený na Měsíc posádkou Apolla 17 objevil atomy a molekuly některých prvků jako helium, argon, případně neon, amoniak, metan a oxid uhličitý. Speciálními teleskopy je možné odstínit odražené světlo z povrchu a pozorovat tak záření sodíku a draslíku vybuzené Sluncem.

Další zpřesnění složení atmosféry přinesla japonská sonda Kaguya (SELENE). Stručný výpis zaznamenaných iontů: H+, He++, He+, C+, O+, Na+, K+ a Ar+. Zjistila navíc, že hustota atmosféry je přímo ovlivňována slunečními fotony.

 

 

 Prvním americkým projektem, vycházejícím z prezidentské Vize kosmického výzkumu (Vision for Space Exploration) prezidenta G. W. Bushe, se stala družice Měsíce, pojmenovaná Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO).

Úkoly LRO byly definovány jako mapování povrchu Měsíce a průzkum budoucích přistávacích míst s ohledem na členitost povrchu a výskyt využitelných přírodních zdrojů. Souběžně s tím mělo být studováno přirozené radiační prostředí. Výsledkem by bylo vytipování nejvhodnějšího přistávacího místa s možností využití místních zdrojů.

 

 

Seřazeno podle nejvyšší důležitosti se jednalo o následující okruhy činností:

  • charakteristika kosmického radiačního prostředí na lunární oběžné dráze

  • globální topografie Měsíce

  • mapování přítomnosti částic vodíku s vysokým prostorovým rozlišením

  • mapování rozložení teplot v zastíněných polárních regionech

  • zobrazení povrchu v permanentně zastíněných oblastech

  • identifikace případných významných nánosů vodního ledu nehluboko pod povrchem v polárních "mrazových dolinách"

  • zdokumentování povrchu s rozlišením 1 m a lepším na budoucích přistávacích plochách

  • charakteristika světelných podmínek v polárních oblastech.

 

Konstrukce

Sondu vyrobila NASA Goddard Space Flight Center (Greenbank, Md.).

LRO je tříose stabilizovaná lunární družice se startovní hmotností 1916 kg. Suchá hmotnost obnáší 1018 kg a na pohonné látky připadá 898 kg. Těleso má tvar hranolu s připojeným panelem fotovoltaických článků o rozměru 4,27 x 3,20 m, které produkují 1850 W elektrické energie. Průměrný výkon na každém oběhu činí přibližně 800 W. Fotovoltaické články dobíjejí jednu akumulátorovou Li-ion baterii o kapacitě 80 Ah. Celkové nároky užitečného zatížení na elektrickou energii činí asi 125 W.

Komunikace se satelitem probíhá v pásmu S ve směru Země-sonda i v opačném směru se sníženou rychlostí. Pásmo Ka se využívá pro vysílání vysokou rychlostí 100 až 300 Mb/s ve směru Měsíc - Země.

Celkové odhadované náklady na misi představují přibližně 500 mil. USD.

 

Vědecké vybavení

Sonda nese 92 kg vědeckého vybavení. Na palubě je umístěno šest experimentálních přístrojů:

  • kamera LROC [=Lunar Reconnaissance Orbiter Camera] s vysokým rozlišením (až 60 cm), která je určena k podrobnému fotografování perspektivních přistávacích oblastí a dokumentaci světelných podmínek na lunárních pólech

  • laserový výškoměr LOLA [=Lunar Orbiter Laser Altimeter] slouží k měření sklonů terénu na vybraných místech a k pátrání po polárním ledu

  • neutronový detektor LEND [=Lunar Exploration Neutron Detector] má hledat vodní led a zkoumat radiační prostředí u Měsíce

  • radiometr DLRE [=Diviner Lunar Radiometer Experiment] měří teploty na měsíčním povrchu, pátrá po studených místech a možných ledových vrstvách

  • detektor záření Lyman-alfa LAMP [=Lyman-Alpha Mapping Project] studuje povrch Měsíce ve vzdálené ultrafialové oblasti, hledá povrchový led a námrazu a dokumentuje permanentně zastíněné regiony

  • teleskop kosmického záření CRaTER [=Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation] měří radiační pozadí.

NASA dále podepsala dohodu s organizací U.S. National Reconnaissance Office o spolupráci na vývoji přístroje Mini-RF, což je miniaturní radar se syntetickou aperturou, který by měl mapovat měsíční povrch.

 

Přípravy ke startu a průběh letu

Hlavní úkoly mise byly definovány na zasedání poradní skupiny v březnu 2004. Následně v červnu 2004 zveřejnila NASA výzvu (Announcement of Opportunity) institucím a firmám na podání návrhů vědeckého vybavení. Na základě došlých přihlášek vybrala v prosinci 2004 šest návrhů vědeckých experimentů uvedených výše.

 

 

Plánovaný průběh letu

Start sondy se uskutečnil 18. června 2009 z kosmodromu Kennedy Space Center na mysu Canaveral na Floridě pomocí nosné rakety Atlas V verze 401. Současně byl vynesen i objekt LCROSS. LRO byl naveden na přímou dráhu k Měsíci, kterého dosáhne za 4 až 5 dnů.

