Miliardy kilometrov od Zeme, v kryogenických teplotách, ľudský výtvor preráža hustý oranžový atmosférický opar. Pod nikdy neodkrytým závojom objavuje cudzí svet, ktorý má vlastné počasie, búrkové mraky a tečúce potoky. Ako sme vôbec dokázali na tieto miesta posadiť počítač, ktorý nám to všetko povedal? Nedeľník TOUCHIT vážne i nevážne. Nezviazané IT témy na tisíc spôsobov.

Nie, toto naozaj nie je ten „mŕtvy“ Mars. To nie je suchá červená púšť bez aktivity, kde občas v tenučkej atmosfére slabý vánok rozfúka nejaké to zrnko piesku.

Toto je svet, v ktorom pravidelne prší. Je to miesto, kde tečú ozajstné rieky, ktoré ústia do rozľahlých jazier a aj do masívnych morí. Fúka tam vietor, ktorý na hladinách tvorí vlny a existujú tam ozajstné ročné obdobia. Znie to familiárne?

Hučiacimi vodopádmi, zurčiacimi bystrinami a korytami však netečie tá dobre známa voda. Pri teplote -200 stupňov Celzia by to ani nebolo možné. Počasie tohto sveta je založené na celkom inej tekutine. Na kvapalnom metáne.

Za závojom mrakov, uväznený v gravitačnom údolí Saturnu, sedí Titan /Foto: NASA/

Titan je najväčší Saturnov mesiac. Je väčší ako planéta Merkúr a veľkosťou sa blíži skoro až k Marsu. S obvodom viac ako 16 000 km sme ho pred dekádami považovali za najväčší mesiac Slnečnej sústavy, avšak medziplanetárne sondy nám napokon prezradili, že mu patrí druhé miesto a Jupiterov mesiac Ganymedes je zhruba o 350 km väčší.

Strata veľkostnej koruny však bola vyvážaná niečím omnoho zaujímavejším. To prečo sme si pri pohľade ďalekohľadmi zo Zeme mysleli, že Titan je väčší, je v skutočnosti jeho niekoľko stoviek kilometrov veľký obal z hustej, okom nepriehľadnej atmosféry.

Fotka ktorú vidíte vyššie je v skutočnosti celkom ostrá a vo farebnom spektre ľudského zraku (tak ako by ste Titan videli vlastnými očami vy). Viditeľná „rozmaznanosť“ je jeho hustá atmosféra, ktorá láme slnečné lúče. Fotku urobila sonda Cassini v roku 2012, pri svojom výskume Saturnu a jeho mesiacov, zo vzdialenosti 191 tisíc kilometrov (cca polovičná vzdialenosť medzi Zemou a našim Mesiacom).

OHEŇ, CHLAD, DÁŽĎ A TIKANIE PROCESORU

Kozmicky nehlučné pyrotechnické odstrelenie skrutiek. Trojica oceľových pružín odtláča od americkej sondy Cassini európsku sondu Huygens, ktorá sa vydáva k stále zväčšujúcej sa oranžovej mase v popredí. Po sedem rokov trvajúcom spoločnom lete do Saturnovho systému sa ich cesty finálne rozdeľujú a už nikdy sa nezlúčia.

Huygens sa chystal na niečo, o čo sa ešte nikto nikdy nepokúsil. Preniknúť pod hustý nepriehľadný atmosférický závoj ďalekého záhadného sveta a hladko pristáť na jeho nepoznanom povrchu. 

Avšak na to aby sme v rozumnom čase doleteli k mesiacom Saturnu, na miesto ktoré je 20× tak ďaleko ako Mars, potrebujeme poriadnu rýchlosť. A túto rýchlosť Huygens stále mal…

Skutočná fotografia horných vrstiev atmosféry Titanu, do ktorých sa Huygens ponoril /Foto: NASA-ESA/
Huygens kryjúci sa za svojim štítom /Ilustrácia: ESA/

Sonda prerazila vrchné vrstvy atmosféry Titanu rýchlosťou 22 000 km/h. Jej tepelný štít, ktorý držala pred sebou ako gladiátor, sa behom okamihu rozpálil na 12 000 stupňov Celzia.

Celkom 160 uhlíkových doštičiek naviazaných na ochrannú plsť z kremičitých vlákien, vystužených fenolovou živicou. Aj keď vrchné vrstvy štítu sa roztavili a hlavné keramické jadro sa rozžhavilo na zhruba 2000 °C, vnútorné vlákna a plsť spoľahlivo odizolovali vedecké vybavenie a počítač, ktorý si pri teplote 150 °C udržal plnú funkčnosť.

Vzduch kvílil a syčal. Masívny atmosférický odpor ukrajoval vstupnú rýchlosť sondy pri preťažení 14 G. To je sila akú by ste cítili, keby ste svojim autom zbrzdili z rýchlosti 500 km/h na nulu behom jednej sekundy.

Atmosféra Titanu je 4,5× hustejšia ako Zemská. Už tri minúty po vstupe, 160 km nad povrchom, Huygens čisto len vďaka atmosférickému odporu svojho štítu stratil rýchlosť viac ako 20 000 km/h. To bolo však stále málo a povrch sa blížil.

Hodiny časovača tikajú. Vysoko senzitívny akcelerometer Q-Flex meria precízne zmenu rýchlosti a odosiela ju letovému softvéru. Automatický pristávací subsystém čaká na povel.

