Posted by ევროპა ერთ-ერთია იუპიტერის ოთხი ”გალილეისეული” მთვარიდან, და მასზე 2-ჯერ უფრო მეტი წყალია, ვიდრე მთლიანად დედამიწაზე. ევროპასეული ოკეანე 12 კმ სისქის ყინულის საფარქვეშ, ამ დიდი მთვარის მთელ ზედაპირზეა გადაჭიმული და მისი სიღრმე 60-დან 150 კმ-მდე მერყეობს. ამ გლობალური ოკეანის არსებობის პირდაპირი მტკიცებულება წყლის ორთქლის მძლავრი ნაკადებია, რომლებიც ყინულის უზარმაზარი ნაპრალებიდან, ზოგჯერ, 200 კმ სიმაღლეზეც კი ამოიტყორცნება.
ევროპის უმზეო, მღელვარე, უკიდეგანო ოკეანე შეიძლება წარმოუდგენლად ბნელია, თუმცა ის არამიწიერი სიცოცხლის აღმოსაჩენად ერთ-ერთი საუკეთესო კანდიდატია. მის ზედაპირზე რობოტი ლენდერის დასმა წარმოუდგენელ სირთულეებთან არის დაკავშირებული. განსაკუთრებულ პრობლემას წარმოადგენს კომუნიკაცია, რადგან ევროპის ზედაპირზე უსასტიკესი გარემო პირობებია. შეიძლება ვიდავოთ, რომ ლენდერისთვის სხვა სისტემებიც ძალზედ მნიშვნელოვანია, თუმცა წარმოიდგინეთ, რა შედეგებამდე მივყავართ კოსმოსურ აპარატებზე ანტენის დაზიანებას – როგორ შეუფერხებლადაც არ უნდა ფუნქციონირებდეს ყველა სხვა ხელსაწყო, კომუნიკაციის გარეშე რობოტი პრატიკულად დაკარგულია.
ამრიგად, როდესაც NASA-ს რეაქტიული ძრავების ლაბორატორიაში (JPL) ევროპის ლენდერის დიზაინის შემუშავება დაიწყეს, გადაწყდა, რომ გასაკუთრებული ყურადღება ანტენის შექმნისთვის უნდა დაეთმოთ. –”ანტენა დედამიწას 900 მლნ კმ-ს მანძილიდან უნდა დაუკავშირდეს – ასეთი უზარმაზარი მანძილია ჩვენგან იუპიტერის მაქსიმალურად დაშორების დროს.” – აღნიშნავს ნასერ ჩაათი, კომუნიკაციის სისტემების მთავარი ინჟინერი. –”ანტენა იუპიტერიდან წამოსული მძლავრი მაიონიზებელი გამოსხივების ნაკადებს უნდა გაუმკლავდეს, მაგრამ არც ისეთი მასიური უნდა იყოს, რომ აპარატის კოსმოსში გაშვება და შემდეგ მისი ზედაპირზე დაშვება გაგვიჭირდეს. ჩვენი ერთ-ერთი კოლეგა სერიოზულად ფიქრობდა, რომ ჩვენ ამ ამოცანას ვერ გავუმკლავდებოდით”.
თუმცა ”ევროპა-ლენდერის” მეცნიერ-ინჟინერთა გუნდმა მაინც მოახერხა და რობოტის და მისი ანტენის რევოლუციური დიზაინი შეიმუშავა. სრულიად მოსალოდნელია, რომ ის არა მარტო იუპიტერის პატარა მთვარის, არამედ გარე მზის სისტემაში განხორციელებული სხვა მისსიების მთავარ გმირადაც მოგვევლინოს.
დღეისთვის ევროპისკენ მხოლოდ ერთი კოსმოსური მისსიაა დაგეგმილი – NASA-ს Clipper orbiter, რომელიც ამ მთვარის ქიმიურ და გეოლოგიურ პარამეტრებს შეისწავლის. NASA-ს ეს ისტორიული აპარატი ევროპისკენ 2024 წლისთვის გაემგზავრება. ”Clipper” ასევე იმ ადგილებს დაზვერავს, სადაც მომავალი ლენდერის დაშვება ყველაზე უსაფრთხოა. თუმცა, NASA-ს მიერ დაფინასების გამოყოფის მიუხედავად, ევროპა-ლენდერი ჯერ ისევ შემუშავების სტადიაშია, რისი ძირითადი მიზეზიც ამ ”ყინულოვანი ამოცანის” განხორციელებისთვის საჭირო ხელსაწყოების უკიდურესი სირთულეა. გარდა ამისა, მსგავს სასტიკ ლოკაციაზე ჯერ არცერთი აპარატი არ დაშვებულა.
