GPS na Księżycu? Naukowcy UPWr pomagają wytyczać kosmiczne trasy

Księżyc ma się stać bramą do dalszej eksploracji kosmosu – na początek Marsa. Ale żebyśmy mogli budować tam bazy wypadowe w dalsze zakątki przestrzeni kosmicznej, musimy sprawnie się po tym ziemskim naturalnym satelicie poruszać. Dlatego Europejska Agencja Kosmiczna tworzy księżycowy system nawigacyjny. A ogromny w tym udział mają naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego z Wrocławia, którzy zaprojektowali jeden z najważniejszych elementów – sposób, w jaki satelita poinformuje nas o naszym położeniu.

Każdy z nas korzysta z GPS-a niemal codziennie. Szukamy najkrótszej trasy do pracy, sprawdzamy lokalizację znajomego czy zamawiamy taksówkę. Ale to, co działa na Ziemi, na Księżycu w ogóle się nie sprawdza. Dlaczego? Tworzenie systemu nawigacyjnego wokół tego ziemskiego satelity to ogromne wyzwanie, znacznie bardziej złożone niż może się wydawać. Dlatego Europejska Agencja Kosmiczna (ESA – ang. European Space Agency) postanowiła stworzyć własny system nawigacyjny dla Księżyca. Bardzo duży udział w tym mają najnowsze badania naukowców z UPWr, których wyniki opublikowano niedawno.

Choć system GPS działa na Ziemi coraz sprawniej i coraz bardziej precyzyjnie, to warunki księżycowe byłyby dla niego zbyt ekstremalne – zarówno pod względem odległości, jak też wpływu maskonów (o których więcej napiszę poniżej) oraz promieniowania kosmicznego – by mógł działać bez istotnych modyfikacji. Trzeba więc wszystko zaprojektować od nowa.

Projekt Moonlight, czyli GPS dla Księżyca

Moonlight to nazwa nowego systemu nawigacyjnego ESA, który ma umożliwić precyzyjne pozycjonowanie na powierzchni Księżyca i w jego pobliżu. W planach są cztery orbitery (satelity) księżycowe, odbiorniki w lądownikach, łazikach i satelitach, a także sieć naziemna – stacje referencyjne, teleskopy i stacje laserowe. 

Cała ta misja ma wystartować w 2031 roku. Ale zanim to się stanie, trzeba opracować algorytmy, które pozwolą precyzyjnie określić pozycję satelitów i użytkownika. I tu do gry wchodzą polscy naukowcy.

Polski ślad na Księżycu – zespół z Wrocławia na orbicie zainteresowania ESA

Zespół z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu (dr Grzegorz Bury, dr Radosław Zajdel i prof. Krzysztof Sośnica) był odpowiedzialny m.in. za testowanie modeli opisujących ruch satelitów wokół Księżyca. ESA uznała, że wyniki badań wykonanych przez wrocławskich naukowców są najbardziej obiecujące. Ale wyzwań, z którymi musieli się zmierzyć nie brakowało…

– Największym wyzwaniem w opracowywaniu i testowaniu modeli było uwzględnienie rzeczywistych, dynamicznych warunków, w jakich porusza się satelita przy parametrach zadanych przez ESA – tłumaczą naukowcy. – Praca w ramach międzynarodowego konsorcjum, pod przewodnictwem prof. Luciano Iessa, była ogromnym przedsięwzięciem, ale jednocześnie źródłem dużej satysfakcji – szczególnie w momentach, gdy nasze wyniki spotykały się z aprobatą zespołu międzynarodowych ekspertów.

Największe wyzwanie: jak nie zgubić satelity w okolicach Księżyca

Zaprojektowana orbita wokół Księżyca, jak już wspomniałam, jest silnie eliptyczna, co oznacza, że satelita porusza się znacznie szybciej, gdy znajduje się najbliżej powierzchni (czyli w perycentrum), a wolniej, gdy jest od niej najdalej (w apocentrum). Problem w tym, że to właśnie w perycentrum ruch satelity staje się najbardziej nieprzewidywalny – wpływają na niego lokalne zakłócenia grawitacyjne (takie jak maskony), siły niegrawitacyjne, a także zmienna prędkość lotu.

