Jak NASA chroni Europa Clipper przed promieniowaniem kosmicznym

Aby zbadać tajemniczy, pokryty lodem księżyc Europa, misja będzie musiała wytrzymać bombardowanie promieniowaniem i wysokoenergetycznymi cząsteczkami otaczającymi Jowisza.

Kiedy należąca do NASA sonda kosmiczna Europa Clipper zacznie krążyć wokół Jowisza, aby sprawdzić, czy na jej pokrytym lodem księżycu Europa panują warunki odpowiednie do powstania życia, sonda będzie wielokrotnie przechodzić przez jedno z najsurowszych środowisk radiacyjnych w naszym Układzie Słonecznym.

Utwardzenie statku kosmicznego przed potencjalnymi uszkodzeniami powodowanymi przez to promieniowanie nie jest łatwym zadaniem. Jednak 7 października misja umieściła ostatni element „pancerza” statku kosmicznego na miejscu, zamykając skarbiec, obudowę specjalnie zaprojektowaną w celu ochrony zaawansowanej elektroniki Europa Clipper. Sonda jest składana kawałek po kawałku w zakładzie montażu statków kosmicznych w laboratorium napędu odrzutowego NASA w południowej Kalifornii przed jej wystrzeleniem w październiku 2024 r.

„Zamknięcie skarbca to duże osiągnięcie” – powiedziała Kendra Short, zastępca dyrektora Europa Clipper Flight System w JPL. „Oznacza to, że mamy tam wszystko, co powinniśmy. Jesteśmy gotowi to zamknąć”.

Aluminiowe sklepienie ma niecałe pół cala (1 cm) grubości i mieści elektronikę zestawu instrumentów naukowych statku kosmicznego. Alternatywa polegająca na indywidualnej ochronie każdego zestawu części elektronicznych zwiększyłaby koszt i wagę statku kosmicznego.

„Skarbiec zaprojektowano tak, aby ograniczyć środowisko radiacyjne do akceptowalnego poziomu dla większości urządzeń elektronicznych” – powiedział Ensu Jun z JPL, współprzewodniczący europejskiej grupy fokusowej Clipper Radiation Focus Group i ekspert w dziedzinie promieniowania kosmicznego.

Kara za promieniowanie

Gigantyczne pole magnetyczne Jowisza jest 20 000 razy silniejsze niż ziemskie i szybko się obraca w czasie wraz z 10-godzinnym okresem rotacji planety. Pole to wychwytuje i przyspiesza naładowane cząstki z kosmicznego środowiska Jowisza, tworząc potężne pasy radiacyjne. Promieniowanie to ciągła obecność fizyczna – rodzaj pogody kosmicznej – która bombarduje wszystko w swoim obszarze działania szkodliwymi cząsteczkami.

„Jowisz ma gęstsze środowisko radiacyjne niż Słońce w Układzie Słonecznym” – powiedział John. „Środowisko radiacyjne wpływa na każdy aspekt misji”.

Dlatego też, gdy statek kosmiczny dotrze do Jowisza w 2030 r., Europa Clipper nie zatrzyma się po prostu na orbicie wokół Europy. Zamiast tego, podobnie jak niektóre poprzednie statki kosmiczne, które badały układ Jowisza, wykona szeroką orbitę wokół samego Jowisza, aby znaleźć się jak najdalej od planety i jej ostrego promieniowania. Podczas tych orbit planet statek kosmiczny przeleci nad Europą prawie 50 razy, aby zebrać dane naukowe.

Promieniowanie jest tak intensywne, że naukowcy uważają, że zmienia powierzchnię Europy, powodując widoczne zmiany w kolorze, mówi Tom Nordheim, planetolog z JPL, który specjalizuje się w lodowych księżycach zewnętrznych — Europie i Enceladusie.

„Promieniowanie na powierzchni Europy to główny proces modyfikacji geologicznych” – powiedział Nordheim. „Kiedy spojrzymy na Europę – czerwonobrązową barwę, naukowcy wykazali, że jest to zgodne z radioterapią”.

Chaotyczna lodowa scena

Zatem nawet gdy inżynierowie starają się chronić Europa Clipper przed promieniowaniem, naukowcy tacy jak Nordheim i John mają nadzieję wykorzystać sondy kosmiczne do jego zbadania.

„Dzięki dedykowanej jednostce monitorującej promieniowanie i wykorzystującej oportunistyczne dane dotyczące promieniowania ze swoich instrumentów, Europa Clipper pomoże odkryć wyjątkowe i wymagające środowisko radiacyjne Jowisza” – powiedział John.

Nordheim koncentruje się na „terenach chaosu” Europy, czyli obszarach, w których masy materiału powierzchniowego wydają się zostać rozbite, obrócone i przeniesione w nowe miejsca, w wielu przypadkach zachowując istniejące wcześniej liniowe wzorce pęknięć.

Naukowcy uważają, że głęboko pod lodową powierzchnią Księżyca znajduje się ogromny ocean ciekłej wody, który może zapewnić środowisko nadające się do zamieszkania. Na niektórych obszarach powierzchni Europy widać ślady transportu materiału z powierzchni na powierzchnię. „Musimy zrozumieć kontekst tego, jak promieniowanie modyfikuje ten materiał” – powiedział Nordheim. „Może zmienić skład chemiczny substancji”.

Wytrzymałość cieplna

Ponieważ ocean Europy jest zamknięty w skorupie lodu, żadne potencjalne formy życia nie byłyby w stanie polegać bezpośrednio na energii słonecznej, tak jak robią to rośliny na Ziemi. Zamiast tego będą potrzebować alternatywnego źródła energii, takiego jak ciepło lub energia chemiczna. Promieniowanie padające na powierzchnię Europy mogłoby pomóc w zapewnieniu takiego źródła, tworząc utleniacze, takie jak tlen lub nadtlenek wodoru, gdy promieniowanie reaguje z powierzchniową warstwą lodu.

Z biegiem czasu utleniacze te mogą zostać przeniesione z powierzchni do wnętrza oceanu.

„Powierzchnia może służyć jako okno do wnętrza Ziemi” – powiedział Nordheim. Dodał, że lepsze zrozumienie takich procesów może okazać się kluczem do odkrycia większej liczby tajemnic układu Jowisza: „Promieniowanie to jedna z rzeczy, która czyni Europę tak interesującą. To część historii”.