Akcelerometer Q-Flex QA2000, použitý v sonde Huygens
Trojčipový procesor Marconi MAS281, od britskej firmy Marconi Electronic Devices

Procesor Marconi MAS281, srdce celého počítača, vypočítava potrebné letové údaje, rýchlosti a výšku. Dáta putujú do operačnej pamäte. Softvér naprogramovaný v jazyku Ada bezchybne funguje, všetko bleskovo odpovedá bez prerušenia, aj napriek tomu že počítač je viac ako dekádu starý, má teplotu viac ako 100 stupňov a práve prekonal masívne preťaženie.

Pristávací systém sa uvádza v činnosť.

Pri stále obrovskej nadzvukovej rýchlosti 1400 km/h počítač pyrotechnicky odstreľuje malý zadný kryt, cez ktorý sa pretiahne malý pomocný padák (2,6 m). Ten svojim tlakom okamžite vyťahuje a rozpína hlavný brzdiaci padák s priemerom 8,3 metra. Titanom zahrmoce typické aerodynamické lupnutie a roztiahnutie mimoriadne pevnej textílie.

Dôvodom, prečo musel byť padák uvoľnený už pri takto vysokej rýchlosti bolo, že pri podzvukovej rýchlosti by sa sonda v takto hustej atmosfére stála príliš nestabilnou. Začala by náhodne rotovať rôznymi smermi a zrútila by sa na povrch ako nekontrolovaný meteorit.

Veľký padák však spoľahlivo funguje. Už behom 30 sekúnd sonda spomaľuje na 600 km/h. Predný tepelný štít sa stáva nepotrebným a počítač ho odhadzuje. Sonda odhaľuje svoje telo a tým aj vedecké vybavenie a začína vytvárať prvé fotografie a merania.

/Ilustrácia: NASA – ESA/

Teplomer ukazujete teplotu -120 °C, ktorá s klesaním výšky padá do stále väčších kryogenických mrazov. Mínus 150, mínus 180, mínus 200. Sonda cíti veľké variácie teploty v rôznych vrstvách atmosféry o desiatky stupňov, o ktorých sme nemali ani poňatia. Teploty klesajú a stúpajú ako vlny, spôsobené masívnou gravitáciou blízkeho Saturnu (podobne ako na Zemi spôsobuje gravitácia nášho Mesiaca príliv a odliv).

Huygens pri zostupe zároveň precízne meria zloženie atmosféry a získava o nej dobrý prehľad. Nielenže je Titan jediný mesiac v Slnečnej sústave, ktorý atmosféru má. Je navyše aj najviac podobná tej našej, na rozdiel od tých zvyšných planetárnych. Atmosféra Marsu je stokrát redšia, ako tá naša a atmosféra Venuše viac ako 90× hustejšia. V oboch pritom dominuje oxid uhličitý (95 %).

Zemská atmosféra je naproti tomu tvorená zo 78 % dusíkom, z 21 % kyslíkom a zo zvyšného jedného percenta z iných prvkov, ako je argón, oxid uhličitý, metán a vodná para.

Titan je na tom dosť podobne. Aj jeho atmosféra je predovšetkým z dusíku (z 94 %). Zvyšných 5% tvorí metán a zhruba 1% iné stopové prvky, predovšetkým vodík.

Masívne riečne korytá na výrezoch fotografií z veľkej výšky, ktoré sa odhaľovali sonde Huygens pri zostupe pod atmosferický závoj Titanu /Foto: ESA/

Ako sonda stále klesala a snímkovala povrch v 360° rozsahu, začala nám odhaľovať fantastické detaily v podobe korýt potokov a riek. Začal sa nám podrobne odkrývať príbeh o tom, že Titan rozhodne nie je suchý svet.

Pre solárny systém je dnes pravdou, že len teploty na Zemi umožňujú, aby voda existovala na jej povrchu v kvapalnom stave. Inde, ako napríklad na Marse, či aj na našom Mesiaci, má vždy len formu povrchového ľadu.

Na Titane, s priemernou teplotou povrchu -179 °C, tomu nie je inak, pričom tu nájdeme dokonca aj masívne, niekoľko tisíc kilometrov dlhé ľadovcové pohorie. Takto nízke kryogenické teploty však spôsobujú, že atmosférický metán, ktorý na Zemi poznáme ako plyn, dostáva na Titane kvapalnú podobu.

V atmosfére kondenzuje, tvorí mraky a vo forme dažďa prší na povrch, kde tvorí fantastickú spleť riek a jazier, tak ako to poznáme na Zemi v súvislosti s vodou. A dažďa nie je málo.

More tekutého metánu /Foto: NASA/

Toto je fotografia Ligeia Mare, druhého najväčšieho mora Titanu. Vytvorila ju sonda Cassini (z ktorej sa Huygens oddelil), z výšky niekoľkých stoviek kilometrov. Zvláštny zrnitý nádych je spôsobený tým, že nie je vytvorená vo viditeľnom svetle.

Atmosféra Titanu je príliš hustá a povrch cez ňu z kozmu nie je vidieť. Fotka je vytvorená radarovým odrazom mikrovlnného žiarenia, ktoré mrakmi prešlo. V základe je radarový odraz čiernobiely, respektíve žiadnu farbu neobsahuje, ale toto dodatočné žlté zafarbenie, ktoré má nádych reality, nám pekne umožňuje vidieť čiernu metánovú kvapalinu.

