Udforskning af det ydre solsystem (Kina)

Den udforskning af det ydre solsystem ( kinesisk 太陽系邊際探測 / 太阳系边际探测, Pinyin Tàiyángxì Biānjì heden , bogstaveligt "udforske kanten af solsystemet") er den arbejdstitel af et projekt, som Folkerepublikken Kina til at udforske Jupiter og især dens fjerde måne, Callisto , de ydre planeter og heliopausen . Projektet blev præsenteret for første gang den 2. maj 2018. Det er under den videnskabelige ledelse af fakultetet for jord- og rumvidenskab ved Beijing University (Zong Qiugang) i samarbejde med Center for Lunar Exploration and Space Projects fra National Space Agency of China ( Wu Weiren ), China Aerospace Science and Technology Corporation ( Yu Dengyun ), Chinese Academy of Space Technology (Huang Jiangchuan), Beijing Institute for Rumfartøjsdesign (Meng Linzhi) og National Center for Space Science ( Wang Chi ). Der er et startvindue for missionen mellem 2029 og 2032; starten er oprindeligt planlagt til 2030.

Mission flow

Område 1 (op til 100 AU)

Planetarisk udforskning

I henhold til den plan, der blev godkendt af National People's Congress den 11. marts 2021 og finansieret fra fonden til nationale videnskabelige og tekniske storskala-projekter indtil den 31. december 2035 , skulle en sonde bestående af flere komponenter i første omgang kontrollere Jupiter-systemet efter starten af 2030. Ved ankomsten i 2033 vil sonden dele sig i to dele, den såkaldte "Jupiter System Exploration Probe" (木星 系 探测器, engelsk engang Jupiter Callisto Orbiter ) og " Planetary System Crossing Probe" (行星 穿越 探测器, engelsk engang Interstellar Heliospheric Probe ). Jupiters systemprobe svinger i første omgang i en bane omkring Jupiter selv for at kunne udføre videnskabelige undersøgelser af planeten og dens måner. Efter en periode, ved hjælp af tyngdekraften fra Ganymedes , den tredje og største måne i Jupitersystemet, forvandler sonden sin bane til en langstrakt ellipse, kun for at blive fanget af tyngdekraften, Callistus , Jupiters fjerde måne. Efter flere banekorrigeringsmanøvrer tages endelig en cirkulær bane 500 km høj omkring Callisto. I januar 2021 blev det overvejet at transportere en lander - kuldioxidatmosfæren i Kallisto er ekstremt tynd med mindre end 10 ⁻⁶  Pa - hvilket skulle få viden om månens dannelse og udvikling.

I mellemtiden, efter at have brugt Jupiters tyngdekraft til at accelerere med en sving-by- manøvre, flyver planetsystemsonden videre til Uranus , hvor den efter planen skal ankomme i 2038. Der skal indsættes en undersonde, der langsomt vil falde ned i planetens atmosfære og udføre målinger af dens kemiske sammensætning. Efter Uranus flyby vil sonden, ligesom Voyager -sonderne tidligere, fortsætte med at flyve til kanten af ​​solsystemet og det nærliggende interstellare rum. Missionen ligner stort set den i Chang'e 5 , hvor sonden først fløj til månen, faldt en lander der, derefter til Jorden, faldt en kapsel der (landede på en faldskærm) og derefter til Lagrange punkt L. _{1 af} jord-solsystemet fløj videre. I sommeren 2020 lavede Zhang Yuhua (张玉 花, * 1968), som på Shanghai Academy of Space Technology som afdelingsleder for både den toroidale orbiter i Chang'e 5 og for det samme design i princippet orbiter Mars sonde Tianwen -1 var ansvarlig, forslaget om at bruge sidstnævnte som en universel bus, i den centrale åbning, hvor en kemisk motor eller en ionmotor eventuelt kunne monteres. En ionmotor med 5 kW, 200 mN fremdrift og 4000 s specifik impuls har været i brug på Shijian 20 teknologitestsatellitten siden den 27. december 2019 .

