Geimferðir

Könnun sólkerfisins hefur verið að mestu ómönnuð hingað til. Geimförin eru jafnan send í langar geimferðir, langt út geiminn og snúa sjaldnast heim aftur. Geimförin eru að miklu leyti sjálfstýrð. Um borð í þeim eru tölvur sem stjórna öllum rannsóknartækjum og stýribúnaði og taka auk þess við upplýsingum frá jörðinni og senda gögn til jarðar. Sum gervitungl nýta sólarljós til raforkuframleiðslu á meðan önnur nota kjarnaofna.

Í geimförum er fjöldi mælitækja en þau verða að vera lítil og nett til að draga úr þyngd geimfarsins og minnka þar með kostnað. Nánast öll geimför hafa myndavélar til að ljósmynda það sem fyrir augum ber, bæði í mikilli og lítilli upplausn. Með litrófsgreinum komumst við að efnasamsetningu yfirborða og lofthjúp hnattanna og með sviðsmælum mælum við styrk segulsviðsins.

1. Nokkur áhugaverð geimför

Tugir geimfara hafa heimsótt hina ýmsu hnetti sólkerfisins. Hér undir er tafla yfir nokkur áhugaverð geimför.

Fyrirbæri	Leiðangur	Tegund	Komuár	Geimferðastofnun
Sólin	SOHO Solar Dynamics Observatory Solar Orbiter Solar Probe+	Brautarfar	1995 2010 2017 2018	NASA/ESA NASA ESA NASA
Merkúríus	MESSENGER BepiColombo	Brautarfar Brautarfar	2011 2015	NASA ESA/JAXA
Venus	Magellan Venus Express	Brautarfar Brautarfar	1990 2006	NASA ESA
Jörðin	Terra Aqua Envisat Aura	Brautarfar Brautarfar Brautarfar Brautarfar	1999 2002 2002 2004	NASA NASA ESA NASA
Tunglið	Apollo geimáætlunin Lunar Reconnaissance Orbiter GRAIL LADEE Chang'e 3 Chang'e 4	Mannaðir leiðangrar Brautarfar Brautarfar Brautarfar Lendingarfar / jeppi Lendingarfar / jeppi	1968-1972 2009 2011 2013 2013 2014	NASA NASA NASA NASA CNSA (Kína) CNSA (Kína)
Mars	Mars Pathfinder/Sojourner Mars Global Surveyor 2001 Mars Odyssey Spirit og Opportunity Mars Reconnaissance Orbiter Mars Express Phoenix Fóbos-Grunt/Yinghuo-1 Curiosity (Mars Science Laboratory) MAVEN Mangalyaan InSight ExoMars 2016 ExoMars 2018 Mars 2020	Lendingarfar / jeppi Brautarfar Brautarfar Jeppar Brautarfar Brautarfar Lendingarfar Lendingarfar / brautarfar Jeppi Brautarfar Brautarfar Lendingarfar Brautarfar / lendingarfar Jeppi Jeppi	1997 1997 2001 2004 2006 2004 2008 2012 2012 2014 2014 2016 2016 2018 2021	NASA NASA NASA NASA NASA ESA NASA Rússland/Kína NASA NASA ISRO (Japan) NASA ESA/Roscosmos ESA/Roscosmos NASA
Smástirni	Hayabusa Dawn OSIRIS-REx Hayabusa 2	Brautarfar / sýnasöfnunarfar Brautarfar Brautarfar / sýnasöfnunarfar Brautarfar / sýnasöfnunarfar	2005 2011 2020	JAXA NASA NASA JAXA
Júpíter	Galíleó geimfarið Juno JUICE	Brautarfar Brautarfar Brautarfar	1995 2016 2022	NASA/ESA NASA ESA
Satúrnus	Cassini Huygens	Brautarfar Lendingarfar (Títan)	2004 2005	NASA ESA
Úranus Neptúnus	Voyager 2 -	Framhjáflug -	1986 1989	NASA
Plútó	New Horizons	Framhjáflug	2015	NASA
Halastjörnur	Stardust Deep Impact Rosetta	Framhjáflug / sýnasöfnunarfar Framhjáflug / árekstrarfar Brautarfar / lendingarfar	2004 2005 2014	NASA NASA ESA

2. Tegundir geimferða

Almennt séð eru til fjórar mismunandi tegundir af leiðöngrum:

• Framhjáflug, þegar geimför fljúga einu sinni framhjá hnetti og halda svo för sinni áfram, annað hvort að næsta hnetti eða jafnvel út úr sólkerfinu.