ერთად-ერთი ლენდერი, რომელმაც უცხო სამყარო გამოიკვლია, ევროპის კოსმოსური სააგენტოს ზონდია – Huygens. 2005 წელს ის წარმატებით დაეშვა სატურნის მთვარე ტიტანის რბილ ზედაპირზე. სწორედ ამ აპარატისა და მარსის აპარატების გამოცდილებაზე იქნება დაფუძნებული ”ევროპა-ლენდერის” საკომუნიკაციო სისტემების დიზაინი.
როდესაც საქმე დედამიწასთან კომუნიკაციას ეხება, მარსის მისსიებისთვის შემუშავებული ლენდერები და როვერები, ტრადიციულად, ორბიტერების იმედზე არიან. მარსის ძირითადი სატელეკომუნიკაციო ორბიტერებია Mars Reconnaissance Orbiter და Mars Odyssey, რომლებსაც ფართო, დაახლოებით 100 ვატის სიმძლავრის პარაბოლური ანტენები აქვთ. დედამიწასთან პირდაპირი კომუნიკაციისთვის საჭირო ანტენები მხოლოდ ორ მარსმავალს გააჩნია, სახელდობრ, ეს არის Perseverance და Curiosity (დაახლოებით 25 ვატი სიმძლავრის), თუმცა მათი მეშვეობით მხოლოდ მცირე მოცულობის ინფორმაცია თუ გადმოიცემა, მაგალითად სიცოცხლისუნარიანობის ან უსაფრთხოების სტატუსი. შესაბამისად, გასაგებია, რომ ევროპასთან ინფორმაციის მიმოცვლისთვის მსგავსი სისტემები საერთოდ არ გამოდგება.
ამასთან ერთად, ევროპაზე არ არის ატმოსფერო, ამიტომ ლენდერის დამუხრუჭებისთვის პარაშუტის გამოყენება შეუძლებელია – მისი დამუხრუჭება და უსაფრთხოდ დაჯდომა მხოლოდ რეაქტიულ სარაკეტო სისტემაზე იქნება დამოკიდებული. ეს გარემოება მნიშვნელოვან შეზღუდვებს უწესებს აპარატის ინჟინრებს – მძიმე ლენდერს ბევრი საწვავი სჭირდება, რაც ასევე ამძიმებს აპარატს; მაგალითად, საშუალო ზომის 400-კილოგრამიან ლენდერს ევროპასკენ გასაშვებად 15 ტონამდე საწვავი დასჭირდება; შემდეგ მან 6-7 წლის განმავლობაში ღრმა კოსმოსში უნდა იფრინოს, საბოლოოდ კი საშინლად უსწორმასწორო და ბასრი ყინულოვანი საფარის მქონე ზედაპირზე უნდა დაეშვას, და გიგანტური იუპიტერის საშინელი ელექტრომაგნიტური ველის გარემოცვაში წლების მანძილზე უნდა იმუშაოს.
იდეალურ ვარიანტში, ”ევროპა-ლენდერს” დამხმარე ორბიტული ანტენა ეყოლებოდა, როგორც მარსის აპარატებს, მაგრამ ასეთი კომბინაციური მისსიის სიძვირე მსგავს სცენარს სრულიად გამორიცხავს. სამწუხაროდ, როდესაც ლენდერი ევროპას ზედაპირს მიაღწევს, ძალიან საეჭვოა, რომ ”Clipper” ორბიტერი კვლავ მუშა მდგომარეობაში იყოს, თუ იმ ფაქტს დავაიგნორირებთ, რომ მისი ფუნციონირების ოფიციალური ვადა უკვე დიდი ხნის გასული იქნება.
როგორც უკვე აღინიშნა – ანტენამ 900 მლნ კმ მანძილიდან უნდა შეძლოს დედამიწასთან კომუნიკაცია. როგორც წესი, რაც უფრო მცირე სიმძლავრე აქვს ანტენას, მით უფრო დიდი უნდა იყოს მისი გადამცემის ზედაპირის ფართობი. მაგრამ ”ევროპა-ლენდერს” თავზემოთ დამხმარე ორბიტული აპარატი არ ეყოლება, ამიტომ მისი ტრანსმისიური სიმძლავრე, მარსის ორბიტერების ანტენებისას, სულ მცირე, 80%-ით უნდა აღემატებოდეს.