Udforske den rumlige fordeling af interplanetarisk støv og observere det ekstragalaktiske baggrundslys

Ud over at udforske planeterne vil sonden bruge en støvdetektor til kontinuerligt at måle den radiale fordeling af interplanetarisk støv . Det håbes, at dette vil give oplysninger om dette støvs oprindelse, de mekanismer, der fører til dets dannelse, dets isotopiske sammensætning og spørgsmålet om, hvorvidt alle planeter eller deres måner er ens eller forskellige i denne henseende. Det såkaldte " stjernetegn " skabes ved spredning af sollyset på det interplanetariske støv, som forstyrrer observationen af ​​det ekstragalaktiske baggrundslys fra jorden. Stjernet for stjernetegnets lys falder hurtigt med afstanden til solen. Missionen til kanten af ​​solsystemet giver således mulighed for at observere baggrundslyset fra galakser på den anden side af Mælkevejen, dens intensitet og dets spektrale forløb. Det ekstragalaktiske baggrundslys repræsenterer en væsentlig del af den elektromagnetiske stråling, der frigives ved atom- og gravitationsprocesser siden rekombinationens alder 400.000 år efter Big Bang ; Fra hans observation håber forskerne at få dybere indsigt i universets dannelse og udvikling.

Undersøgelse af heliopausen

Heliosfæren i den tidligere antagelse. Solsystemet bevæger sig til venstre, halen til højre.

Den Heliosfæren er et stort område omkring solen, hvor solvinden af elektrisk ladede partikler forskyder den interstellare medium og danner en slags "boble" omkring solen. Grænsen for dette område, der strækker sig langt ud over planetbanerne, hvor solvinden møder det interstellare medium, kaldes "heliopausen". Da solsystemet bevæger sig gennem det interstellare medium med en hastighed på 23,2 km / s eller 84.000 km / t, var den tidligere antagelse, at heliosfæren deformeres af "luftstrømmen" og har en kometlignende form med et hoved, hvor grænselinjen til det interstellare rum med 100  AU er relativt tæt på solen og en hale, der peger i den modsatte retning af kørselsretningen. Efter at have evalueret dataene fra Voyager 1 og Voyager 2 , Saturn-sonden Cassini og IBEX- satellitten ser det imidlertid ud til, at heliosfæren ikke har en kometlignende hale, men faktisk er mere sfærisk.

Ifølge den aktuelle forskningstilstand støder solvindens plasma på neutrale brintatomer fra det interstellare medium omkring 84 til 94 AU væk fra solen, som trængte gennem heliopausen ind i heliosfæren med en hastighed på 25 km / s. Når et sådant hydrogenatom kolliderer med en ultraviolet foton fra solvinden, mister den sin elektron, som bliver opsamlet af et ioniseret atom fra solvinden. Under denne proces bremser solvinden fra omkring 350 km / s til 130 km / s. Omkring 70% af dets kinetiske energi forbruges under ioniseringen af ​​hydrogenatomerne. På grund af bremsningen og strømmen af ​​yderligere stof fra solens retning kondenserer og opvarmes solvindens plasma fra omkring 11.000 K til 180.000 K. I mellemtiden føres hydrogenionerne dannet på denne måde udad af solens magnetfelt, hvorfor de kaldes pick-up ioner , såkaldte "indsamlede ioner". Ifølge den oprindelige antagelse kolliderer pick-up-ionerne gentagne gange med kantchokbølgen og får energi, indtil de endelig undslipper kantstødbølgen og diffunderer ind i den indre heliosfære. Disse accelererede ioner danner derefter det, der er kendt som " anomal kosmisk stråling ". Voyager -sonderne var imidlertid i stand til at bestemme en yderligere stigende styrke af den unormale kosmiske stråling selv efter at have krydset kantstødbølgen og trængt ind i helioskroget , indtil den pludselig forsvandt ud over heliopausen. Dette tyder på, at de uregelmæssige kosmiske stråler faktisk stammer fra helio -konvolutten, som nu skal bekræftes ved yderligere målinger på stedet.

Område 2 (op til 200 AU)

Observationer fra Interstellar Boundary Explorer fra jordens kredsløb har vist, at tilstrømningen af ​​interstellært brint , helium og ilt ikke er ensartet; nogle gange dominerer helium og ilt, nogle gange brint. Forholdet mellem neon og ilt varierer også meget afhængigt af sted og tid.

