În anul 1977, cel în care au plecat sondele Voyager în lunga lor călătorie, eram în ultimul an de liceu. Nu mi-am imaginat pe atunci că sondele vor rămâne operaționale decenii la rând. Abia acum, la 45 de ani de la lansare, instrumentele de la bordul lor încep să se oprească rând pe rând. De aceea cred că se cuvine să ne aducem aminte de ele.
O idee genială
La jumătatea anilor 1960, Gary Flandro, proaspăt absolvent al Universității Caltech, a reușit să obțină un contract part-time la JPL. Aici el se ocupa cu studierea aerodinamicii și traiectoriei rachetelor. Spre norocul lui Gary, unul dintre șefii lui avea o poziție importantă în cadrul Grupului de Analiză a Misiunii de la JPL, care în acea vreme se ocupa cu pregătirea misiunii Mariner 10, care urma să ajungă la Mercur folosind planeta Venus drept ”praștie gravitațională”. Acesta i-a sugerat proaspătului absolvent să studieze și alte ”praștii gravitaționale”, care ar putea fi folosite pentru a ajunge la planetele îndepărtate din Sistemul Solar.
Ideea de ”praștie gravitațională” ar putea să pară că a apărut odată cu era spațială. Dar nu este chiar așa. Încă din anii 1800, astronomul francez Urbain Le Verrier a calculat devierea cometelor de către Jupiter. Tot el, în 1820, a dedus că orbita planetei Uranus este deviată sub acțiunea gravitațională a unui corp ceresc masiv, ceea ce a dus la descoperirea planetei Neptun, în 1846.
La calcule similare urma să apeleze și Gary Flandro, care era pasionat nu numai de rachete ci și de mecanica cerească. Inițial și-a propus să vadă cum s-ar putea ajunge mai repede la Saturn, Uranus și Pluton, folosind planeta Jupiter drept praștie gravitațională. În primăvara anului 1965 s-a întrebat: ”ce-ar fi dacă, în cadrul unui singur zbor, ar fi folosite mai multe praștii gravitaționale?” A fost o întrebare genială, la care tot Gary a găsit răspunsul. În anii 1980 planetele gigant (Jupiter, Saturn, Uranus și Neptun) urmau să se alinieze, ceea ce ar fi permis utilizarea lor drept praștii gravitaționale în cadrul aceluiași zbor, dacă vehiculul spațial ar fi fost lansat la jumătatea anilor 1970. Calculele îi arătau lui Gary că un zbor către Pluton sau Neptun s-ar scurta cu aproape două decenii, dacă ar fi exploatată cu înțelepciune alinierea marilor planete. Trebuia profitat rapid de ea, deoarece această aliniere se repetă doar la fiecare 175 de ani. În 1966, în Acta Astronautica Gary Flandro publică un articol despre acest subiect. V-ați aștepta ca specialiștii de la JPL să fie entuziasmați de cele realizate de către tânărul nostru cercetător. Din păcate calculele lui au fost primite cu răceală de multă lume. Nu este vorba aici de invidie. Pur și simplu, la acea vreme NASA era implicată în misiuni care nu durau mai mult de câțiva ani, ori misiunea propusă de Gary s-ar fi întins pe durata a câteva decenii. Era greu de imaginat o sondă capabilă să funcționeze un timp atât de îndelungat. Din fericire, așa cum știți, asemenea sonde au putut fi imaginate, construite și trimise să cerceteze Sistemul Solar, urmând traiectoriile calculate de către Gary.
Credeți că importanța muncii tânărului nostru cercetător a fost recunoscută de către NASA, odată cu demararea proiectului Voyager? Nici pomeneală de așa ceva. Într-un interviu Gary își exprima regretul: ”Au existat mai multe mituri legate de originea programului Voyager. Eu eram un necunoscut și nimeni nu a simțit nevoia să îmi menționeze contribuția. Am acceptat această situație, dar mi-a fost foarte greu. Eram un tânăr doctorand și nu puteam să îmi imaginez că ar fi posibil să nu-mi fie recunoscută contribuția. Credeam că asta se va face automat, câtă vreme am documentat rezultatele pe care le-am obținut și le-am prezentat specialiștilor de la Caltech și de la JPL în cadrul mai multor conferințe.” Abia în 1998 NASA a decis, în fine, să recunoască fundamentala contribuție a lui Gary la programul Voyager și i-a acordat Medalia pentru Realizări Excepționale.