• Brautarför, þegar geimför komast á sporbraut um reikistjörnu eða annan hnött. Þessir leiðangrar gera okkur kleift að rannsaka hnöttinn í langan tíma.

• Lendingarför eða könnunarför, þegar geimför lenda á yfirborði hnattar annars vegar og falla hins vegar í gegnum lofthjúp hnattar. Sum lendingarför eru stöðug á meðan önnur eru hreyfanleg (jeppar).

• Sýnasöfnunarför, þau geimför sem safna sýnum og snúa með til jarðar.

Við skulum skoða hverja tegund nánar.

2.1. Framhjáflug

Voyager 2 flaug framhjá gasrisunum í ytra sólkerfinu á tíu ára tímabili milli 1979 og 1989 og hélt svo út úr sólkerfinu okkar. Mynd: NASA/JPL

Framhjáflug (e. flyby) eru gjarnan ódýrustu leiðangrarnir. Þeir krefjast minna magns af eldsneyti en aðrir leiðangrar. Eldsneytið er drjúgur hluti af kostnaði við leiðangurinn því það eykur þyngd geimfarsins. Léttum geimförum má skjóta á loft með ódýrari eldflaugum sem dregur verulega úr kostnaði. Lítil þörf er á eldsneyti þegar geimfarið er lagt af stað því í geimnum er ekkert loft sem hægir á ferð þess. Geimfarið þarf aðeins eldsneyti ef breyta eða leiðrétta á brautarferli þess.

Stundum er hægt að slá tvær eða fleiri flugur í einu höggi og heimsækja meira en einn hnött í einum og sama leiðangrinum. Í slíkum tilvikum má spara eldsneyti með því að nýta þyngdartog reikistjörnunnar sem flogið er framhjá. Við framhjáflugið er hægt að auka hraða geimfarsins og breyta brautarferlinum þannig að það stefnir að þeim næsta. Í leiðinni hægir geimfarið pínulítið á snúningi reikistjörnunnar, þótt ótrúlegt megi virðast. Á þennan hátt heimsótti Voyager 2 allar reikistjörnur ytra sólkerfisins og hélt svo út úr sólkerfinu.

Þótt framhjáflug standi yfirleitt yfir í stuttan tíma fást engu að síður mjög gagnlegar upplýsingar úr heimsókninni. Með öflugum myndavélum sést yfirborð reikistjarna og tungla mun betur en í gegnum bestu sjónauka jarðar. Með litrófsgreinum fæst áreiðanlegri mynd af efnasamsetningu hnattanna. Þess utan er hægt að nálgast upplýsingar sem mjög erfitt eða jafnvel ekki er hægt að afla frá jörðinni. Voyager 2 uppgötvaði t.d. hringa Júpíters með því að beina myndavélum sínum að reikistjörnunni þegar hún huldi sólina. Hringarnir voru þá baklýstir og blöstu við á ljósmyndum.

Framhjáflug gefa okkur kost á að mæla styrk segulsviðsins í kringum hnettina og ryk í geimnum. Þyngdarkraftur reikistjarnanna togar í gervitunglin sem gerir okkur kleift að leiða út massa þeirra og eðlismassa. Þannig upplýsingar segja okkur ýmislegt um efnasamsetningu og innviði hnattanna.

Dæmi: Voyager 2 og New Horizons

2.2. Brautarför

Cassini geimfarið er nú á braut um Satúrnus. Hér búa verkfræðingar það undir prófanir. Gulllitaða skífan framan á geimfarinu er Huygens-kanninn. Mynd: NASA/JPL

Þótt framhjáflug séu ágæt til síns brúks kemur fátt í staðinn fyrir brautarför (e. orbiters). Brautarför geta dvalið mánuðum eða jafnvel árum saman við hnöttinn og gert okkur þar með kleift að fylgjast með breytingum á yfirborði hans og lofthjúpi. Brautarför hafa verið send til tunglsins, Venusar, Mars, Júpíters, Satúrnusar og tveggja smástirna. Á næstu árum bætast Merkúríus og halastjarna í þennan fríða hóp.

Brautarför eru mun dýrari en framhjáflug vegna þess mikla eldsneytis sem þau þurfa til að komast á heppilega braut um hnettina. Verkfræðingar hafa reynt að draga úr eldsneytiskostnaði með ýmsum hætti. Geimför sem heimsótt hafa Mars hafa t.d. sparað eldsneyti með því að fara fyrst á stóra sporöskjulaga braut um reikistjörnuna. Síðan er núningur geimfarsins við lofthjúpinn notaður til að hægja ferðina og lækka brautina. Þessi aðferð kallast lofthemlun og líkist helst því að láta geimfarið fleyta kerlingar á lofthjúpnum í nokkra mánuði.