Forskerne håber, at in-situ målinger vil give oplysninger om densiteten af ​​det interstellare medium , isotopens overflod, graden af ​​dets ionisering, forholdet mellem støv og gas og mekanismerne for dets opvarmning. Et lignende problem eksisterer med det interstellare magnetfelt. Voyager -proberne har allerede taget nogle målinger, men der er stadig en række ubesvarede spørgsmål. Med et magnetometer i høj opløsning skal der nu opnås mere præcis information om retningen, styrken, ændringer og indflydelsen fra den turbulente bevægelse af den interstellare gas på magnetfeltet på stedet. Ifølge observationer foretaget af satellitter og dybe rumsonder i 1980'erne til 2010'erne ser det ud til, at den interstellare vind ændrer retning gennem årene. Dette kan være en indikation på, at rumvejret konstant ændrer sig. Yderligere undersøgelser er nødvendige for dette. Forskerne håber at forstå dette fænomen ved at måle sammensætningen, frekvensen, tætheden og temperaturen af ​​de interstellare støvskyer in situ .

Område 3 (op til 1000 AU)

Gravitationslinseffekt af solen

Omkring 1000 astronomiske enheder ud over solen er Oortskyen , en hypotetisk, kugleformet samling af mere end 100 milliarder astronomiske objekter, der menes at være oprindelsen til langtidskometer . Oortskyen er for langt fra både solen og de nærmeste stjerner til at være tilstrækkeligt belyst til direkte observation. Forskerne forsøger nu at komme uden om dette problem ved at flyve sonden ind i fokuspunktet for solens gravitationslinse , som er omkring 550 AU væk. Det er håbet, at solen med sin gravitationslinseffekt vil fokusere det svage lys fra objekter i Oort -skyen så stærkt, at de kan observeres direkte; solens linseeffekt ville forstørre med en faktor på omkring 100 mio. Ud over direkte bevis for eksistensen af ​​Oort -skyen, kunne man få viden om dens dannelse og sammensætning, muligvis også om en sammenhæng mellem udryddelse af arter på jorden forårsaget af påvirkningshændelser og Oortskyen.

Tekniske aspekter

Et atom-elektrisk system var planlagt til at drive sonden i juni 2021, hvor en lille atomreaktor med 10 kW effekt ville blive anbragt i en separat, afskærmet enhed fra den faktiske sonde og kun forbundet til den med en forlængelig gitterbjælke konstruktion. Det hele ville så have form som en håndvægt eller en shuttle . Reaktoren her er en hurtig opdrætter , der bruger termoelektricitet til at generere elektricitet til et ion -drev, svarende til NASAs snapshot -satellit fra 1965 . En atomreaktor tilbyder ikke kun høj fremdriftseffekt, men der er også tilstrækkelig elektricitet til rådighed til at drive de videnskabelige nyttelast og overføre data til jorden. Et sådant system skal først udvikles og testes på jorden og i kredsløb. Imidlertid antager National Space Agency, at det vil være operationelt ved den planlagte opsendelse i 2030. På grund af sondens tunge vægt er det planlagt at lancere den med den supertunge Langer Marsch 9- affyringsrampe , som skulle være tilgængelig på det tidspunkt.

Telemetri, sporing og kontrol

I forbindelse med månens og mars -programmerne har Kina allerede udviklet sit dybe rumnetværk meget godt. Især siden udvidelsen af Kashgar dyb rumstation til en 4 × 35 m gruppeantenne som en del af Mars -programmet er betingelserne på plads til at modtage signaler fra en afstand på 100 AU, dvs. 15 milliarder kilometer. K _a -båndet bør bruges som frekvensbånd til transmission af nyttelastdata til jorden , muligvis også X -båndet, som kun kan transmittere relativt små datamængder med samme transmissionseffekt, men er mindre modtagelig for interferens fra atmosfærisk påvirkninger som skyer eller regndråber, hvilket er en vigtig faktor i Kinas fugtige sommermonsunklima . For at kunne opfylde de videnskabelige mål er sonden udstyret med et stort antal enheder, der producerer de data, der skal transmitteres: magnetometre, detektorer for energisk neutrale atomer, anomale kosmiske stråler og andre partikler, støv- og plasmadetektorer, spektrometre og optiske kameraer. De militære dyb rumstationer Kashgar, Giyamusi og Zapala samt det 65 m lange Tianma radioteleskop nær Shanghai har allerede de passende modtagere. For undersøgelser i området mellem 100 og 200 AU med en følsomhed for modtageren på -157 dBm, ville en parabolisk antenne med en diameter på mindst 80 m være nødvendig. I cirklen Qitai , Province Xinjiang one er siden 2012 bygget 110 m teleskop, der ville være egnet med dens bredbåndsmodtager (150 MHz til 115 GHz) til dette formål.

