Počítač pre Jupiter za 180 000 eur: Juno zakotvila na orbite plynového obra

1

V utorok 5. júla v skorých ranných hodinách nášho času sonda Juno vykonala 35 minútový brzdný manéver, ktorý ju dostatočne spomalil na zachytenie na obežnej dráhe najväčšej planéty slnečnej sústavy.

Zážih hlavného motoru Leros-1b so silou 645 newtonov začal o 5 hodine a 18 minúte nášho času, pričom znížil jej rýchlosť o 1951 km/h a nasmeroval ju na orbitu. Sonda tak úspešne ukončila svoju päť rokov trvajúcu cestu a začala svoj vedecký program.

Juno vyštartovala z kozmodrómu Cape Canaveral na Floride 5. augusta 2011. Raketou Atlas V bola pri tom urýchlená na 126 000 km/h na eliptickú heliocentrickú orbitu, následkom čoho sa vrátila zas k Zemi v októbri 2013, kedy ju gravitačný prak našej planéty urýchlil o ďalších 14 000 km/h na 150 000 km/h (41 km za sekundu). Cieľom však nebolo len zrýchlenie, ale aj nasmerovanie uhlu letu, aby odpovedal orbite Jupitera okolo Slnka. Dobrú predstavu o probléme dajú komplexné gravitačné manévre (3× Zem, 1× Mars), ktoré vykonala Európska sonda Rosetta pri lete ku kométe 67P/Churyumov–Gerasimenko, ktoré môžete vidieť na tejto animácii.

Pri priblížení k Jupiteru bola sonda postupne akcelerovaná gravitačným poľom planéty (ako ju Jupiter postupne dobiehal na svojej orbite okolo Slnka) až na 266 000 km/h.

Počítačová skrinka z titánu

Sonda Juno je pomerne rozmerná, za čo môžu najmä jej obrie solárne panely. Vďaka tomu zaberá priestor veľký zhruba ako basketbalové ihrisko. Samotná konštrukcia v centre je veľká 3,5 × 3,5 m, teda viac menej podobne ako auto. Väčšinu tohto objemu však zaberajú nádrže s palivom a raketový motor, ktoré sú okrem brzdného manévru využívané takisto na korekcie dráhy.

Jednotlivé prístroje možno vidieť ako rôzne malé výčnelky po stranách, pričom ide o ultrafialový spektrograf (UVS), mikrovlnný rádiometer (MWR), infračervený mapovač polárnej žiary (JIRAM), detektor energetických častíc (JEDI) a detektor rádiových a plazmatických vĺn (WAWES). V hornej časti je vysokoziskový anténa, pričom medzi ňou a hlavným telom si všimnite malú kocku.

Táto kocka je špeciálny „trezor“ z titánu, ktorý chráni väčšinu elektroniky počítača a jednotlivých senzorov pred obrovskou radiáciou. Takáto robustná konštrukcia bola pre medziplanetárnu sondu použitá prvý krát, pretože pri Jupiteri je obrovské množstvo ionizujúceho žiarenia. Sonda sa bude počas svojej misie približovať k planéte len na vzdialenosť 4300 km (jej obežná dráha bude veľmi pretiahla a k planéte sa bude pri obehoch približovať a následne zas vzďaľovať) a zatiaľ čo na Zemi počítače bez problémov čelia prirodzenej radiácii 0,39 RAD, Juno a jej počítač sa za celý priebeh misie budú musieť vyrovnať s dávkou 20 000 000 RAD.

Telo sondy pri jej budovaní. V hornej časti je vidieť titánovú kocku, do ktorej sa začala osadzovať elektronika, v dolnej časti sú umiestnené guľové nádrže s palivom pre orbitálne manévre

Titánová konštrukcia trezoru je 1 cm hrubá, pričom ide o kocku veľkú zhruba 1×1 m. Viac menej tak pripomína rozmerom práčku. Len samotná titánová krabica váži (na Zemi) 150 kg. Okrem hlavného palubného počítača obsahuje 20 ďalších elektronických dosiek jednotlivých vedeckých prístrojov.

