Jüpiter’deki JUICE uzay aracının illüstrasyonu. Juice’un Jüpiter’e olan görevi, verimli seyahat için yerçekimi yardımlarından yararlanan karmaşık uzay navigasyonunun bir kanıtıdır. 2031’de varmayı hedefleyen araç, Jüpiter’in uydularını keşfetmeyi ve kozmik sırları açığa çıkarmayı amaçlıyor. Kredi bilgileri: ESA
Meyve Suyu: Neden Bu Kadar Uzun Sürüyor?
Yörüngedeki en yakın noktada Dünya ve Jüpiter neredeyse 600 milyon kilometre (375 milyon mil) ile ayrılıyor. Bu yazının yazıldığı sırada, lansmandan beş ay sonra Juice halihazırda 370 milyon kilometre (230 milyon mil) yol kat etmişti, ancak zaman içinde bu mesafenin yalnızca %5’i kalmıştı. Neden bu kadar uzun sürüyor?
Cevap, ESA’nın Görev Kontrolündeki uçuş dinamiği uzmanlarının iyi bildiği, kullanılan yakıt miktarından roketin gücüne, uzay aracının kütlesine ve gezegenlerin geometrisine kadar çeşitli faktörlere bağlıdır.
ESA’nın uçuş dinamiği uzmanları buna dayanarak bir rota tasarlıyor. Yörünge mekaniği dünyası mantığa aykırı bir yerdir, ancak biraz sabır ve çok fazla planlamayla, açıklayacağımız gibi, çok az yakıtla büyük miktarda bilim yapmamıza olanak tanır.
Jüpiter’in bu görüntüsü, 25 Ağustos 2020’de NASA’nın Hubble Uzay Teleskobu tarafından çekildi. Gezegen Dünya’dan 646 milyon kilometre uzaktayken çekildi. Katkıda bulunanlar: NASA, ESA, STScI, A. Simon (Goddard Uzay Uçuş Merkezi), MH Wong (Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley) ve OPAL ekibi
Uzayda Düz Çizgiler mi? Büyük Enerji İsrafı
Gezegenlerin, ayların, yıldızların ve galaksilerin hareketini takip ettiğinizde onların her zaman başka bir nesnenin etrafında hareket halinde olduklarını göreceksiniz. Bir görev başlatıldığında, hareketsiz bir Dünya’dan değil, Güneş’in etrafında saniyede yaklaşık 30 km hızla dönen bir gezegenin üzerinden atlıyor.
Bu nedenle, Dünya’dan fırlatılan bir uzay aracı zaten büyük miktarda ‘yörünge enerjisine’ sahiptir; bu, merkezi bir gövde etrafındaki yörüngenin boyutunu belirlerken önemli olan tek birimdir. Fırlatıldıktan hemen sonra, bir uzay aracı aşağı yukarı gezegenimizin Güneş etrafındaki yörüngesiyle aynı yörüngededir.
Bu yörüngeden kurtulmak ve Dünya’dan Jüpiter’e mümkün olan en kısa düz çizgide uçmak için büyük bir roket ve çok fazla yakıt gerekir. Ama yapılabilir. Bir sonraki sorun, fren yapmak ve Jüpiter’in etrafında yörüngeye girmek ve hemen yanından geçmek için daha fazla yakıta ihtiyaç duymanızdır.
Bir uzay aracının fırlatılması yeni bir görevin başlangıcıdır ve Güneş Sisteminin derinliklerine ulaşmanın tek yoludur. Yeniden kullanılabilir roketlerin gerçeğe dönüşmesiyle birlikte ESA, tahrik teknolojisini ilerletmek ve onu daha çevreci hale getirmek için neler yapıyor? Kredi bilgileri: ESA/S. Berna
Boş Alanı Hedefleme
Jüpiter ve Dünya her zaman birbirlerine göre hareket ederler. En uzak noktalarında, Güneş’in karşıt taraflarında birbirlerinden 968 milyon kilometre (601 milyon mil) uzaktadırlar. İki gezegen arasındaki en kısa mesafe, Dünya ile Jüpiter’in Güneş’in aynı tarafında olduğu ve aralarında 600 milyon kilometrenin (375 milyon mil) biraz altında olduğu zamandır. Ancak mesafe tekrar artıncaya kadar bir anlığına bu pozisyonda kalırlar ve asla sabit bir mesafede kalmazlar.
Gezegenlerin hepsi Güneş etrafındaki yörüngelerinde farklı hızlarda hareket ediyor. Hareket eden bir araçtan hareketli bir hedefe top attığınızı hayal edin. Mühendisler, uzay aracı Dünya’dan ayrıldığında değil, Dünya’nın yörüngesinden Jüpiter’in uzay aracı geldiğinde olacağı yere kadar dairesel bir yol üzerinde sıçrama yapmak için ideal zamanı hesaplamalıdır.
Peki, mevcut en güçlü fırlatıcıya sahip olduğumuzu ve gezegenler doğru şekilde hizalandığında, doğru zamanda en kısa yörüngeden fırlattığımızı varsayarsak, bu ne kadar sürer?