Pregătirile
În vara lui 1965, la Woods Hole, Massachusetts, SUA, are loc o întâlnire a specialiștilor americani de vârf din domeniul spațial pentru a încerca definirea unor programe post-Apollo. Majoritatea lor a cerut ca NASA să își deplaseze interesul de la Lună către planetele din Sistemul Solar, subliniind importanța cercetărilor asupra planetelor Venus și Marte. În ceea ce privește planetele îndepărtate s-au recomandat două direcții de dezvoltare: misiuni de recunoaștere a planetelor extrasolare și misiuni de cercetare intensivă a lui Jupiter folosind orbitere și sonde care să intre în atmosfera jupiteriană.
Mulți dintre cei prezenți la conferința de la Wood Hole se temeau că propunerea unor misiuni complexe, costisitoare și riscante, ar duce la anularea finanțărilor pentru programele mai ieftine și mai sigure, care s-ar baza pe tehnologii deja testate în spațiul cosmic. În plus, misiunile de scurtă durată ar duce la obținerea rapidă de rezultate științifice relevante, în timp ce, pentru misiunile de lungă durată răbdarea cercetătorilor și a publicului ar fi pusă la mare încercare.
Spre norocul nostru, Gary, care nu a participat la conferință, își anunțase deja rezultatele senzaționale. Ele au oferit argumentele necesare pentru susținerea a ceea ce a programului numit ”Marele tur”, care ar profita de alinierea planetelor gigant.
Ne-am putea imagina, având în vedere această rară oportunitate, că programul Voyager a intrat imediat în linie dreaptă. Din păcate, oricât de idealiști ar fi cercetătorii, ei au nevoie de finanțare. NASA, în 1965, avea un buget de 5,2 miliarde de dolari, dar el avea să scadă an de an, ajungând la 3 miliarde de dolari în 1972.
Inițial cercetătorii de la JPL au propus patru misiuni pentru programul Marele Tur: două către Jupiter-Saturn-Pluton, în 1976 și 1977, și alte două către Jupiter-Uranus-Neptun în 1979. Costurile erau la estimate la 750-900 milioane de dolari plus alte 109 milioane de dolari pentru lansatoare. În decembrie 1971, Administrația Nixon refuză finanțarea proiectului, preferând să aloce mai mulți bani pentru dezvoltarea viitoarei navete spațiale. Norii erau atât de negri, încât se părea că Marele Tur va fi abandonat. Din fericire cei de la JPL nu erau numai ingineri geniali, ci și fini diplomați.
Soluția găsită a fost simplă. Au înlocuit Marele Tur cu Mariner-Jupiter Saturn-77 (MSJ77). Au redus numărul sondelor de la patru la două și au propus să fie vizitate numai Jupiter și Saturn. În acestă versiune redusă a ideii lui Gary, se putea ajunge la Saturn în trei ani, folosind Jupiter ca praștie gravitațională, față de 10 ani în cazul zborului direct către planeta cu inel. Astfel costurile s-au redus la numai 250 milioane de dolari. Noul program a fost aprobat în 1972 de către NASA și apoi de către Administrația Nixon. Specialiștii de la JPL au putut răsufla ușurați. În sfârșit se puteau pune pe treabă, dar timpul rămas era foarte scurt.
Poiectarea și construcția sondelor
JPL era încă de la începuturile NASA epicentrul dezvoltării misiunilor robotice. Specialiștii de aici acumulaseră suficient de multă experiență. Nu au dorit să se complice prea mult atunci când nu ar fi fost cazul. Practic s-a luat drept bază structura primară a sondelor Mariner, pe care au adaptat-o pentru programul MJS-77.
În centrul sondelor Voyager, protejate de condițiile extreme din spațiul cosmic, se aflau trei subsisteme de calcul, care asigurau transmiterea către casă a datelor obținute de instrumentele sondei, orientarea sondei și controlul zborului (din motive de redundanță existau câte două pentru fiecare subsistem). Privite cu ochii noștri de acum ele par cumplit de primitive. Puteau procesa numai 80.000 de instrucțiuni pe secundă! Nu numai că aveau performanțe mai slabe decât ale ceasurilor inteligente din zilele noastre, ele sunt depășite acum și de cheile electronice cu care deschidem ușile automobilelor noastre… Dar cercetătorii de la JPL a realizat o premieră importantă: toate subsistemele erau reprogramabile, ceea ce le oferea o mare flexibilitate. O flexibilitate care avea să permită, mai târziu, atingerea obiectivelor ambițioase ale, aparent, abandonatului program Marele Tur.