Titánové steny ale sami o sebe nestačia. Na sonde takéhoto typu rozhodne nemôžete použiť obyčajný počítač. V tejto súvislosti môžete v netechnických médiách často naraziť na hlúpe prirovnania, ktoré poukazujú na to, že nejaká vesmírna sonda za stovky miliónov či miliardu dolárov je riadená počítačom, ktorý je výkonovo slabší, než výbehový smartfón či starý notebook. Ide však o nezmyselné a bezvýznamné prirovnanie. Ak by ste na sondu osadili takýto bežný počítač, krátko po štarte by sa z neho stala bezcenná hromada šrotu.

Počítač za 180 000 eur

Sonda je neprestajne bombardovaná vysoko energetickým tokom protónov, elektrónov a iných subatomárnych častíc, pričom každá môže potenciálne vraziť do tranzistoru procesora a rozraziť tisíce elektrónov ako biliardová guľa. Výsledkom sú ruchy, alternácia dátových hodnôt a vo všeobecnosti sabotovanie prevádzky.

Aby kozmický počítač dokázal niečo také zvládnuť, jeho procesor, pamäťové a iné čipy sa pokročilo upravujú za účelom zvýšenia radiačnej odolnosti. Označuje sa to ako Radiation-hardening (radiačné „zodolnenie“), či skrátene rad-hard. Čipy sú obvykle chránené vrstvou čistého bóru, pričom na vyrobenie procesoru sa namiesto bežného kremíku používajú vhodnejšie materiály, ako je napríklad karbid kremičitý alebo gálium nitrid.

Poslednou líniou obrany je upravená riadiaca logika, obsahujúca redundantné systémy, v ktorej je jeden bit nahradený trojicou rovnakých bitov a oddelenou „rozhodovacou logikou“. Procesor tak pri svojej práci v reálnom čase číta hodnotu troch bitov a pokiaľ sa jeden z nich z dôvodu poruchy líši (či už z dôvodu žiarenia alebo iného), pokračuje sa s hodnotou totožnej dvojice.

Nedelni25-3_nowat

Malý a veľký variant počítača s procesorom RAD750, použitý v sonde Juno. Procesor je menší šedý štvorec. Ten väčší je regulátor a zlaté čipy patria pamätiam

Juno je vybavená počítačom s procesorom RAD750. Ten vychádza z architektúry procesoru IBM PowerPC 750, pričom túto špeciálnu radiačne tienenú variantu vyrába americká pobočka BAE Systems (britská zbrojná firma). RAD750 má frekvenciu 200 MHZ a tvorí ho 10,4 milióna tranzistorov, vyrobených 150 nm výrobným procesom. Štandardne má spotrebu 10 W, pričom dokáže pracovať pod návalom miliónkrát väčšej radiácie, než je smrtiaca dávka pre človeka.

Počítač je tvorený jednou základnou doskou, na ktorej je procesor osadený spoločne so 128 MB radiačne tienenej operačnej pamäte a 256 MB úložiskom z NAND flash. Dátová priepustnosť počítača je okolo 100 Mbit/s, čo plne dostačuje pre všetky prístroje, bez toho aby sa mrhalo nevyužitým výkonom a odčerpávala sa energia pokročilým detektorom a vedeckému vybaveniu.

Počítač má na starosti autonómne riadenie sondy a spracovanie a odosielanie dát. Z dôvodu vzdialenosti a limitnej rýchlosti svetla má komunikácia so Zemou oneskorenie 45 minút, takže počítač si musí poradiť s akútnymi situáciami a navigáciou vždy sám. Stroje tohto typu sú veľmi podrobne testované, aby bola zaručená minimálna chybovosť. Priemer výskytu ekvivalentu „BSOD“ je na úrovni jednej chyby za 15 rokov prevádzky. Asi neprekvapí, že cena tohto počítača je zhruba 180 000 eur.