Voyager ve Pioneer sondaları gibi ilk uzay görevleri bu yolculuğu iki yıldan daha kısa bir sürede tamamladı ve herhangi bir nesnenin Jüpiter’e ulaştığı en hızlı şey Yeni Ufuklar göreviydi. 19 Ocak 2006’da fırlatılan New Horizons, Jüpiter’e en yakın yaklaşımını 28 Şubat 2007’de gerçekleştirdi ve gezegene ulaşması bir yıldan biraz fazla sürdü. Tüm bu görevler bundan sonra da devam etti; Jüpiter’in başka bir yere uçuşunun ne kadar süreceğini belirlemenin mükemmel örnekleri.
Bu animasyon, Juice’un Jüpiter’e olan yolculuğunu tasvir ediyor ve dev gezegen ile okyanus taşıyan büyük uyduları üzerinde öngörülen turundan öne çıkanları gösteriyor. Juice’un 5-25 Nisan 2023’teki fırlatma penceresinde Dünya yüzeyinden ayrılmasından ve iç Güneş Sistemi’nde çok sayıda yerçekimi destekli yakın uçuş gerçekleştirmesinden, Jüpiter’e varmasına (Temmuz 2031), Jüpiter’in uyduları Europa, Callisto’nun yakın geçişlerine kadar olan yolculuğunu anlatıyor. ve Ganymede, Ganymede’ye yörüngesel yerleştirme (Aralık 2034) ve bu ayın yüzeyine nihai çarpma (2035’in sonları). Katkıda bulunanlar: ESA/Lightcurve Films/R. Andrés
Konaklama Ne Kadar Uzun Olursa Yaklaşım da O Kadar Yavaş Olur
Devasa gezegenin etrafında yörüngeye girip onu her yönden incelemek ve zamanla belki de uydularından birinin etrafında yörüngeye girmek için (Juice’ta bir ‘ilk’) biraz enerji kaybetmeniz gerekecek. Bu ‘yavaşlama’, büyük bir yörünge yerleştirme manevrası için çok fazla yakıt gerektirecektir. Çok fazla yakıtla fırlatmak istemiyorsanız, aktarma süresi 2,5 yıl olan manzaralı rotayı tercih ediyorsunuz.
Burası uzay aracının kütlesinin herhangi bir yere varmak için gereken süreyi belirlemede çok önemli bir faktör olduğunu görüyoruz. Mühendislerin, uzay aracının kütlesini kontrol etmesi, yakıt miktarını, görevini tamamlamak için taşıması gereken aletlerle dengelemesi gerekiyor. Uzay aracının kütlesi ne kadar fazlaysa, o kadar fazla yakıt taşıması gerekir, bu da ağırlığını artırır ve fırlatılmasını zorlaştırır.
Görev Kontrol’deki ekipler ESA görevlerinin ihtiyaçlarını mükemmel roketle karşılıyor. Roket seçimi öncelikle faydalı yükün kütlesine ve nereye gitmesi gerektiğine bağlıdır. Bir uzay aracının Dünya’dan ne kadar uzağa kaldırılması gerekiyorsa ve kütlesi ne kadar büyükse, o kadar fazla yakıta ihtiyaç duyulur. Kredi bilgileri: ESA
Fırlatma roketinin performansı da burada devreye giriyor. Uzay aracının, Dünya’nın yer çekiminden kurtulmak ve dış Güneş Sistemine doğru yola çıkmak için yeterli hızda fırlatılması gerekiyor. İtme ne kadar iyi olursa yolculuk da o kadar kolay olur.
Juice, 6000 kg’ın biraz üzerindeki ağırlığıyla şimdiye kadar fırlatılan en ağır gezegenler arası sondalardan biridir ve şimdiye kadar Jüpiter’e uçmuş en geniş bilimsel alet takımına sahiptir. Ariane 5 ağır kaldırma roketinin devasa desteği bile Juice’u birkaç yıl içinde oraya doğrudan göndermeye yetmedi.
Bu nedenle, Juice ve Europa Clipper gibi veya geçmişteki Galileo ve Juno gibi görevler, ekstra hız kazanmak için ‘yerçekimi desteği’ veya ‘yakından geçme’ manevralarından yararlanmak zorunda. Roket ne kadar güçlü olursa transfer o kadar kısa olur.
Güneş Sistemiyle Enerji Ticareti
PlütonGüneş Sistemi’nin ucunda yer alan gezegen, en içteki gezegen Merkür’den çok daha büyük bir yörüngede seyahat ediyor. Plüton Güneş’e göre daha yavaş hareket etse de yörünge enerjisi Merkür’ünkinden çok çok daha fazladır.
Bir uzay aracını başka bir gezegenin yörüngesine oturtmak için onun yörünge enerjisini eşleştirmemiz gerekir. BepiColombo fırlatıldığında yörünge enerjisi Dünya’nınkiyle aynıydı. Güneş Sistemi’nin merkezine yaklaşmak için enerji kaybetmesi gerekiyordu ve bunu komşu gezegenlere yakın uçarak fazla yörünge enerjisini atarak yaptı.