Datele obținute de sondă, erau transmise către Terra fie în timp real, atunci când antena putea fi orientate către casă, fie după o înregistrare prealabilă, atunci când, din diferite motive, comunicațiile cu Terra erau blocate. La vremea în care erau proiectate sondele Voyager banda magnetică era folosită drept mediu de stocare a datelor. Practic, s-au folosit înregistratoare magnetice cu opt piste. Bănuiesc că cei mai tineri dintre cititorii noștri s-au născut mult după glorioasa epocă a casetofoanelor și a videocasetofoanelor, așa că nu au cum să știe că înregistrarea magnetică era extrem de fragilă, mai ales atunci când se rescrie pe aceeași bandă. Imaginați-vă acum că scrieți și rescrieți pe aceași bandă magnetică timp de 35 de ani, câte o dată pe zi. Și totuși specialiștii de la JPL au reușit imposibilul, deși unitatea de stocare magnetică avea o capacitate de 67 MB, volumul total de informații transmis către Terra până în momentul trecerii de Neptun a fost de 5.000 GB!
Pentru a transmite imagini către Pământ, sondele Voyager au fost echipate cu câte două camere digitale, una cu câmp larg (3,2 grade) și una cu câmp îngust (0,4 grade). Rezoluția acesteia din umră era suficient de bună pentru a permite citirea titlului unei gazete de la o distanță de un kilometru. Imaginile transmise de către cele două camere aveau erau formate din 640.000 pixeli și aveau o dimensiune de 5,12 MB. Pozele transmise către Terra erau alb negru (cu 256 niveluri de gri), și erau obținute cu ajutorul mai multor filtre diferite. La JPL cei ce se ocupau cu prelucrarea imaginilor suprapuneau aceste imagini alb-negru pentru a obține culorile originale. Această tehnică este folosită și în prezent. Anticipând, vă voi spune de pe acum că ambele camere au fost oprite, pentru a economisi energia disponibilă, la câteva luni după finalizarea fazei planetare a programului Voyager, pe 5 decembrie 1989 pentru Voyager 2 și 14 februarie pentru Voyager 1.
Pentru a înțelege Universul nu sunt de ajuns niște fotografii, oricât de spectaculoase ar putea să fie ele. Este nevoie de ceva mai mult. Sunt necesare instrumente precise, capabile să măsoare cu precizie cât mai mare anumiți parametri fizici. Pentru programul Voyager cercetătorii au propus inițial 77 de instrumente științifice. Evident, erau prea multe. După eliminări succesive au mai rămas doar nouă. Nu vă voi plictisi acum cu descrierea lor, am de spus, cred eu, lucruri mai importante decât niște banale descrieri tehnice.
Proiectanții sondelor Voyager s-au confruntat cu greaua problemă a asigurării funcționării optime a sistemelor și instrumentelor științifice de la bord pe perioade lungi de timp și în condiții de mediu extreme, cum ar fi radiațiile intense, generate de puternicul câmp magnetic al planetei Jupiter. Ei au apelat ma mai multe strategii pentru a contracara riscurile previzibile. Una dintre ele a fost realizarea unor scuturi realizate din tantal pentru a proteja echipamentele sensibile de acțiunea radiațiilor cosmice intense.
O altă strategie, despre care am amintit ceva mai devreme, a fost asigurarea redundanței pentru sistemele critice, cum ar fi computerele, înregistratoarele date, emițătoarele și receptoarele radio. Această strategie avea să își confirme eficiența. De exemplu, receptorul sondei Voyager 2 s-a defectat la scurt timp după lansare. Automat a fost pus în funcțiune receptorul de rezervă, dar și acesta avea o problemă. Un banal condensator s-a defectat, astfel încât receptorul nu mai recepționa decât transmisiile care se efectuau pe o frecvență precisă, iar această frecvență era influențată, printre altele, de rotația Pământului (din cauza efectului Doppler) și de temperatura din interiorul sondei. Controlorii zborului au fost nevoiți să calculeze cu precizie frecvența de emisie, de fiecare dată când trebuiau să transmită date către sondă. Totuși riscul defectării totale a receptorului de rezervă rămânea în continuare prezent. Pentru a se asigura că asta nu va duce la pierderea sondei, specialiștii de la JPL au găsit o soluție ingenioasă. Vă reamintesc, dacă îmi permiteți, că memoria computerelor de la bordul sondelor Voyager era reprogrmabilă, așa că specialiștii în software au adăugat o mică secvență de comenzi astfel încât, în cazul defectării totale a receptorului, sonda să intre într-un regim automat de funcționare și să transmită date științifice (inclusiv fotografii) la trecerea prin apropierea obiectivelor programului Voyager.