V titánovej krabici je okrem riadiaceho počítača umiestená aj elektronika vedeckého vybavenia. Táto doska patrí ultrafialovému spektrografu

Okrem riadiaceho počítača sa v titánovom trezore nachádzajú aj dosky elektroniky jednotlivých vedeckých prístrojov, na ktorých už také bezchybné bremeno prevádzky neleží. Pri jeden a pol ročnej misii totiž nie je podstatné, že počas nejakej sekundy dôjde k malej chybe, pretože v priebehu misie dôjde k obrovskému množstvu meraní a chybné dáta sa ľahko vyradia.

Zaujímavosťou je, že v tienenej konštrukcii sa okrem prístrojov nachádzajú aj tri malé hliníkové figúrky Lega. Títo traja „pasažieri“ reprezentujú boha Jupitera, jeho manželku Juno (z rímskej mytológie) a takisto postavu talianskeho astronóma Galileo Galilea. Ten ako prvý pozoroval Jupiter ďalekohľadom a v roku 1610 odhalil, že okolo neho obiehajú mesiace, čo navždy rozbilo dojem, že všetky nebeské telesá sa točia okolo Zeme. Figúrky sú umiestnené na palube v rámci propagácie programu NASA a firmy Lego, určeného na podporu detského vzdelávania a zvyšovania záujmu o kozmický výskum.

Nedelni25-5_nowat

Keď je zásuvka 778 miliónov kilometrov ďaleko

Energiu dodáva sonde sústava solárnych panelov, umiestnených na troch ramenách. Dovedna panely obsahujú 18 698 vysoko efektívnych solárnych článkov, ktoré sú o viac ako 100 % účinnejšie, než bežné kremíkové modely používané na Zemi. Sú vytvorené z arzénu, gália, india a fosforu a sú takisto aj zhruba tisícnásobne drahšie ako ich obyčajné náprotivky.

Vďaka pokroku vo vývoji solárnych technológii bolo po prvý krát v histórii možné, aby sa takto napájaná sonda mohla vydať k planétam z vonkajšej časti slnečnej sústavy (Jupiter, Saturn, Urán, Neptún). V minulosti museli byť sondy pre takéto misie vybavené výhradne termonukleárnym zdrojom energie.

Jupiter je každopádne tesne na hranici limitov solárnej technológie. Ako sa totiž od Slnka vzďaľujete, na plochu panelov dopadá stále menej a menej slnečného žiarenia. Jupiter je od Slnka zhruba päť krát ďalej ako Zem, čo znamená, že na jeden meter plochy dopadne 25× menej svetla.

V reči čísiel to vyzerá tak, že zatiaľ čo pri Zemi boli masívne solárne panely sondy schopné vyprodukovať 14 000 W, pri Jupiteri je to už len 500 W. Pri ešte vzdialenejších planétach by teda už neboli použiteľné (napríklad pri Uráne by už dodávali len 20 W). Počas misie pri tom budú neustále bombardované silnou radiáciou a do konca misie sa očakáva pokles produkcie na 420 W.

Pohľad na jedno rameno sondy s veľkým magnetometrom (strieborný koniec pripomínajúci rameno HDD), ktorý spolu s vedcami dáva dobrú predstavu o celkovej veľkosti konštrukcie.

Juno komunikuje zo Zemou v nepravidelných intervaloch pomocou svojej antény s priemerom 3 m. Na Zemi zachytávajú a vysielajú signál antény siete DNS (Deep Space Network) s priemerom 70 m, ktoré sú rozmiestnené po svete tak, aby bol zabezpečený príjem z daného smeru aj napriek rotácii Zeme (USA, Austrália, Španielsko). Komunikácia prebieha rýchlosťou 325 bitov za sekundu,

Čo bude sonda pri Jupiteri robiť?

Jupiter je plynový obor, zložený prevažne z vodíku a hélia, pričom je zhruba 300× masívnejší ako Zem. V jeho mrakoch, rotujúcich v rozličných smeroch (čo vytvára špecifické pásy), panuje búrlivé počasie. Tým zrejme najznámejším javom je tzv. Veľká červená škvrna, čo je do kruhu točiaca sa búrka v hornej vrstve atmosféry, ktorá zúri na planéte už niekoľko storočí. Je pri tom dvojnásobne väčšia než celá Zem.

