Politechnika Koszalińska w przygotowaniach misji, która zbada księżyce Jowisza

Życie pod księżycowym lodem?

Misja JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer) zbada cechy fizykochemiczne trzech z 92 satelitów Jowisza. Sprawdzi m.in. czy na lodowych księżycach gazowych gigantów mogą istnieć warunki do powstania i powstrzymywania życia.

Przypomnijmy, że Jowisz to piąta w kolejności od Słońca i największa planeta Układu Słonecznego. Odkryte w 1610 roku przez Galileusza księżyce tej planety mają spore rozmiary – ich średnica wynosi od 3 tysięcy do ponad 5 tysięcy kilometrów. Księżyce Jowisza to lodowe pustkowia, tak bardzo oddalone od Słońca, że temperatura na ich powierzchni waha się od około – 140 do - 170 stopni Celsjusza.

Wcześniejsze badania wykazały jednak, że pod grubymi lodowymi skorupami tych księżyców znajdują się oceany płynnej słonej wody. Możliwe jest więc, że powstały w nich związki organiczne, szczególnie jeśli istnieją tam wyziewy hydrotermalne, które znamy z ziemskich głębin oceanicznych.

Misja JUICE jako pierwsza w historii sonda kosmiczna wejdzie na orbitę księżyca innej planety niż Ziemia.

Nasi naukowcy przygotowali nanokompozytową powłokę

Instrumenty pomiarowe i komponenty funkcjonalne dla tej misji opracowały zespoły naukowe łącznie z 16 krajów europejskich oraz USA (NASA), Japonii (JAXA) i Izraela (ISA). Udział naukowców i inżynierów z Polski był kluczowy dla całego przedsięwzięcia.

Trzy z dziesięciu instrumentów zostały zrealizowane dzięki udziałowi polskich podmiotów. Centrum Badań Kosmicznych PAN przewodziło w pracach nad konstrukcjami mechanicznymi sondy i komputerem głównym instrumentu RPWI, przeznaczonego do scharakteryzowania emisji radiowych oraz środowiska plazmowego Jowisza i jego lodowych księżyców.

W te prace zaangażowana była również firma Astronika. Specjaliści z tej firmy uczestniczyli w przygotowaniu dwóch rodzajów urządzeń: anten instrumentu RWI (Radio Wave Instrument) oraz wysięgników LP-PWI (Langmuir Probe – Plasma Wave Instrument).

I właśnie w przygotowanie anten instrumentu RWI włączyli się także naukowcy z naszej uczelni. Zespół prof. dr. hab. inż. Witolda Gulbińskiego (na zdjęciu) z Centrum Transferu Technologii Próżniowo-Plazmowych zajął się wytworzeniem na antenach RWI pokryć typu DLC (Diamond Like Carbon).

Powłoka typu DLC, określana również jako powłoka diamento-podobna, to powłoka nanokompozytowa, która wykazuje unikalne właściwości naturalnych diamentów, takie jak: wysoka twardość, odporność na korozję, niskie tarcie, izolacja elektryczna i inne.

Zadaniem tych powłok jest zapobieganie zjawisku zimnego zgrzewania „cold weldingu” oraz zapewnienie odpowiednich warunków termo-optycznych dla obniżenia temperatury pokrywanych anten.

Jak wyjaśnił Łukasz Wiśniewski, kierownik projektu w firmie Astronika, urządzenia RWI posiadają trzy wzajemnie prostopadłe anteny wykonane z taśm z brązu berylowego pokrytych DLC. Anteny te zapewnią możliwość kierunkowego pomiaru pola elektrycznego i odbioru emisji radiowych obecnych w środowisku plazmy wokół układu Jowisza.

Antena RWI w trakcie startu i lotu ku układowi Jowisza będzie złożona do długości zaledwie 26 cm, a w wyznaczonym miejscu na orbicie będzie musiała rozłożyć się do długości 2,5 metra.

Przygotowana przez specjalistów z Politechniki Koszalińskiej dodatkowa powłoka DLC będzie szczególnie istotna podczas asysty grawitacyjnej z Wenus, kiedy sonda będzie znajdowała się bliżej Słońca i temperatury anten wzrosną do ponad 200 stopni Celsjusza. Powłoka DLC przygotowana na naszej uczelni pozwoli zredukować temperaturę taśm do bezpiecznego poziomu.

O próżni wiemy niemało

Zespół profesora Gulbińskiego został zaproszony do współpracy z racji dużego doświadczenia w badaniach dotyczących techniki próżniowo-plazmowej – w tym w szczególności w dziedzinie wytwarzania nowoczesnych powłok PVD. – Od lat zajmujemy się technikami próżniowo-plazmowymi i wytwarzaniem najróżniejszych warstw w tych warunkach: nanosimy te powłoki na narzędzia skrawające, narzędzia do metali czy do drewna – podkreśla naukowiec.

Skąd jednak wiadomo, jakie warunki panują w kosmosie i jakich powłok użyć do pokrycia instrumentów wysyłanych w odległą przestrzeń?

- To nie jest skomplikowane. Zakładamy, że w przestrzeni kosmicznej panuje wysoka próżnia, czyli bardzo niskie ciśnienie. Takie parametry w warunkach ziemskich możemy osiągnąć w komorach próżniowych – wyjaśnia prof. Witold Gulbiński. – Największym problemem w tych warunkach jest tarcie, bo nie ma substancji smarujących. W atmosferze ziemskiej taką substancją jest np. para wodna, w kosmosie jej nie ma. Potrzebne były więc materiały o wyjątkowych właściwościach.

Materiały, z których wykonane są elementy współpracujące, muszą mieć taki skład chemiczny i fazowy, by po zetknięciu ze sobą nie ulegały zniszczeniu, a umiały ze sobą współpracować. Naukowcy założyli, że takie wymagania spełnią powłoki DLC.

Warto dodać, że współpraca naszej uczelni z firmą Astronika ma dłuższą historię. Zapoczątkował ją prof. Andrzej Czyżniewski, który do emerytury pracował w Katedrze Fizyki Technicznej i Nanotechnologii.

Misja wyrusza w kilkunastoletnią podróż

Po wieloletniej podróży, wykorzystującej w międzyczasie asysty grawitacyjne innych planet, misja JUICE dotrze do Jowisza. Zbada nie tylko samą planetę, przeanalizuje też naturę jego lodowych księżyców. W sumie misja JUICE będzie przebywać w przestrzeni kosmicznej co najmniej kilkanaście lat. Jednym z zadań misji będzie sprawdzenie, czy pod lodową skorupą Ganimedesa – największego księżyca w Układzie Słonecznym i jednego z księżyców Jowisza – mogło powstać życie.