Juice: Neden bu kadar uzun sürüyor?

Uzayda düz çizgiler mi var? Büyük enerji israfı

Gezegenlerin, ayların, yıldızların ve galaksilerin hareketlerini takip ettiğinizde onların her zaman başka bir nesnenin etrafında hareket ettiklerini göreceksiniz. Bir görev başlatıldığında, sabit bir Dünya’dan değil, Güneş’in etrafında yaklaşık 30 km/s hızla dönen bir gezegenden atlıyor.

Bu nedenle, Dünya’dan fırlatılan bir uzay aracı zaten önemli miktarda “yörünge enerjisine” sahiptir; bu, merkezi bir gövde etrafındaki yörüngenin boyutunu belirlerken önemli olan tek birimdir. Fırlatıldıktan hemen sonra uzay aracı, Güneş etrafındaki gezegenimizle yaklaşık olarak aynı yörüngededir.

Bu yörüngeden kurtulmak ve Dünya’dan Jüpiter’e mümkün olan en kısa düz çizgide uçmak için büyük bir roket ve çok miktarda yakıt gerekir. Ama yapılabilir. Bir sonraki sorun, fren yapmak ve Jüpiter’in etrafında yörüngeye girmek ve onu doğrudan geçmemek için daha fazla yakıta ihtiyaç duymanızdır.

Boş alanı hedefle

Jüpiter ve Dünya her zaman birbirlerine göre hareket ederler. En uzak mesafelerinde, güneşin karşıt taraflarında birbirlerinden 968 milyon kilometre uzaktadırlar. İki gezegen arasındaki en kısa mesafe, Dünya ile Jüpiter’in güneşin aynı tarafında olduğu ve aralarında 600 milyon kilometreden az mesafe olduğu zamandır. Ancak mesafe tekrar artıncaya kadar sadece bir an bu konumda kalırlar ve asla sabit bir mesafede kalmazlar.

Tüm gezegenler Güneş etrafındaki yörüngelerinde farklı hızlarda hareket ederler. Hareket eden bir araçtan hareketli bir hedefe top attığınızı hayal edin. Mühendisler, uzay aracı Dünya’dan ayrıldığında olacağı yere 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 hizadayken, doğru zamanda en kısa yoldan fırlattığımızı varsayarsak, bu ne kadar sürer?

Voyager ve Pioneer sondaları gibi ilk uzay görevleri bu yolculuğu iki yıldan kısa bir sürede gerçekleştirdi ve Jüpiter’e en hızlı seyahat eden nesne Yeni Ufuklar misyonuydu. New Horizons, 19 Ocak 2006’da fırlatıldı ve 28 Şubat 2007’de Jüpiter’e en yakın konumuna ulaştı ve gezegene ulaşması bir yıldan biraz fazla sürdü. Bu görevlerin tümü uzun sürdü ve başka bir yere giderken Jüpiter’in yanından uçmanın ne kadar zaman aldığını gösteren mükemmel örneklerdir.

Kalış süresi uzadıkça yaklaşma yavaşlar

Devasa gezegenin etrafında yörüngeye girip onu her yönden ve zamanla incelemek ve hatta belki de uydularından birinin (Joss “ilk”) etrafında yörüngeye girmek için biraz enerji kaybetmeniz gerekecek. Bu “yavaşlama”, büyük bir yörünge yerleştirme manevrası için çok fazla yakıt gerektirecektir. Çok fazla yakıt harcamak istemiyorsanız, 2,5 yıllık geçiş süresi olan manzaralı rotayı tercih edin.

Uzay aracının kütlesinin herhangi bir yere varmak için gereken süreyi belirlemede kritik bir faktör olduğunu burada görüyoruz. Mühendislerin, uzay aracının kütlesini kontrol etmesi, yakıt miktarını, görevini tamamlamak için taşıması gereken aletlerle dengelemesi gerekiyor. Bir uzay aracının kütlesi ne kadar fazlaysa, o kadar fazla yakıt taşıması gerekir, bu da ağırlığını artırır ve fırlatılmasını zorlaştırır.

Fırlatma füzesinin performansı burada devreye giriyor. Uzay aracının, Dünya’nın yer çekiminden kurtulacak ve dış güneş sistemine doğru hızla yol alabilecek kadar hızlı fırlatılması gerekiyor. Ödeme ne kadar iyi olursa yolculuk o kadar kolay olur.

6.000 kilogramın biraz üzerindeki ağırlığıyla Juice, şimdiye kadar fırlatılan en ağır gezegenler arası sondalardan biri ve şimdiye kadar Jüpiter’e gönderilen en büyük bilimsel araç paketine sahip. Ariane 5 Heavy roketinin devasa desteği bile Goss’u iki yıl içinde doğrudan oraya göndermeye yetmedi.