Všimnite si ako radar na pobrežiach metán výrazne preráža a dno mora cezeň akoby presvitá. V týchto miestach je nižšia hĺbka, na úrovni len niekoľkých metrov, ktorá následne narastá v priemere na niekoľko desiatok a v najhlbších čiernych miestach na niekoľko stoviek metrov.

Ligeia Mare má rozlohu zhruba 420 × 350 km. Na fotografii sa teda pozeráte na hladinu väčšiu ako Slovensko.

Jedným z hlavných prítokov tohto mora je rieka Vid Flumina, ktorú môžete vidieť v dolnej časti (detailné foto). Je viac ako 400 km dlhá, pričom tečie kaňonom hlbokým stovky metrov.

Pristávací manéver z pohľadu meraných dát (všimnite si meranú teplotu vpravo hore) /Vizualizácia: ESA – NASA – University of Arizona/

Osem metrový supersonický padák sondu neustále spomaľoval, narážajúc stále do hustejších a hustejších spodnejších vrstiev atmosféry. Ak by to pokračovalo ďalej, zostup by jej trval okolo 6 hodín a za ten čas by vyčerpala energetické zásoby batérii a dosadla na povrch už len vo vypnutom stave.

Po 15 minútach, vo výške 110 kilometrov, počítač pyrotechnikou hlavný padák odstrelil a otvoril menší s priemerom 3 m, ktorý tento čas skrátil na tretinu, teda na dve hodiny.

Počas celého procesu sonda precízne mapovala silu, smer a podobu Titanského vetru. Nebol pri tom vonkoncom malý. Vo výškach 100 km nad povrchom fúkal rýchlosťou 120 m/s (430 km/h) a sondu odnášal výraze k východu.

Na videu vyššie, ktoré 2,5 hodinový pristávací manéver prejde za necelé 4 minúty, ho dokonca môžete v krátkych úryvkoch aj počuť. Ide o reálny zvukový záznam z mikrofónu sondy, v rôznych fázach zostupu, ktorý je pravdaže ovplyvnený aj rotáciou sondy ako takej.

Počas dvoch hodín klesania bola stabilizácia sondy hlavný faktor. Musela klesať kolmo pod menším ako 10° uhlom, aby nedošlo k strate komunikačného spojenia a zároveň udržať rotáciu na nízkej úrovni, aby nedošlo k rozmazávaniu fotografií palubného fotoaparátu, ktorý ich vytváral počas celého zostupu.

Jednou z veľkých záhad, na ktoré nám sonda Huygens dala odpoveď bolo, odkiaľ sa metán v atmosfére Titanu vlastne berie. Slnečné fotóny ho totiž ničia a jeho životnosť v atmosfére je tak zhruba „len“ 20 miliónov rokov. Na to aby existoval v atmosfére Titanu dnes, po miliardách rokov od formácie mesiaca, musí byť z nejakého zdroja doplňovaný.

/Ilustrácia: Phillip Krzeminsk/

Huygens pri svojom meraní pri zostupe priniesol prvé dôkazy o tom, že obrovské ložiská metánu sú uväznené pod povrchom (vytvorené pri formovaní mesiaca pred miliardami rokov) a do atmosféry sa celú dobu postupne uvoľňujú formou kryonickej sopečnej činnosti.

Ide o zo Zeme nepoznaný, hlboko mrazivý vulkanizmus, pri ktorom sopky nechrlia na povrch roztavenú horninu v podobe lávy, ale zmrazenú masu metánu, vody a amoniaku. Ak by ste do takejto kryolávy ponorili svoju ruku, namiesto zhorenia a spálenia by sa behom okamihu zmrazila a rozbila na črepiny.

Tieto prvotné odhalenia následne potvrdila materský sonda Cassini pri preletoch, ktorá tieto kryosopky pri radarovom mapovaní povrchu našla.

Tou najväčšou je Doom Mons, s výškou 1,45 km, ktorá obsahuje niekoľko sopečných kráterov. Ten najmohutnejší kráter, respektíve kaldera, s menom Sotra Facula, má hĺbku 1,7 km. Radarovú fotografiu a vygenerovanú stereoskopickú mapu môžete vidieť na animácii nižšie.

Celá misia Huygens bola navrhnutá tak, aby väčšina vedeckého výskumu prebehla počas 2,5 hodiny trvajúceho zostupu pod nepriehľadným závojom atmosféry. Nebolo totiž vôbec garantované, že sa sonde podarí úspešne pristáť na povrchu, na celkom neznámom teréne, ktorý nikto nikdy nevidel (už len napríklad tým, že mohla pristáť na svahu hory a skotúľať sa dole, alebo v hlbokom prepadlisku, kde sa s ňou nepodarí komunikovať).

Napokon sme však mali šťastie a pod sondou sa objavila rovná planina. Zhruba jednu minútu pred pristátím, vo výške 700 metrov, sonda úspešne vykonáva prieskum v súvislosti s chystaným kontaktom.

Zapína reflektor, ktorým skúma svetelnú odrazivosť povrchu a tým aj zloženie a nahrieva spodný otvor svojho plynového chromografu, ktorým pri dopade odparí časť povrchu a zistí jeho chemické zloženie.  