Sondele Voyager aveau o masă de 815 kg. În total au fost construite trei exemplare: VGR77-1 (care a fost folosită numai pentru testele la sol), VGR77-2 (care a fost lansată sub numele de Voyager 1) și VGR-77-3 (Voyager 2). Ele au fost asmblate și testate de JPL la Spacecraft Assembly Facility din California.
Poate ar mai trebui să vă povestesc despre mesajul pe care pământenii, la inițiativa lui Carl Sagan, l-au trimis către frații noștri întru rațiune. Am făcut-o de prea multe ori, așa că prefer să vă povestesc despre cum sondele Voyager comunicau cu cei rămași acasă, pe Terra.
Legătura cu cei de acasă
Comunicațiile cu casa se realizau cu ajutorul unui emițător de 23 W, legat la o antenă parabolică cu diametrul de 3,66 m. Debitul maxim de date care putea fi transmis era de 115 kb/s în zona planetei Jupiter, 48 kb/s în apropierea lui Saturn și 21,6 kb/s în vecinătatea lui Uranus și Neptun.
În zilele noastre debitul a scăzut sub 160 b/s. Din cauza acestei valori mici a fost necesară adaptarea procedurii de transmitere a informațiilor obținute la foarte mare distanță de Terra. Înregistratoarele cu bandă magnetică ale fiecărei sonde se activau o dată pe săptămână, timp de 48 s (96 s pentru Voyager 1) pentru a stoca datele obținute de către instrumentul de măsurare a undelor de plasmă, care ne oferă informații prețioase asupra magnetosferei solare. Conținutul fiecărui înregistrator este mai apoi transmis către Terra la intervale de șase luni și sunt recepționate de către antenele cu diametrul de 70 m ale rețelei DSN (Deep Space Network).
Pentru a comunica cu sondele Voyager, această rețea este compusă din trei stații repartizate pe tot globul terestru. Prima se află la Goldstone, în deșetrul Mojave, California, a doua se află la Robledo, în apropiere de Madrid, Spania și cea de-a treia se găsește în rezervația naturală din Tidbinbilla, Australia.
Inițial, în 1977, cele trei stații dispuneau de câte o antenă cu diametrul de 64 m și alte două cu diametrul de 26 m. O dată cu trecerea timpului și cu înepărtarea sondelor de Pământ, stațiile de recepție au fost îmbunătățite. În prezent ele dispun de câte o antenă de 70 m, de mai multe antene cu diametru de 34 m (patru la Goldstone, trei la Robledo și două la Tidbinbilla) plus câte o antenă de 26 m. Datele recepționate la Goldstone sunt transmise direct către JPL. Datele recepționate de celelalte stații sunt transmise prin satelit către centrul Goddard al NASA, după care sunt expediate către JPL.
Alături de stațiile DSN au mai fost folosite radiotelescoape, pentru recepționarea semnalelor transmise de către sondele Voyager. Este vorba despre radiotelescopul Parkes,Australia, Very Large Array (o rețea alcătuită din 27 de antene cu diametrul de 25 m, situată în New Mexico, SUA) și Observatorul din Usuda, Japonia. În prezent puterea semnalului radio care vine de la cele două sonde este de ordinul milionimilor de miliardimi de watt…
Încheiere provizorie
Voi continua în numărul viitor povestea sondelor Voyager. Vom călători, împreună, dincolo de frontiera Sistemului Solar. Mai înainte de a încheia, aș vrea să vă spun că sondele Voyager sunt foarte eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil. De exemplu, Voyager 2 a ajuns la Neptun, cea ce înseamnă că la fiecare litru de combustibil folosit la lansarea sondei au fost parcurși 13.000 km…