 

Po zbrždění přejde sonda na úvodní oběžnou selenocentrickou dráhu s oběžnou dobou asi 5 hodin a nejnižším bodem přibližně 100 km nad povrchem. Tato dráha bude později upravena na kruhovou ve výšce 50 km. Mise je rozvržena na jeden rok, přičemž LRO zůstane na polární dráze ve výšce mezi 30 a 70 km. Životnost by mohla být prodloužena až na 5 roků s poněkud vyšší dráhou 30 až 216 km.

 

 

Přístroje:

Kamera LROC 

[=Lunar Reconnaissance Orbiter Camera]

 Hlavním úkolem kamery LROC je vyhledat a prozkoumat potenciální místa přistání dalších expedic a tyto prostory zmapovat v metrových detailech. Ve stejném měřítku má prostudovat polární oblasti, především místa s permanentním zastíněním a místa s naopak trvalým osvětlením. K dalším úkolům patří mapování výskytu ilmenitu a dalších minerálů metodou globálního multispektrálního snímkování, posouzení rizik zásahu meteority opětovným nasnímáním míst, která byla zachycena s dostatečným rozlišením 1 až 2 m/pixel během výprav Apollo a konečně získat materiál pro zpracování základní globální morfologické mapy a pro stanovení vlastností regolitu. Aby bylo možno tomuto zadání vyhovět, bude LROC produkovat snímky s rozlišením lepším než 1 m/pixel, během celého roku pořizovat synoptické záběry pólů s rozlišením 100 m/pixel, v metrovém měřítku mapovat regiony s permanentním a takřka permanentním osvětlením u pólů. Dále bude mnohonásobně pozorovat potenciální přistávací plochy a další místa tak, aby se dala provést stereografická a fotometrická analýza topografických prvků. Bude získána sada multispektrálních dat v sedmi vlnových délkách 300 až 680 nm.

Kamerový systém LROC je tvořen trojicí kamer - dvěma úzkoúhlými a jednou širokoúhlou. Každá z úzkoúhlých panchromatických kamer (filtr 400-750 nm) má zorný úhel 2.86°, což odpovídá šířce záběru 2.5 km z výšky 50 km nad povrchem. Rozlišení činí za těchto podmínek 0.5 m/pixel. Těleso kamer je válcového tvaru o průměru 26 cm a délce 70 cm z kompozitního materiálu. Používají optiku Cassegrainova (Ritchey-Chretien) typu f/3.5 s průměrem primárního zrcadla 19.5 cm a efektivní ohniskovou délkou 700 mm. Průměrný elektrický příkon činí 6 W, špičkově až 10 W.

Širokoúhlá kamera pořizuje snímky v sedmi barvách (ve viditelném a ultrafialovém pásmu) nebo jednobarevné. Kamera má rozměr 145x92x76 mm. Používá CCD o rozměru 1024x1024 pixelů a sedm barevných filtrů centrovaných na 315, 360, 415, 560, 600 a 680 nm. Pro monochromní snímky se používá formát 1024x16 pixelů, pro barevné 704x16 pixel. Optika ve viditelné části spektra má světelnost f/5.1, efektivní ohniskovou délku 6.0 mm, průměr vstupní čočky 1.19 mm a zorné pole 1.5 miliradián/pixel, což koresponduje s rozlišením 75 m/pixel z výšky 50 km nad povrchem. V ultrafialovém oboru je použita optika f/5.3 se vstupní čočkou 0.85 mm a zorné pole 2.0 miliradián/pixel. Snímky v ultrafialovém oboru mají rozlišení 400 m/pixel. Spotřeba elektrické energie činí 4 W.

Všechny tři kamery mají společný systém, který řídí řazení snímků a komprimuje data.

 

 

Radiometr DLRE 

[=Diviner Lunar Radiometer Experiment]

Jedná se o multikanálový radiometr určený k měření teploty lunárního povrchu. Úkolem je stanovit teploty na denní i noční straně, charakterizovat tepelná data prostředí pro budoucí osídlení, prozkoumat četnost balvanů na přistávacích plochách a v globálním měřítku pátrat po ložiscích ledu, především těch, které se nacházejí blízko pod povrchem případně zcela odkrytých.

Přístroj měří odražené sluneční světlo a infračervené vyzařování v devíti kanálech pokrývajících vlnové délky od 0.3 do 200 µm. Prostorové rozlišení činí 250 m. Radiometr tvoří sestava optických prvků, závěs umožňující zaměření v elevaci i azimutu a mechanická montáž. Optická sestava je vybavena teplotní kontrolou a obsahuje dva identické teleskopy, které soustřeďují paprsky na detektor o 21 elementech. Filtry pro jednotlivá vlnová pásma jsou rozděleny mezi tyto dva teleskopy. Pomocí závěsu je možno nasměrovat teleskopy do zvoleného místa na povrchu, v prostoru nebo na kalibrační černé těleso namontované na závěsu. Podsestava elektroniky ovládá přístroj a zpracovává data. Řídí činnost jak optického vybavení, tak mechaniky závěsu.