– Zaproponowane przez ESA parametry determinowały kształt orbity jako mocno spłaszczoną elipsę, co sprawia, że w rejonie perycentrum prędkość satelity jest znacząco wyższa – tłumaczą naukowcy. – Co więcej, kształt orbity nie jest idealną elipsą, a silnie zdeformowaną przez siły zakłócające krzywą. Siły te zmieniają się tym dynamiczniej, im szybciej porusza się satelita. Oznacza to, że podczas przelotu w okolicach perycentrum bardzo trudno poprawnie modelować odstępstwa od jego ruchu. Zmiany są dynamiczne, mniej przewidywalne.

Jak tłumaczą badacze, w tej sytuacji może nie stracimy kontaktu z satelitą, ale będziemy znać jego położenie znacznie gorzej niż gdzie indziej. Dlatego orbita została zaprojektowana tak, by satelita przebywał jak najkrócej nad problematycznym rejonem przy powierzchni, a większość czasu spędzał w apocentrum, gdzie warunki są stabilniejsze.

Jednak ESA postawiła poprzeczkę wyżej – zależało jej na maksymalnej dokładności pozycjonowania przez cały czas trwania obiegu, nawet w najtrudniejszych warunkach. Dlaczego? Bo tylko wtedy system będzie w stanie dostarczać precyzyjne dane nawigacyjne wszystkim użytkownikom – niezależnie od ich położenia czy etapu misji. Od lądowników po łaziki i przyszłe załogi – wszyscy muszą wiedzieć, gdzie dokładnie są. W przestrzeni kosmicznej, nawet jeśli „bujamy się” po pełnym romantycznych skojarzeń Księżycu, nie ma miejsca na błąd.

Dlaczego nie da się po prostu użyć ziemskiego GPS na Księżycu?

Tworzenie systemu kosmicznego to sztuka kompromisów. ESA musiała zrezygnować z niektórych technologii ze względu na masę, koszt i gotowość technologiczną.

– Do największych przeszkód w misjach pozaziemskich należy promieniowanie kosmiczne – wyjaśniają trudności naukowcy. – Ziemskie satelity są częściowo chronione przed wiatrem słonecznym i promieniowaniem kosmicznym dzięki polu magnetycznemu naszej planety. W przypadku orbiterów Księżyca ta ochrona jest już o wiele słabsza, przez co elektronika, procesory, a w szczególności zegary atomowe są bardzo narażone na promieniowanie kosmiczne, rozbłyski słoneczne albo burze magnetyczne na Słońcu. Bez zegarów atomowych satelita nawigacyjny nie może funkcjonować, więc na pokładzie musi być kilka takich zegarów (minimum dwa), żeby zapewnić odpowiedni zapas. Nie bez znaczenia było też promieniowanie kosmiczne. Księżyc nie ma pola magnetycznego, więc elektronika pokładowa narażona jest na burze słoneczne i rozbłyski.

Co dalej? Księżyc, Mars… i cała reszta Układu Słonecznego

ESA planuje już kolejne projekty, w tym system nawigacyjny dla Marsa – misję MARCONI (MARs COmmunication and Navigation Infrastructure). Ponieważ sygnał radiowy potrzebuje od kilku do nawet 22 minut, by dotrzeć z Ziemi na Marsa, przyszłe systemy muszą działać w pełni autonomicznie. Oznacza to, że satelity i łaziki powinny samodzielnie określać swoją pozycję, podejmować decyzje i nawigować – bez ciągłego wsparcia z Ziemi. Dodatkowym wyzwaniem jest atmosfera Marsa, która może zakłócać sygnał, oraz inne, bardziej kołowe orbity, które trzeba będzie wziąć pod uwagę przy projektowaniu marsjańskiego GPS-a.

– Niektóre zaproponowane przez nas rozwiązania będą jednak miały zastosowanie na innych ciałach niebieskich – mówią naukowcy UPWr. – Dotyczy to m.in. definicji układów odniesienia oraz systemów czasu, które powinny być w miarę możliwości aplikowalne na różnych ciałach niebieskich

My liczymy, że dzięki pracy naszych naukowców nawigacja satelitarna może wkrótce działać wszędzie tam, gdzie człowiek postawi swoją stopę. A dzień, w którym stanie się to dokładnie w miejscu, gdzie ponad pół wieku temu Neil Armstrong zostawił pierwszy ślad na Księżycu, jest coraz bliższy…