Í sumum brautarförum eru ratsjár um borð. Þær nýtast sérstaklega vel til þess að gera hæðarmælingar á yfirborðum hnattanna, en einnig til að skyggnast í gegnum skýjahulu hnatta eins og Venusar og Títans.

Dæmi: Mars Reconnaissance Orbiter, Cassini geimfarið

2.3. Lendingar- og könnunarför

Phoenix kemur inn til lendingar á Mars. Mynd: NASA/JPL

Nákvæmustu rannsóknir hnöttum sólkerfisins fara fram á staðnum, þ.e. þegar geimfar fellur í gegnum lofthjúp hnattar (e. probe) eða lendir á yfirborðinu (e. lander). Á reikistjörnum með fast yfirborð er hægt að lenda, taka nærmyndir af yfirborðinu, gera veðurathuganir og jafnvel framkvæmt líf- og efnafræðilegar rannsóknir á jarðveginum. Stundum eru lendingarförin jeppar sem aka þvers og kruss um yfirborðið, eins og Marsjepparnir Spirit og Opportunity.

Árið 1995 féll könnunarfar í gegnum lofthjúp Júpíters. Í um það bil klukkustund mældi farið hitastig, loftþrýsting, efnasamsetningu og geislun í lofthjúpnum, allt þar til það eyðilagðist vegna hitans og þrýstingsins í innviðum Júpíters.

Lendingarför eru dýr því þau eru tæknilega erfið. Með miklu hugmyndaflugi tókst snjöllum verkfræðingum að lenda Marsjeppunum Sojourner, Spirit og Opportunity með hjálp loftpúða. Með loftpúðunum gátu geimförin skoppað um yfirborðið.

Dæmi: Huygens-kanninn, Curiosity jeppinn

2.4. Sýnasöfnunarför

Menn dreymir um að senda sýnasöfnunarfar til Mars. Mynd: NASA/JPL

Lendingarför eru yfirleitt tiltölulega lítil, svo ef gera á tilraunir á yfirborðinu verður rannsóknarstofan að komast fyrir innan í geimfarinu. Lítið má út af bregða ef rannsóknin á að heppnast enda er lendingarförunum takmörk sett. Vísindamenn kjósa því helst að fá að handleika sýnin sjálfir. Það er aðeins hægt með sýnasöfnunarförum (e. sample missions) sem heimsækja hnött, sækja sýni af honum og koma með heim til jarðar.

Hingað til hafa einu mönnuðu sýnasöfnunarleiðangrarnir verið farnir til tunglsins. Apollo geimfararnir sneru með tugi kílógramma af tunglgrjóti til jarðar. Þessi sýni hafa kennt okkur heilmargt um tunglið og lögðu grunninn kenningunni um myndun tunglsins.

Sýnasöfnunarleiðangur til Mars er draumur flestra reikistjörnufræðinga. Enginn slíkur leiðangur er fyrirhugaður eins og er, en það kann að breytast á næstu árum.

Árið 2006 sneri Stardust geimfarið með sýni úr halastjörnunni Wild 2 til jarðar, eftir að hafa flogið framhjá henni. Árið 2010 sneri svo japanska könnunarfarið Hayabusa með sýnasöfnunarhylki til jarðar eftir heimsókn til smástirnisins Itokawa.

2.5. Blandaðir leiðangrar

Stundum eru tvö geimför send út í geiminn í einu til eins og sama hnattar. Þannig fylgdi lítið könnunarfar Galíleó geimfarinu á leið þess til Júpíters sem losnaði frá og féll í gegnum lofthjúp reikistjörnunnar. Cassini geimfarið heimsótti Venus, jörðina og Júpíter á sjö ára ferðalagi sínu til Satúrnusar. Með í för var Huygens-könnunarfarið sem féll í gegnum lofthjúp og lenti á yfirborði Títans í janúar 2005.

Heimildir

1. Jeffrey Bennett, Megan Donahue, Nicholas Schneider og Mark Voit. 2010. The Cosmic Perspective, 6. útgáfa. Addison-Wesley, New York.

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2010). Geimferðir. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornufraedi.is/solkerfid-large/geimferdir (sótt: DAGSETNING).