 

 

Detektor záření Lyman-alfa LAMP 

[=Lyman-Alpha Mapping Project]

Detektor LAMP je zobrazovací ultrafialový spektrometr, který využívá slabého ultrafialového záření hvězd a vyzařování typu Lyman-alfa k zobrazení permanentně zastíněných oblastí u lunárních pólů. Jeho úkolem je identifikovat a lokalizovat vodní jinovatku a mapovat zastíněné regiony. Dále má demonstrovat možnost využití slabého záření hvězd pro příští mise. V poslední řadě má provádět analýzu lunární atmosféry a její variace.

Přístroj LAMP je dlouhý 46 cm a sestává ze vstupní apertury teleskopu, clon, štěrbiny, zrcadla dvojitého lineárního detektoru a mřížky. Ve společné skříni se nachází vlastní detektor, elektronika a nízkonapěťový zdroj.

Vedoucím výzkumného týmu je Dr. Alan Stern.

 

Laserový výškoměr LOLA 

[=Lunar Orbiter Laser Altimeter]

Výškoměr LOLA je určen k vysoce přesnému mapování s vertikálním rozlišením 1 m a horizontálním rozlišením 50 m. Výsledkem bude globální topografická mapa a geodetická síť, které budou použity během precizního zaměření, bezpečného přistání a pohybu po povrchu při výzkumných aktivitách. Výškoměr má být rovněž využit k detekci podpovrchového ledu v permanentně zastíněných kráterech v oblasti pólů.

LOLA sestává z Nd:YAG laseru, který vysílá pulsy přes difrakční optický element, který je dělí do pěti paprsků. Paprsky vytvářejí na povrchu síť o rozměru asi 50 m. Podle doby letu paprsku od zdroje k povrchu a zpět se měří vzdálenost, podle rozptylu se posuzují nerovnosti terénu a podle zeslabení signálu se určí odrazivost povrchu. Odrazivost by měla být obzvlášť vysoká na místech, kde je přítomen vodní led. Výškoměr vysílá 28 pulsů za sekundu a za celou misi by měl pořídit více než 4 miliardy měření. Doba letu paprsku je měřena s přesností až 0.6 ns, což odpovídá délkové přesnosti 10 cm. Vzhledem k nejistotě při stanovení okamžité oběžné dráhy je výsledná přesnost nižší a byla uvedena na začátku popisu přístroje.

 

 

Neutronový detektor LEND 

[=Lunar Exploration Neutron Detector]

Detektor neutronů LEND je navržen k měření proudu neutronů z oběžné dráhy. Pomocí něho budou zhotoveny neutronové albedové mapy a odhadována množství vodíku na povrchu. Hlavním úkolem přístroje je sestavit mapu rozložení vodíku s citlivostí 100 ppm a prostorovým rozlišením 5 km. Tím se dá posoudit přítomnost a mohutnost případných ložisek vodního ledu. Dále je cílem vytvořit globální model neutronové složky kosmického záření o teplotní energii až do 15 MeV ve výšce 30-50 km s prostorovým rozlišením 20-50 km.

LEND sestává z 9 neutronových čidel. Čtyři z nich jsou čítače měřící epitermální neutrony o energii větší než 0.4 eV (CSETN1-4). Dva s Dopplerovými filtry jsou určeny pro termální neutrony (STN1-2). Další dva počítají termální (STN-3) a epitermální neutrony (SETN). Poslední čidlo je scintilační senzor (SHEN), který pokrývá pásmo mezi 0.3 do 15 MeV v 16 kanálech.

 

 

Teleskop kosmického záření CRaTER 

[=Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation]

Teleskop CRaTER je určen ke studiu radiačního prostředí u Měsíce a jeho dopadů na biologické objekty. Přístroj obsahuje detektory z plastických hmot a silikonu, ekvivalentních tkáním, na nichž se ověřují efekty radiace na lidskou tkáň. Hlavním úkolem je proměření spektra nejkritičtějšího galaktického a slunečního záření. Zkoumána bude efektivnost odstínění člověka za různými typy materiálů. Výsledky poslouží k návrhu opatření pro bezpečný dlouhodobý pobyt lidí ve vesmíru.

Přístroj CRaTER se skládá z teleskopu, šesti silikonových detektorů LET [=Linear Energy Transfer] a dvou sekcí ekvivalentů tkání z plastiku TEP [=Tissue Equivalent Plastic]. Válcový teleskop míří do dvou směrů. Směrem k Měsíci (dolů) je obrácena část se zorným polem 75°. V opačném směru (nahoru) činí zorné pole 35° Použity jsou dva typy detektorů. Tři měří energie o prahové energii 0.2 MeV (tloušťka 1000 µm) a další tři 2 MeV (tloušťka 140 µm). Detektory mají kruhový průřez o průměru 3.5 cm a jsou sestaveny do tří dvojic.

 

 

Zdroje:

http://blog.kosmonautix.cz/2013/05/mesic-bez-atmosfery-vyvracejte-to-ladee/

http://spaceprobes.kosmo.cz/index.php?cid=129