Európska sonda úspešne pristáva na Titane 14. januára 2005, o 12 hodine a 43 minúte nášho času. Ide o historicky prvé pristátie vo vonkajšej časti Slnečnej sústavy, ktoré dodnes nemá obdobu a ani nasledovníka.

Animácia pristátia na základe nameraných senzorických dát /Animácia: ESA/

Pristávacia rýchlosť bola zhruba 16 km/h. Celkom 319 kg vážiace telo za zabára zhruba 12 cm do povrchu, mierne poskočí a skĺzne o 40 cm do boku. Všetok pohyb a vibrácia behom pár sekúnd ustupujú. Prach ktorý sonda rozvírila do vzduchu dopadá po štyroch sekundách späť na povrch a kamere sa odhaľuje okolie.

Miesto okolo je pevné a suché. Podložie sa podobá vlhkému piesku, ale podľa rozvíreného prachu je vidieť, že na danom mieste už nejaký čas nepršalo.

Teplota je -176 °C. Celkom 35 vykurovacích článkov, ktoré generujú teplo rádioaktívnym rozpadom oxidu plutoničitého, vyrába 35 W a vyhrieva útroby sondy, brániac ju tak pred mrazom. Teplo sondy skondenzovalo niekoľko kvapiek metánu, ktoré sa zaleskli v objektíve fotoaparátu.

Počítač bezchybne funguje, spracováva a odosiela dáta sonde Cassini na orbite Saturnu, ktorá ich odosiela na Zem. Aj keď povrchové snímkovanie nebola priorita misie, statická kamera (pri zostupe produkovala 360° snímky vďaka rotácii sondy ako takej) neprestajne opakovane snímkuje povrch, ktorý má pred sebou.

Snímka na oko pripomína Mars. Huygens pristál v oblasti rovníku, ktorý bola veľmi suchá. Pri pozornejšom pohľade ale rýchlo zistíme, že je niečo inak. Kamene v popredí, okruhliaky s typicky vyhladenými hranami, ktoré na Zemi poznáme z riek, indikujú že oblasť bola v minulosti, alebo stále je zaplavovaná metánom.

Povrch Titanu /Foto: ESA/

V období dlhodobých dažďov sa zrejme aj tieto rovníkové oblasti značne zaplavujú, avšak ich jazerá napokon po rokoch vysychajú. Na rozdiel od tých permanentných veľkých jazier a morí, ktoré sme na Titane objavili v jeho polárnych regiónoch.

Mnohé dodatočné analýzy z pozorovania Huygensu a Cassini ukazujú, že kým na niektorých púštnych oblastiach Titanu prší veľmi zriedka (napr. raz za storočie), iné, hlavne polárne oblasti sa tešia pomerne častým zrážkam v intervale niekoľkých desiatok dní.

Jedným z veľkých a pritom nečakaných prekvapení bolo, že Huygens počas zostupu a ani po pristátí nezaznamenal v atmosfére Titanu žiadne blesky.

K tomuto účelu používal rádio detektor, pretože je typické, že každý blesk, teda veľký elektrostatický výboj v atmosfére vytvorí špecifické „prasknutie“ na veľmi nízkych frekvenciách.

Toto praskanie Huygens na Titane nepočul, prekvapivo však zaznamenal iný a veľmi nezvyčajný nízko frekvenčný signál na frekvencii 36 Hz.

Tieto typy tzv. Schumanovej rezonancie sú veľmi silným dôkazom toho, že pod zmrznutým povrchom Titanu existuje veľký, tekutý oceán vody. Je zohrievaný vztlakovými silami Saturnu a existuje v hĺbke 55 až 80 km pod povrchom, pričom potenciálne môže hostiť aj primitívne formy života.

Trojica objavených podpovrchových tekutých oceánov vody v Slnečnej sústave, ktoré môžu hostiť formy života. Jupiterov mesiac Europa a Saturnove mesiace Titan a Enceladus /Ilustrácia: Danielle Jolette/

Huygens pokračoval v odosielaní cenných dát 72 minút po svojom pristátí. Sonda Cassini, ktorá ich na orbite zachytávala, následne z dôvodu rotácie mesiaca a svojej rýchlosti zašla za horizont a stratila možnosť spojenia.

Veľkým 70 m anténam tu na Zemi sa ešte zvyšky slabého informačného signálu Huygensu z povrchu podarilo zachytávať ešte ďalšie dve hodiny. V tej dobe bol Saturn a jeho Titan vzdialený od Zeme 1,2 miliardy kilometrov, takže k nám signál dorážal oneskorený o 67 minút, z dôvodu limitnej rýchlosti svetla, respektíve elektromagnetickej vlny.

Tepelná produkcia, izolácia a systémy sondy pracovali perfektne. Rovnako ako pätica jeho lítiovo-sírových batérii. Huygens z nich čerpal energiu celkom 21 dní, ktoré uplynuli od oddelenia od sondy Cassini a jej nukleárneho zdroja. Drvivú väčšinu kapacity batérii Huygens pravdaže použil v záverečných hodinách posledného dňa, pri aktivácii všetkého vedeckého vybavenia (zostup a pristátie).

Napokon sa však celkom vybili a počítač sa nadobro odmlčal, uložený k zaslúženému spánku na tomto vzdialenom mrazivom svete.