მაშასადამე, საბოლოო ჯამში, ინჟინრების წინაშე ასეთი გამოწვევაა: ანტენა არ უნდა იყოს მასიური, არაეფექტური (საჭიროა სტანდარტულზე გაცილებით უფრო დიდი სიმძლავრე), მაგრამ არც ძალიან ბევრ ენერგიას უნდა მოიხმარდეს, რომ აკუმულატორმა არ დაამძიმოს; და მან იუპიტერიდან მომავალი სასტიკი ელექტრომაგნიტური გამოსხივების პირობებში არამარტო გადარჩენა, არამედ ფუნქციონირებაც უნდა შეძლოს. ამ ბოლო პირობიდან გამომდინარეობს, რომ ანტენა მთლიანად მეტალისგან უნდა დამზადდეს, რადგან მეტალი მაიონიზებელი გამოსხივებისადმი გაცილებით უფრო დიდი გამძლეობით გამოირჩევა.
სამეცნიერო გუნდის მიერ შექმნილი ინოვაციური ანტენის უჯრედები წრიულად პოლარიზებული ზე-სუფთა ალუმინისგანაა დამზადებული; თითოეული უჯრედი რადიოტალღური გამოსხივების X-დიაპაზონის სიხშირეებს იღებს და აგზავნის (სახელდობრ, 7.145 – 7.19 გიგაჰერცი აღმავალი და 8.4 – 8.45 გიგაჰერცი დაღმავალი არხისთვის). სულ ანტენას 1024 უჯრედი აქვს და ზომით 82.5 X 82.5 სმ-ა, ამრიგად ის საშუალო ზომის ლენდერის თავზე თავისუფლად დამაგრდება. 80%-იანი ეფექტურობის პირობებში ის დედამიწისკენ წამში 33 კილობიტ ინფორმაციას გამოაგზავნის.
ამ უჯრედების სტრუქტურის დეტალურად განხილვა საშუალებას გვაძლევს უკეთ გავერკვიოთ ანტენის ფუნქციონირებაში. წრიული პოლარიზაცია კოსმოსური კომუნიკაციის განუყოფელი ნაწილია, მაშინ როდესაც დედამიწაზე უსადენო კომუნიკაციისთვის წრფივი პოლარიზაცია გამოიყენება. წრფივი პოლარიზაცია ზედაპირების გასწვრივ ვრცელდება და სახმელეთო სიგნალის გადასაცემად სრულიად საკმარისია. სამაგიეროდ, წრიული პოლარიზაციით გენერირებული ტალღები 3-განზომილებიანი სპირალების სახით ვრცელდება და დიდი განიკვეთის წყალობით მიმღებსა და გადამცემზე დამიზნების ხარისხი ძალიან მაღალია. ცხადია 750-900 მლნ კმ-ს განიკვეთის მქონე და უზუსტესად დამიზნებული ტალღების გენერირება სრულიად წარმოუდგენელია, მაგრამ ამ მეთოდის უდიდესი უპირატესობა, სიმძლავრის, ფართობისა და სიზუსტის გარდა ის არის, რომ წრიულად პოლარიზებულ ტალღებზე დედამიწისეული ამინდი არ მოქმედებს. მაგალითისთვის, წვიმა დაუყოვნებლივ ახშობს წრფივად პოლარიზებულ, მაგრამ არა წრიულად პოლარიზებულ სიგნალს.
როგორც აღინიშნა, თითოეული უჯრედი ზე-სუფთა ალუმინისგან შედგება. მანამდე აგებულ ანტენებში იზოლაციისთვის დიელექტული მასალები გამოიყენებოდა, როგორიცაა მინა და კერამიკა. სამწუხაროდ დიელექტრიკები მაიონიზებელი გამოსხივებისადმი ძალიან მგრძნობიარეა, ამიტომ მათ იუპიტერის გამოსხივება ძალიან იოლად დააზიანებს – დროთა განმავლობაში მათში მუხტი დაგროვდება და ჯერ საიზოლაციო თვისებების დაკარგვას, ხოლო რაღაც მომენტში – ძალიან დამაზიანებელ მოკლე ჩართვას გამოიწვევს. სამაგიეროდ მეტალი, როგორც უკვე აღინიშნა, მაიონიზებელი გამოსხივებისადმი საკმაოდ მდგრადია, მაგრამ პრობლემა ის არის, რომ მეტალი იზოლატორი არ არის – გამტარია.