Jovian sisteminin turu sırasında Juice, buzlu kabuğunun altında sıvı su okyanusu olduğuna dair güçlü kanıtlar bulunan Europa’ya iki uçuş yapacak. Juice, ayın aktif bölgelerine, yüzey bileşimine ve jeolojisine bakacak, yüzeyin altındaki sıvı su birikintilerini arayacak ve Europa çevresindeki plazma ortamını inceleyecek. Kredi bilgileri: ESA
Aynı durum dış Güneş Sistemine yolculukta da tersten işliyor. Juice, Güneş’ten daha uzakta, daha büyük bir yörüngeye girebilmek için Dünya’dan yörünge enerjisini çalacak bir yolda bulunuyor. VenüsVe Mars.
Gezegenin ve uzay aracının göreceli hareket yönüne bağlı olarak, yerçekimi desteği görevin hızını artırabilir, yavaşlatabilir veya yönünü değiştirebilir. (Uzay aracı da gezegenin yönünü saptırıyor, ama o kadar küçük bir miktar ki önemsiz. Bununla birlikte Newton’un üçüncü hareket yasası korunmuş: ‘Her etkiye eşit ve zıt bir tepki vardır’.)
Juice, Temmuz 2031’de Jovian sistemindeki buluşma rotasını belirlemek için Dünya’ya, Dünya-Ay sistemine ve Venüs’e bir dizi uçuş gerçekleştirecek.
Mühendisler aylardır sürekli yanlış giden sahte bir Juice uzay aracını uçuruyorlar. Sadece birkaç hafta içinde gerçeğini uçuracaklar. Şu anda yaptıkları bu cesur görevin başarısını sağlamaya yardımcı oluyor. Kredi bilgileri: ESA
Bıçak Sırtında Yörünge
ESA’nın uçuş kontrol ekibi için en zorlu kısım, Juice’un nihayet 2031’de Jüpiter’e ulaşması ve Jüpiter’in gezegen sistemi turu sırasında ortaya çıkıyor.
Juice’ın zorlu yörüngesi, Jüpiter’e giderken çok sayıda yerçekimi yardımını (ilk Ay-Dünya uçuşu dahil) ve oraya varıldığında Galileo uyduları Europa, Ganymede ve Callisto’nun etkileyici 35 yakın geçişini içeriyor. Son odak noktamız, Juice’u bizimki dışında bir ayın yörüngesine giren ilk uzay aracı yapan Ganymede olacak.
ESA’nın Almanya’daki görev kontrolündeki ekiplerin denetleyeceği en önemli manevra, Ganymede’in yerçekimi yardımından sadece 13 saat sonra Juice’ın yaklaşık 1 km/s kadar yavaşlaması ve Jüpiter sistemine girmek için ‘çıkışın yapılması’ olacaktır. uzay aracını gaz devinin etrafındaki yörüngeye yerleştirmek.
Juice’un Jüpiter’e ve onun buzlu uydularına yaptığı yolculuğun ve turunun tamamını izleyin. Juice, bilim misyonuna 2031’de Jüpiter’in yörüngesine girmeden yaklaşık altı ay önce başlayacak ve varış noktasına yaklaşırken gözlemler yapacak. Jüpiter yörüngesine yerleşmeden birkaç saat önce Ganymede’nin ilk uçuşunu gerçekleştiriyor. Jovian sistemine ve Jüpiter’in yörüngesine girdikten sonra Ganymede’in yerçekimine yardımcı olacak bir dizi başka uçuş, Juice’un gerektiğinde yörünge enerjisini azaltmasına yardımcı olacak. Katkıda bulunanlar: ESA/Lightcurve Films/R. Andrés
Başka bir gök cisminin etrafında yörüngeye girmek zordur. Bir uzay aracının mükemmel bir hızla, belirli bir açıdan yaklaşması, ardından tam olarak doğru anda, belirli bir yönde ve doğru boyutta hayati, büyük bir manevra yapması gerekir.
Çok hızlı ya da yavaş, çok sığ ya da dik yaklaşırsanız ya da yanlış zamanda, yanlış miktarda ya da yönde manevra yaparsanız uzayda kaybolursunuz. Veya yolunuzu düzeltmek için çok fazla – belki de çok fazla – yakıt gerektirecek kadar yoldan sapmışsınızdır.
Juice, Jüpiter’in uydularına yaklaşacak ve milyarlarca yıldır tuttukları enerji alışverişini yaparak bu ortamları daha önce hiç olmadığı gibi görebilecek. Ganymede, Callisto veya Europa’nın donmuş okyanuslarının altında yaşam olabilir mi? Evrendeki gezegenlerin ve ayların oluşumu hakkında ne öğrenebiliriz? Uçuş dinamiği harikası sayesinde, Evren ile enerji alışverişi yaparak bunu yakında öğreneceğiz.