AKO SA BUDOVAL STROJ PRE NEPOZNANÝ SVET

Je obrovským ľudským triumfom, že sme na tak vzdialenom a čudesnom mieste dokázali pristáť. Prostredie nových a nepoznaných svetov vždy prináša obrovské inžinierske výzvy, pričom v tomto prípade sa s nimi popasovali vývojári z celej Európy. 

Sonda Huygens bola navrhnutá a postavená pre Európsku kozmickú agentúru (ESA), konzorciom viac ako troch desiatok rôznych európskych spoločností, výskumných inštitúcií a univerzít, pričom celková príprava, stavba a prevádzka trvala niekoľko dekád.

Huygens sa spolu so sondou Cassini začal pripravovať a plánovať už na začiatku 80. rokov minulého storočia. Šlo o prvý veľký spoločný projekt NASA a ESA, v rámci ktorého bola európska časť po prvý krát rovnocenným partnerom. Po dôslednom plánovaní a príprave bolo schválené financovanie stavby v rámci Európskej kozmickej agentúry (ESA) v roku 1988 a v NASA o rok neskôr.

Spárované sondy Cassini a Huygens (pod štítom na boku), pri príprave na Zemi v polovici 90. rokov minulého storočia /Foto: NASA/

Misia Cassini-Huygens pozostávala z dvoch hlavných prvkov. Cassini, fungujúca ako materská sonda, sa mala stať prvým výtvorom človeka, ktorý vstúpil na obežnú dráhu Saturnu. Jej úlohou bolo vykonávať dlhodobý orbitálny prieskum samotnej obrej plynnej planéty, jej prstencov a početných mesiacov s pevným povrchom.

Huygens, ktorý putoval do systému pripevnený na Cassini, sa mal na obežnej dráhe Saturnu od nej oddeliť a mäkko pristáť na najzaujímavejšom mesiaci sústavy – na Titane. Šlo tak o suverénne najvzdialenejší objekt, na ktorom sa ľudstvo vôbec pokúsilo pristáť.

Svoju kozmickú púť začala dvojica 15. októbra 1997, na kozmodróme Cape Canaveral, kde odštartovala na rakete Titan IV. Po precíznej dvojnásobnej gravitačnej asistencii Venuše a takisto Jupitera, došlo k zaparkovaniu na obežnej dráhe Saturnu „už“ po siedmich rokoch cesty, konkrétne 1. júla 2004. Po oddelení Huygensu v roku 2005 pokračovala Cassini vo svojom prieskume Saturnu a jeho mesiacov až do roku 2017.

Vyrobiť stroj, ktorý celkom automaticky pristane bezpečne na Titane a spoľahlivo funguje dekádu potom ako ho navrhnete a postavíte, nie je ľahká úloha. Obzvlášť ak miesto, kde dôjde na lámanie chleba je celkom iné, ako Zem.

Vezmite si len na oko priamočiaru vec, ako je padák, ktorému musíte náhle venovať celkom inú pozornosť. Atmosféra Titanu je taká hustá, že by ste v nej boli schopný lietať vlastnou silou. Presne tak ako sa o to ľudia snažili v staroveku – s krídlami prelepenými na svojich rukách.

Prehovára tu pravdaže do toho aj výrazne nižšia gravitácia, konkrétne iba 14 % tej našej. Inak povedané, ak vážite na Zemi 80 kg, na Titane by ste svalovo mali pocit, že vážite len 11 kg. To sa dosť podobá nášmu Mesiacu a na Titane by ste boli schopný hopkať podobne ako americkí astronauti pri misii Apollo.

Keď to spojíme so zhruba 4,5× hustejšou atmosférou Titanu, ako máme my na Zemi, tak pokiaľ by ste mali na rukách pripevnené dostatočne veľké „krídla/pádla“, boli by ste sa schopný sa vzniesť a zároveň sa mávaním udržať vo vzduchu.

Mať padák, ktorý riadiaci počítačový systém vystrelí v takto hustej atmosfére, pri nadzvukovej rýchlosti a pri teplote mínus 200 °C, to veru nemôžete len tak prísť za nejakým európskym leteckým výrobcom či zbrojárskou firmou, kúpiť si od nej výrobok používaný tu na Zemi, namontovať na sondu a máte „padla“.

Navyše, padák mal byť použitý v rámci najvzdialenejšieho pristátia ľudského výtvoru vôbec, pričom ani s tými predchádzajúcimi kozmickými misiami sa nedal priamo porovnať.

Tu nejde len o to, že Titan je prakticky 20× tak ďaleko, ako Mars. Nejde len o rekordnú vzdialenosť z hľadiska kilometrov, ale aj z hľadiska času. Medzi výrobou padákov a ich uvedením do činnosti ubehlo 14 rokov, počas ktorých pasívne sedeli nepoužité.

Predstavte si, že dostanete za úlohu vyrobiť textíliu pre padáky, ktorá nielenže musí byť dve dekády v perfektnom stave, ale bude aj sedem rokov pred použitím ležať zvinutá a vystavená kozmickému chladu, vákuu a radiácii (nielen zo Saturnu, ale aj z Jupiteru, ktorý po ceste gravitačne asistoval).

Aj keď materská sonda padáky Huygensu vyhrievala teplom svojho termonukleárneho generátoru, je treba počítať s fluktuáciami na úrovni +30 až -40 °C, pričom po celej ceste bol padák behom okamihu rozprestretý v atmosfére Titanu v teplote -200 °C, kde bezchybne fungoval.