საბედნიეროდ მეცნიერებმა ამ პრობლემის გვერდის ავლა მოახერხეს – ანტენის თითოეული უჯრედი რადიოგადამცემს და მიმღებს მხოლოდ ერთ წერტილში უკავშირდება. ჩვეულებრივ, წრიულად პოლარიზებული სიგნალირების ანტენებს ორი პარალელური მომწოდი სჭირდება, მაგრამ ინჟინრებმა უახლესი მეთოდი – გენური ალგორითმი გამოიყენეს, რაც შეერთების განსაკუთრებულ თანმიმდევრობას უზრუნველყოფს, რაც მეორე მეტალური ფენის დამიწებად გამოყენების საშუალებას იძლევა და სისტემას მოკლე ჩართვისგან იცავს.
უჯრედული ერთეულები 8-8 ქვე-მასივებადაა ჩალაგებული, ანუ მწკრივში სულ 16 უჯრედია. თითოეულ ქვე-მასივს კვება მიეწოდება მეთოდით, რომელსაც ჩაძირული საჰაერო ხაზი ეწოდება – ასეთ სქემაში გადამცემი ხაზი ორ დამიწებულ ფილას შორის არის ჩაყურსული, რაც ფილებს შორის არსებულ ცარიელ სივრცეს დიელექტრულ იზოლატორად აქცევს.
ანტენის ახლებური დიზაინი, საბოლოო ჯამში, სამ მიზანს ემსახურება: მაღალეფექტურობა, სიმძლავრე და მცირე მგრძნობელობა ტემპერატურული რყევებისადმი. ანტენა არის ფაზური ცხაური, რაც ნიშნავს, რომ მართვადი და მაღალი სიზუსტით დამიზნებული სიგნალების გენერაციისთვის პატარა ანტენების მტევნები გამოიყენება. ასეთი ცხაურების მოქმედების პრინციპი ის არის, რომ თითოეული უჯრედი საერთო ტრანსმისიური სიმძლავრის მხოლოდ გარკვეულ ნაწილს უმკლავდება, რაც მხოლოდ რამდენიმე ვატს შეადგენს; ერთად ჩალაგებული თითოეული ქვე-მასივი 100 ვატზე მეტს წარმოქმნის, და ბოლოს, ასეთი მძლავრი ენერგიებისგან გადახურების მიუხედავად, მთლიანად მეტალისგან დამზადებული ანტენა თანაბრად ფართოვდება და იკუმშება.
საპროექტო ჯგუფს ანტენის დიზაინის, დამზადებისა ტესტირებისთვის მხოლოდ 6 თვე დასჭირდა. სულ რაღაც 5-7 წლის წინ, ერთი ასეთი ანტენის დამზადებას წლები სჭირდებოდა, თუმცა თანამედროვე ტექნოლოგიების გამოყენებამ ეს დრო დრამატულად შეამცირა. სტანდარტულ ლაბორატორიულ პირობებში ჩატარებული ტესტირებების შემდეგ ეს პროცესი სიმულირებულ ევროპასეულ გარემოში გაგრძელდა. პირველი ტესტირების დროს ანტენა თერმული რყევებისადმი გამძლეობაზე სპეციალურ კამერაში შეამოწმეს, სადაც ტემპერატურა –170 ℃ და 150 ℃ შორის მერყეობს. კამერაში ეს პირობები სხვადასხვა სცენარის მიხედვით იცვლება. ამ ტესტირებების დროს მოწმდება ანტენის მიერ სიგნალის გადაცემის და მიღების ეფექტურობა. პირველ ეტაპზე ანტენის ტესტირებამ წარმატებით ჩაიარა და რაიმე სახის ხარვეზი გამოვლენილი არ ყოფილა.
თერმული ფლუქტუაციების შემდეგ ანტენა ვიბრაციისადმი გამძლეობაზე გამოსცადეს: რაკეტის სტარტის დროს ყველა და ყველაფერი, იქნება ეს ეკიპაჟი, თანამგზავრი თუ ხომალდი – საშინლად ირყევა. ამ ტესტის ჩასატარებლად მთელი ანტენა ვიბრირებად მაგიდაზე დაამაგრეს და რყევის ამპლიტუდა რაკეტის გაშვებისას არსებულს მიუსადაგეს.