Juno v prvej hlavnej fáze misie, ktorá začala práve 5. júla, vykoná dva oblety planéty s veľkým polomerom. Každý oblet bude trvať 53 dní. Potom bude nasledovať ďalšie významné zapálenie hlavného motora (19. októbra) a prechod sondy na nižšiu orbitu v polárnom smere, pri ktorej bude jeden oblet trvať už len 14 dní.

Nedelni25-8_nowat

Fotoaparát sondy Juno a jeho riadiaca elektronika, ktorá je osadená v titánovej skrinke spolu s počítačom. V pravom hornom rohu fotografie je vidieť osadenie fotoaparátu na tele sondy, blízko jednej z palivovej nádrží

Juno je prvá sonda v histórii, ktorá bude Jupiter sledovať len z výšky 4300 km nad hornou vrstvou mrakov, pričom takisto ako prvá znesie prechod jeho radiačnými pásmi. Urobí tak zatiaľ nevídané vysoko detailné fotografie tejto planéty. Fotografie však nie sú prioritou misie a slúžia najmä pre propagáciu na verejnosti.

Hlavnou vedeckou fázou misie je precízne meranie atmosféry infračervenými a mikrovlnnými senzormi, čo pomôže k presnému zisteniu jej zloženia až do veľkých hĺbok. To nám napomôže k poznatkom o formovaní a životnom cykle tejto planéty a zrejme nám odhalí aj tajomstvo toho, či planéta má alebo nemá „pevné“ jadro (rozumej nie zo stlačených plynov, ale z roztavených ťažších prvkov). Študovaná bude takisto polárna magnetosféra a gravitačné pole.

Misia by sa mala skončiť po 37 obletoch, teda vo februári 2018, kedy bude motor zapálený naposledy a sonda sa nesmeruje k riadenému zániku v atmosfére. Preletí tak mrakmi a postupne bude rozmliaždená a následne celkom roztavená na elementárne prvky čoraz väčším tlakom a teplotou vo väčších hĺbkach atmosféry.

Bližší pohľad na konštrukciu sondy. Nezabudnite, že video je 360°. Môžete sa teda v rámci neho otáčať myšou držaním ľavého tlačidla, alebo otáčaním celého svojho mobilného zaradenia.

Je to z dôvodu, aby po skončení životnosti a vyčerpaniu všetkého paliva jedného dňa nekontrolovane nenarazila do jedného z mesiacov a nekontaminovala ho. Jupiter má 67 známych mesiacov (sonda pravdepodobne odhalí aj ďalšie). Štyri z nich sú veľké podobne ako ten náš, avšak sú výrazne odlišné. Kým mesiac Io je vulkanicky najaktívnejším miestom slnečnej sústavy, s takmer nekonečným zástupom aktívnych sopiek, Europa je kompletne pokrytá ľadom, pod ktorým sa možno skrýva tekutý oceán a potenciálne aj jednoduchšie formy života.

Sonda Juno je výtvorom kozmickej agentúry NASA, pričom jej stavba, vypustenie a následná prevádzka misie do roku 2018 stála 1,13 miliardy dolárov. Ide o peknú ukážku ľudského umu a túžby po vedomostiach. Tešme sa teda na to, aké tajomstvá nám v najbližších mesiacoch odhalí.

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

Nedelnik25-re_nowat

Značky:

O autorovi

Profesionálnej žurnalistike sa venujem od roku 2006. Zameriavam sa najmä na prehľadové a analytické články z prostredia hardvéru, výrobných procesov polovodičov, umelej inteligencie a ďalších technológií. Mojou doménou je takisto servis hardvéru aj softvéru.

Jeden komentár

  1. Pingback: 08_2017 Blog, Notes.

Pridaj komentár

Objednajte si ročné predplatné časopisu TOUCHIT, teraz s užitočnou príručkou
Začíname so smartfónom.Iba za 22,99 €.
Kliknite a zistite viac>>