Typický prstencový tvar padáku používaný v kozmických misiách, s kevlarovými lanami /Foto: ESA/
Testovanie padáku sondy Huygens v nadzvukovom aerodynamickom tunely britskej zbrojárskej firmy Martin-Baker Aircraft, /Foto: ESA/

Padáky pre sondu Huygens vyrobila britská letecká firma IRVIN-GQ, produkujúca padákové systémy pre britské a iné letectvá, pričom ich otestovanie a príprava nebola ľahká úloha.

Model sondy Huygens sme síce pri testovaní pristávacích systémov odviezli na sever Švédska, za polárny kruh, kde sme ho 100 m héliovým balónom vyniesli do výšky 37 km a následne zhodili, ale pri páde stačil nabrať len rýchlosť niekoľkých stoviek km/h. Aj keď rýchlosti boli veľké a teploty za polárnym kruhom nízke, oproti Titanu to bolo všetko len slabým odvarom.

Vystrelenie padáku pri nadzvukovej rýchlosti sme otestovali v nadzvukovom aerodynamickom tunely firmy Martin-Baker Aircraft, ktorá vyrába vystreľovacie sedadlá pre bojové lietadlá. Avšak aj keď rýchlosť bola správna, k testu sme pravdaže nemohli pridať kryogenické teploty a viac ako štvornásobnú hustotu atmosféry.

Prvý a jediný skutočný „test“ systému sa skrátka udial až na ostro, skoro o dekádu neskôr, priamo na Titane. Až tam sa ukázala skutočná pravda. A našťastie, všetko bolo pripravené na jednotku.

Dva identické počítače sondy Huygens v jej útrobách (vyznačené šípkami), spoločne s vedeckou a meracou výbavou /Foto: ESA/

Návrh počítača pre takto ďaleké kozmické misie takisto nie je ľahká úloha. Riadiť celú sondu a jej pristátie, vedecké prístroje, spracovávať dáta a odosielať ich materskej sonde a na Zem, to všetko dekádu po stavbe a v radiačnom prostredí kozmu, to veru nemôžete osadiť len tak obyčajný hardvér.

Stavbu počítača Huygensu, v rámci sondy označovaného ako tzv. Riadiaci a dátový subsystém – CDMS (Command & Data Management Subsystem), malo na starosti talianske laboratórium LABEN, ktoré sa špecializovalo vývojom elektroniky pre letecký a nukleárny priemysel.

Sonda obsahovala dva celkom identické počítače, aby v prípade nečakanej poruchy jedného mohol prebrať prácu ten druhý, záložný a misia mohla pokračovať.

Na fotografii vyššie môžete vidieť oba počítače ako dve identické čierne skrinky s nápisom LABEN, z ktorých trčí obrovský zástup dátovej a napájacej kabeláže.

Počítač pozostával zo siedmych samostatných základných dosiek, umiestnených v spoločnej skrinke. Šlo o dosku s napájaním, dosku s dátovým rozhraním a zbernicami, výpočtovú dosku s procesorom, záložná dosku s rozhraním a zbernicami, dosku s elektronikou akustických senzorov, dosku s elektronikou meracích senzorov s vysokým rozlíšením a dosku s elektronikou meracích senzorov s nižším rozlíšením.

Usporiadanie elektroniky s procesorom Marconi MAS281 (vľavo), ktoré ESA používala na sondách v 90. rokoch minulého storočia, ako bol Huygens, SOHO a Cluster /Foto: ESA/

Výpočtovým srdcom sondy Huygens sa stal procesor Marconi MAS281, ktorý vyrobila britská firma Marconi Electronic Devices Limited (MEDL United Kingdom).

Na pohľad ide o veľmi zaujímavý procesor s troma separátnymi čipmi umiestnenými v jednom keramickom puzdre so 64 pinmi. Na ľavo je umiestnený čip výpočtovej jednotky MA17501, v strede čip ovládacej jednotky MA17502 a celkom vpravo čip jednotky prerušení, označený ako MA17503.

Procesor má frekvenciu 10 MHz, pričom zvládne vykonávať zhruba 250 000 inštrukcií za sekundu. Bol spárovaný s 64 kilobitovou ROM (8 KB) a 1 megabitovou RAM (128 KB). Zvládne pracovať pri plnom výkone v rozhraní teplôt -55 do 125 °C a vydrží radiačnú dávku 300 000 RAD.

Laikov zvyčajne dosť prekvapí, že kozmické počítače sú z hľadiska výkonu hlboko pod aktuálnym stavom na poli IT. Je to tak z dôvodu, že skôr ako výkon a modernosť je preferovaná spoľahlivosť a predovšetkým odolnosť, výdrž a bezchybnosť.

Kozmické počítače totiž často fungujú celé desaťročia, milióny či miliardy kilometrov od Zeme, kde ich nikto nemôže vymeniť či opraviť.

Procesory a iné integrované obvody medziplanetárnych sond musia byť odolné proti vysokým dávkam ionizujúcej radiácie. Označuje sa to ako radiačné spevnenie, v angličtine ako radiation hardening, či skrátene rad-hard.

Tranzistor vyrobený metódou kremík na zafíre /Foto: SPAWAR Systems/

Obvykle je to vykonané špecifickým návrhom architektúry a takisto špecifickým výrobným procesom, ktorý skrátka z princípu svojich vlastností nikdy nedosiahne tak malých tranzistorov, ako iné „civilné“ metódy.