თერმული ციკლირების და ვიბრაციულ ტესტს კოსმოსში გასაშვები აბსოლუტურად ყველა ტვირთი გაივლის, თუმცა, როგორც ზემოთ აღინიშნა, ევროპასეული გარემოს გამომწვევი პირობები არასტანდარტული ტესტების ჩატარების საჭიროებას წარმოშობს. ერთერთი ასეთი ტესტი ხმისჩამხშობ კამერებში ტარდება; მათი ამოცნობა ადვილია, რადგან შიდა ზედაპირი წახნაგოვანი ფიგურებითაა ამოფენილი, რაც კარგად ახშობს ნებისმიერი სახის სიგნალს და ექოს.
ხმისჩამხშობ კამერაში ტესტირების მიზანია ანტენის საკომუნიკაციო უნარების განსაზღვრა, რაც გულისხმობს ინფორმაციის ტრანსლირების სიმძლავრეს, სიგნალის მიღებისადმი მგრძნობელობას და გარემოს ექოს ჩახშობის უნარს. მოკლედ რომ ვთქვათ, ხმისჩამხშობ კამერებში ხდება შორ კოსმოსურ მანძილებზე სიგნალის გადაცემის სიმულაცია.
ამ კონკრეტული ტესტირებებისთვის ანტენა სპეციალურ ენდოთერმულ ქაფში ჩაფლეს, რამაც საშუალება მისცა მეცნიერებს კამერაში არსებული ტემპერატურა –170 ℃-მდე დაეყვანათ. ქაფი გამჭოლია რადიოტალღებისთვის, ამიტომ ტექნიკურად ის არ არსებობდა (ანუ არ წარმოადგენდა გარემო ფაქტორს).
ბოლო ტესტირების მიზანი იყო ევროპას ზედაპირზე არსებული იუპიტერის მძლავრი გამოსხივების სიმულაცია. ამისთვის ანტენას ელექტრონების მძლავრი ნაკადი დაუშინეს, რისთვისაც JPL-ს დინამიტრონული ელეტროაქსელერატორი გამოიყენეს. 48 საათის განმავლობაში ჩატარებული ამ ექსპერიმენტით ანტენა იმავე რაოდენობით დასხივდა, რასაც მისი ორიგინალი ევროპასკენ 6-7-წლიანი მოგზაურობის დროს მიიღებს. სიმულირებული იქნა აგრეთვე იუპიტერის მთვარის ზედაპირზე ”ევროპა-ლენდერის” დასხივება მუშაობის 40 დღის განმავლობაში, იქ არსებული ძალიან დაბალი ტემპერატურების პირობებში.
ელექტრონებით ბომბარდირების ტესტის დროს აკვირდებოდნენ ანტენის პორტზე საშიში ელექტროსტატიკური განმუხტვების წარმოშობის პროცესს, რასაც შეიძლება ადგილი ჰქონდეს იუპიტერის ელექტრომაგნიტური ველის მძლავრი მაიონიზებელი გამოსხივების პირობებში. მსგავსმა პროცესებმა შეიძლება შეუქცევადად დააზიანოს ლენდერის არა მარტო საკომუნიკაციო, არამედ საერთოდ, ნებისმიერი სხვა სისტემაც.
ევროპა-ლენდერისთვის განკუთვნილი ანტენა მზის სისტემის ნებისმიერ მისსიის ფარგლებში შეიძლება იყოს გამოყენებული; ყოველ შემთხვევაში, მისი შემქნელი სამეცნიერო ჯგუფი JPL/ESA-ს ერთობლივ მარსიდან ნიმუშების ჩამოტანის მისსიაშიც აქტიურად მონაწილეობს, რომელიც 2026 წელს აიღებს სტარტს. მათი მიზანია მარსის მომავალ ლენდერებსა და მავლებზე ანალოგიურად მძლავრი და გამძლე ანტენები განთავსდეს, რისი საშუალებითაც ისინი დედამიწაზე დაახლოებით 16-ჯერ უფრო მეტ ინფორმაციას გადმოსცემენ, ვიდრე ახლა.
”ევროპა-ლენდერი” სხვა საინჟინრო ინოვაციებითაც გამოიჩევა – უსწორმასწორო და არამდგრად ზედაპირზე უსაფრთხოდ დასაშვებად მას ობობასებრი მრავალფეხიანი სისტემა აქვს; ევროპას ცივი ზედაპირისგან დასაცავად ”მუცელზე” ორმაგი ფარი აქვს აკრული, ძალიან ჭკვიანი მანევრირების სისტემა და გამოსხივებისადმი მდგრადი ბატარეები. თუმცა უმნიშვნელოვანესია ინოვაციური ანტენა, რომლის გარეშეც ვერასოდეს გავიგებთ, გვყავს თუ არა მეზობლები ევროპაზე.