Bu nedenle, Juice ve Europa Clipper gibi veya geçmişteki Galileo ve Juno gibi görevler, ekstra hız kazanmak için “yerçekimi desteği” veya “havada kalma” manevralarından yararlanmalıdır. Füze ne kadar güçlü olursa transfer de o kadar kısa olur.

Güneş sistemiyle enerji ticareti yapın

Güneş sisteminin kenarında yer alan Plüton, en içteki gezegen Merkür’ünkinden çok daha büyük bir yörüngede hareket ediyor. Plüton Güneş’e göre daha yavaş hareket etse de yörünge enerjisi Merkür’ünkinden çok daha fazladır.

Bir uzay aracının başka bir gezegenin yörüngesine girebilmesi için onun yörünge enerjisini karşılamamız gerekir. BepiColombo fırlatıldığında yörünge enerjisi Dünya’nınkine benziyordu. Güneş sisteminin merkezine yaklaşmak için enerji kaybetmesi gerekiyordu ve bunu komşu gezegenlere yakın uçarak fazla yörünge enerjisini atarak yaptı.

Aynı şey dış güneş sistemine yapılan yolculukta da tersten işliyor. Gus, güneşten daha uzakta, daha büyük bir yörüngeye ulaşmak için Dünya’dan, Venüs’ten ve Mars’tan yörüngesel enerji çalmasına olanak sağlayacak bir yoldadır.

Gezegenin ve uzay aracının göreceli hareket yönüne bağlı olarak, yerçekimi yardımı görevin hızını artırabilir, yavaşlatabilir veya yönünü değiştirebilir. (Uzay aracı da gezegenin yönünü saptırır, ama o kadar az ki bunun bir önemi yoktur. Ancak Newton’un üçüncü hareket yasası korunur: “Her etki için eşit ve zıt bir tepki vardır.”)

Goss, Temmuz 2031’de Jüpiter sistemindeki randevusuna doğru ilerlemek için Dünya ve Dünya-Ay-Venüs sistemi etrafında bir dizi uçuş yapacak.

Bıçak sırtında yörünge

ESA’nın uçuş kontrol ekibi için en zorlu kısım, Joss’un nihayet 2031’de Jüpiter’e ulaşması ve Jüpiter sistemi turu sırasında ortaya çıkıyor.

Goss’un zorlu rotası, Jüpiter’e giderken çok sayıda yerçekimi desteğini (Ay ve Dünya’nın ilk yakın uçuşları dahil) ve oraya varıldığında Galileo uyduları Europa, Ganymede ve Callisto’nun etkileyici 35 yakın geçişini içeriyor. Nihai odak noktası Ganymede olacak ve Juice’u bizimki dışında bir ayın yörüngesine giren ilk uzay aracı yapacak.

Almanya’daki ESA görev kontrol ekipleri tarafından denetlenecek olan en önemli manevra, Ganymede’e sadece 13 saatlik yerçekimsel yardımın ardından Goss’u yaklaşık 1 km/s yavaşlatmak ve Jüpiter sistemine girmek için “çıkıştan çıkmak” olacaktır. Uzay aracı gaz devinin etrafındaki yörüngeye yerleştiriliyor.

Başka bir gök cisminin etrafında yörüngeye girmek zordur. Uzay aracının ideal hızda, kesin bir açıdan yaklaşması ve ardından doğru anda, kesin yönde ve doğru boyutta dinamik, dramatik bir manevra yapması gerekir.

Çok hızlı ya da çok yavaş, çok sığ ya da çok dik yaklaşırsanız ya da yanlış zamanda, yanlış miktarda ya da yönde manevra yaparsanız boşlukta kaybolursunuz. Veya rotanızdan yeterince uzaklaşmışsınızdır ve rotanızı düzeltmek için çok fazla – belki de çok fazla – yakıt gerekecektir.

JUSE, Jüpiter’in uydularına yaklaşarak milyarlarca yıldır tuttukları enerjiyi onlarla paylaşacak ve bu ortamları daha önce hiç olmadığı gibi görebilecek. Ganymede, Callisto veya Europa gibi donmuş okyanusların altında yaşam olabilir mi? Evrendeki gezegenlerin ve ayların oluşumu hakkında ne öğrenebiliriz? Uçuş dinamiklerinin harikaları ve evrenle olan enerji alışverişi sayesinde bunu yakında öğreneceğiz.

Takip eder @ESAJuiceBar Juice’un Jüpiter’e ilerleyişiyle ilgili güncellemeler için Twitter/X’te, @ESA_Juice Görevle ilgili en son bilgileri almak ve @esaoperations ESA’nın Görev Kontrolünden haberler için.