Procesor Marconi MAS281 v sonde Huygens bol vyrobený na 2,5 µm, teda 2500 nm výrobnom procese. Hlavným ťahúňom jeho protiradiačnej odolnosti je hetero-epitaxiálny výrobný proces SOS (Silicon-on-Sapphire), pri ktorom sa tranzistory a obvody vyrábajú na miniatúrnej vrstve kremíku potiahnutej na zafírovom waferi.

Pohľad na „zastaranosť“, je tak v odbore kozmických počítačov celkom iný. Ak by ste do medziplanetárnych sond osadili obyčajný hardvér, v priebehu misie by vykazoval obrovské chyby, alebo by celkom prestal fungovať.

Vrazenie vysoko energetickej subatomárnej častice do jeho tela by totiž viedlo k náhodnému preklápaniu dátových hodnôt (zmeny z jednotiek na nuly a naopak) a napokon aj k úplnému poškodeniu tranzistorov, zlyhaniu hardvéru a tým aj celej misie. Sonda bez počítača je totiž len kusom šrotu, čo nič nerobí.

Vek použitého hardvéru je pravdaže ovplyvnený aj tým, ako dlho sa sonda pripravuje a navrhuje a ako dlho putuje k cieľu.

Ak sondu a jej počítač pripravujeme na Zemi napríklad 5 rokov, následne odštartuje a letí k nejakej vzdialenej planéte 5 či viac rokov a napokon 5 a viac rokov vykonáva nejaký výskum, je jasné, že v čase kedy sonda poskytuje výsledky už nevyhnutne musí byť jej počítač starý viac ako 15 rokov. Nemôže teda zákonite pôsobiť moderne. To čo je obdivuhodné je, že v náročných podmienkach takto dlho musí stále bezchybne fungovať.

Reklamná dvojstrana v tlačenom bulletine ESA v roku 1989, prezentujúca radiačne tienené riešenie hardvéru od Marconi, založené na procesore MAS281, integrovaných radičoch a RAM a ROM čipoch

Sonda Huygens, stojí na úplných počiatkoch európskych kozmických počítačov a procesor tomu aj náležite zodpovedá. V 80. rokoch bol vývoj procesorov ako takých pomerne čerstvý na celom svete a vývoj ich špecifických kozmických variánt sa ešte len pomaly začínal rodiť.

Kozmické agentúry a jednotlivé firmy, ktoré satelity a medziplanetárne sondy na zákazku pre ne budovali, sa v tej dobe pri návrhoch pozerali predovšetkým na elektroniku navrhnutú pre vojenské použitie (hlavne v bojových lietadlách a balistických raketách), kde radiačné tienenie bola nutnosť pre prípad nukleárneho konfliktu.

Jedným z používaných amerických vojenských štandardov tej doby bol MIL-STD-1750A, definovaný v rámci 16-bitovej inštrukčnej architektúry. Postupom času na základe tohto štandardu vyrábalo čipy mnoho firiem, avšak prvým procesorom, ktorý mu zodpovedal, bol MDC281 od firmy McDonell Douglas, vtedajšej veľkej americkej avionickej a zbrojárskej firmy, stojacej napríklad za stíhacími a bojovými lietadlami F-15 a F/A-18.

Jej vtedy ešte funkčná mikroelekronická divízia tieto čipy vyrobila pre potreby spomenutých lietadiel, pričom mnoho iných firiem tieto implementácie kopírovalo. To bolo v tej dobe celkom bežná prax, pričom napríklad aj AMD v tomto období ešte len vyrábalo klony procesorov Intelu.  

Klon amerického radiačne tieneného procesoru McDonell Douglas MDC281 sa rozhodla vyrábať aj Európa, pričom šlo práve o Britského polovodičového výrobcu Marconi Electronic Devices (MEDL), sídliaceho v anglickom mestečku Lincoln.

V tej dobe šlo o súčasť zbrojárskej odnože firmy GEC (General Electric Company), pričom táto polovodičový divízia neskôr v 90. rokoch začala figurovať pod menom GEC Plessey Semiconductors (po akvizícii firmy Plessey), a napokon po roku 1999, kedy prešla do vlastníctva BAE Systems a Dynex Power sa premenovala na Dynex Semiconductor, pod ktorým figuruje dodnes.

Programovanie a testovanie elektroniky sondy Huygens v prvej polovici 90. rokov /Foto: ESA/

Palubný softvér počítača sondy vytvorila britská firma LogicaCMG. Používa hierarchický, objektovo orientovaný dizajn (HOOD).

Pri dizajne takto kritických počítačových systémov je esenciálne, že vždy vykonajú potrebné udalosti bez odkladu, bez ohľadu na neočakávané udalosti, ktoré nastali predtým. Takýto počítač nemôže len tak zamrznúť, napríklad z dôvodu, že čaká na nejaké dáta alebo dokončenie výpočtovej operácie, ktorá nikdy nepríde, alebo nestihne byť dokončená. Oneskorenie totiž môže viesť ku katastrofickým udalostiam.