På selve sonden skal der bruges en højforstærkningsantenne med en antenneforstærkning på mindst 59 dB i K _a -båndet og muligvis 46 dB i X -båndet, som skal være præcist på linje med jorden, men muliggør en relativt høj dataoverførselshastighed. Denne relativt høje datahastighed er meget lav i absolutte tal på grund af de store afstande: den skal være omkring 160 bit / s i en afstand på 100 AU. Sonden kan modtage ved 100 AU med 20 bit / s og med 200 AU med 10 bit / s. Til sammenligning: Cassini transmitteret fra Saturn, det vil sige på omkring 8 AU -afstand, med omkring 50 kbit / s og modtaget kontrolsignaler fra jorden med 8 kbit / s. Fra 2019 blev Klystron -sendere med en ydelse på 10 kW installeret i de kinesiske dybe rumstationer . Prototypen på en 50 kW sender til X-båndet blev afsluttet og testet i 2018. Til sammenligning: en af ​​X-båndsenderne i American Deep Space Network har en transmissionseffekt på 500 kW. For at reducere datatab på downlinket er det krypteret med en lineær blokkode til fejlkorrektion , en såkaldt low-density paritetskontrolkode , også kendt som LDPC .

Da fjernbetjening af sonden er vanskelig på grund af de lange signaludbredelsestider alene - omkring 15 timer i en afstand på 100 AU - bør den tildeles en høj grad af autonomi. Sonden skal til enhver tid vide, hvor den er, og selv kunne tænde, kalibrere og kontrollere den relevante nyttelast. Hun bør konstant overvåge sine egne systemer, og hvis hun bemærker en fejl, skal du genstarte og konfigurere dem. Autonom navigation, autonom missionsplanlægning og selvreparation er ting, der allerede er blevet afprøvet med Chang'e-4 månesonden . Ingeniørerne arbejder i øjeblikket intensivt på at perfektionere disse systemer.

Internationalt samarbejde

Selv da Zong Qiugang (宗 秋 刚, * 1965), lederen af ​​Institut for Rumfysik og Anvendt Teknologi ved Fakultet for Jord- og Rumvidenskab ved University of Beijing, præsenterede projektet for offentligheden for første gang i maj i maj 2018 var internationale gæster til stede Eksempel Elias Roussos fra Max Planck Institute for Solar System Research , Ip Wing-Huen (葉永 烜, * 1947) fra Institute for Astronomy på National Central University of Taiwan og Dmitri Klimushkin og Anatoli Leonovich fra Institut for Solar-Terrestrial Physics fra det russiske videnskabsakademi . Da forskere og ingeniører bag udforskningen af ​​heliopausen beskrev projektet detaljeret i det videnskabelige tidsskrift Scientia Sinica i januar 2019 , påpegede de igen, at sådanne krævende missioner bedst bør udføres i internationalt samarbejde. På European Congress of Planetology i Genève i september 2019 præsenterede Zong Qiugang projektet for et bredere internationalt publikum. Desuden Wang Chi, direktør for National Center for Space Sciences siden 2017 , Ralph L. McNutt, der arbejder på et lignende projekt på Applied Physics Laboratory ved Johns Hopkins University , og Robert Wimmer-Schweingruber fra Christian-Albrechts-Universität zu Kiel , organiserede designingeniøren af dosimeteret på Chang'e-4 landeren , John D. Richardson fra Kavli Institute for Astrophysics and Space Research ved Massachusetts Institute of Technology , Li Hui (李 晖, * 1985) fra National Specialized Laboratory for Space Weather og Maurizio Falanga fra International Institute for space science i Bern og Beijing i november 2019 en workshop om dette emne. Ud over kinesiske og russiske forskere og franskmanden Benoît Lavraud fra Center national de la recherche scientifique deltog også flere amerikanere. De detaljerede artikler blev offentliggjort den 31. august 2020 i Taikong -magasinet fra International Institute for Space Science.

Weblinks

• Websted for fakultetet for jord- og rumvidenskab, Peking University (engelsk)
• Website of the Institute of Space Physics and Applied Technology (kinesisk)
• Websted for National Priority Laboratory of Space Weather (engelsk)
• Særligt nummer af tidsskriftet for undersøgelse af dybe rum til strømforsyning af dybe rumsonder (kinesisk med engelske resuméer)

Individuelle beviser