V rámci počítača sondy Huygens bol naprogramovaný 125 milisekundový cyklus, v rámci ktorého mechanizmus výnimiek zaručil, aby sa počítač v prípade problémov či nedoriešených udalosti nezastavil a nepotreboval reštart. Táto vlastnosť sa označuje aj ako „hard-real time“, pri ktorej systémy majú veľmi striktne nastavené „dedlajny“ v podobe časov kedy niektorá úloha musí byť hotová, respektíve skončená, pretože následne už nedáva zmysel (napríklad z dôvodu, že počítač aj so svojim nosičom narazí v nadzvukovej rýchlosti do zeme).

Programovací jazyk ADA

Softvér počítača bol naprogramovaný v jazyku ADA, ktorý bol pôvodne vyvinutý pre vojenské použitie v rámci softvéru s vysokou integritou. Mnoho vlastností jazyka však bolo umelo odstrihnutých, z dôvodu zachovania čo najmenšej jednoduchosti a zamedzenia vzniku nečakaných a neznámych problémov.

Programovací jazyk ADA vytvorila Francúzka firma Bull Atos Technologies v roku 1977, pod vedením informatika Jeana Ichbiaha. Bol vytvorený na objednávku Amerického ministerstva obrany, ktoré potrebovalo univerzálny jazyk pre armádne systémy, ktorý by nahradil dovtedy používajú spleť rôznych jazykov, ktoré boli často výrazne závislé na konkrétnom hardvéri.

Vďaka dobre navrhnutým mechanizmom pre kritické operácie sa jazyk ADA postupne dostal od vojenského použitia aj do iných vhodných odvetví, predovšetkým civilného letectva, kozmického výskumu a obsluhe letovej prevádzky.

NOVÁ NÁVŠTEVA V BUDÚCEJ DEKÁDE A ZASLÚŽENÝ SPÁNOK HUYGENSU

Na odvážnu cestu na povrch Titanu sa chce ľudstvo znovu vypraviť. Prakticky už od konca misie Huygens sa NASA aj ESA zaoberali možnými pokračovateľmi, ktorí by naše znalosti znovu rozšírili.

Prvým bol návrh misie TSSM, v rámci ktorej by NASA a ESA spojili znovu svoje sily a vytvorili by sondu v podobe teplovzdušného balónu, ktorý by v atmosfére Titanu lietal 6 mesiacov, snímkoval povrch a vykonával atmosférické merania. Napokon však súboj o financovanie prehral s konkurenčným projektom orbitálneho snímkovania Jupiterovho mesiaca Europa, ktorý dostal prednosť.

Ďalším navrhnutým projektom bol Titan Mare Explorer (TiME), ktorý mal pristáť na jednom z morí Titanu a plaviť sa na ňom ako loď po dobu 6 mesiacov, vykonávajúc hydrologický prieskum. Ani tomu sa však nepodarilo v konkurencii iných projektov zvíťaziť.

Napokon sa to podarilo misii Dragonfly, robotickej helikoptére, ktorú v roku 2019 schválila NASA. Sonda je v súčasnosti vo vývoji a stavbe s plánovaným dátumom dokončenia a štartu v roku 2027. Predpokladané pristátie na Titane je v roku 2036, s plánovanou vedeckou činnosťou 3 roky a viac.

Oktokoptéra Dragonfly, s veľkosťou malého auta, dorazí na Titan v roku 2036 /Ilustrácia: Johns Hopkins APL/

Úlohou sondy bude skúmať mikrobiologickú obývateľnosť miestnych podmienok a študovať prebiotické chemické vlastnosti rôznych miest, na ktorých bude pristávať.

Pôjde o oktokoptéru so štyrmi motormi a ôsmimi rotormi, každý s priemerom 1 meter. Bude schopná dosahovať rýchlosti 36 km/h a výšky 4 km a v prípade poruchy zvládne lietať aj s troma motormi.

O jej energiu sa bude starať nukleárny zdroj, respektíve rádioizotopový termoelektrický generátor, ktorý bude slúžiť zároveň aj ako zdroj tepla, chrániaci elektroniku pred kryogenickým prostredím Titanu.

Dragonfly bude v základe napájať svoj let Li-ion batériami, ktoré postačia na 10 km vzdialenosť (30 min). Následne dosadne a bude vykonávať pozemný prieskum, pričom batérie bude nukleárnym generátorom pomaly nabíjať.

Titanská búrka sa blíži… /Ilustrácia: Ross Miller/

Možno na vás rok 2005, kedy počítač Huygensu zbieral dáta a posielal ich na Zem, pôsobí dnes už ako vzdialená minulosť. Ako niečo, čo sa stalo dávno a nemá dnes relevanciu.

Lenže ono je to je všetko stále reálne.

To nie je rozprávka.

Ten počítač, s procesorom Marconi MAS281, tam stále je. Práve teraz, vo chvíli ako čítate tieto riadky, sedí na povrchu Titanu. Zakonzervovaný v chlade v útrobách sondy, akoby stále čakal na to, kým mu z vybitých batérii príde trochu energie.

/Ilustrácia: Mark Garlick/

Fúka vietor. Zapadá a vychádza Slnko. Je počuť bubnovanie kvapiek tekutého metánu, ktoré padajú z oblohy na kovové telo sondy a rozohrávajú dobre známu melódiu dažďa.

Tajomný Titan čaká na novú návštevu, ktorá bude pokračovať v celom našom dobrodružstve.

Nedeľník TOUCHIT hľadajte na našom webe ako inak než v nedeľu. Ak ste predchádzajúce zmeškali, nájdete ich všetky pod rovnomenným kľúčovým slovom.