Merkury jest najmniej zbadaną z czterech planet skalistych wewnętrznego Układu Słonecznego. Dopiero w 2011 r[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>NASA’s MESSENGER spacecraft became the first to orbit the planet. By contrast, Jupiter, which is about five times farther from Earth, had its first orbiter back in the 1990s. Observing Mercury from Earth is also extremely challenging due to its proximity to the Sun. This article explores three major obstacles that make studying Mercury so difficult.
1. Difficult to observe
Out of the five planets known since ancient times as the ‘wandering stars’, Mercury is the one least explored. Unlike Venus, Mars, Jupiter, and Saturn, Mercury is notoriously difficult to observe from Earth. Being the innermost planet of the Solar System, it always appears too close to the Sun. While the golden time for astronomical observations is at night, Mercury sets and rises in the sky nearly together with the Sun. That means it can be spotted only briefly shortly before sunrise and just after sunset, and always appears close to the horizon.
Although the planet can be observed with telescopes during daytime, astronomers need to take extra precautions since the intense sunlight and the constant proximity of the Sun could damage the optics. Larger telescopes are frequently not allowed to look in the direction of the Sun at all because of the damage they could sustain.
Interestingly, one of the most powerful astronomical observatories to date, the legendary NASA/ESA Hubble Space Telescope, never imaged Mercury. Orbiting Earth at the altitude of about 550 km (340 miles), Hubble observed some very distant celestial objects, such as the blue supergiant star nicknamed Icarus, some 14 billion light-years away. It has, however, never looked at Mercury out of concerns about damaging its sensitive optics.
Podczas swojej siedmioletniej podróży na Merkurego europejsko-japońska misja BepiColombo wykorzystuje grawitację Ziemi, Wenus i Merkurego, aby dostosować swoją trajektorię i osiągnąć końcową orbitę. Wystrzelony w 2018 roku statek kosmiczny wykonuje w sumie dziewięć manewrów przelotu w asyście grawitacyjnej (przedstawionych na tej animacji), zanim wejdzie na orbitę wokół najbardziej wewnętrznej planety Układu Słonecznego w grudniu 2025 roku. Źródło: ESA – Europejska Agencja KosmicznaCC BY-SA 3.0 IGO
2. Trudno dostępny
Choć należąca do NASA sonda Mariner 10 trzykrotnie przeleciała obok Merkurego na początku lat 70. XX wieku, krążąc wokół Słońca, pierwsza w historii misja, MESSENGER, weszła na orbitę bezpośrednio wokół Merkurego dopiero w 2011 roku.
Dla porównania, Mars otrzymał swój pierwszy orbiter w 1971 r., a Wenus w 1975 r. Jowisz, znajdujący się najbliżej Ziemi, w odległości prawie 630 milionów kilometrów (390 milionów mil), w porównaniu ze średnią odległością Merkurego wynoszącą 77 milionów kilometrów (48 milionów mil), powitał swój pierwszy orbiter w 1995. Nawet bardziej odległy Saturn wyprzedził Merkurego Cassini misji, wspólnego projektu NASA, ESA i Włoskiej Agencji Kosmicznej, o siedem lat.
Dlaczego Merkury jest tak mało badany? Po trzech krótkich przelotach Marinera 10 w latach 1973 i 1974 podczas eksploracji najbardziej wewnętrznej planety Układu Słonecznego przez prawie cztery dekady nic się nie wydarzyło. Co zaskakujące, mimo że Merkury znajduje się znacznie bliżej Ziemi niż Jowisz i Saturn, w rzeczywistości trudniej jest do niego dotrzeć. Według niektórych szacunków dotarcie na planetę karłowatą wymagałoby mniej energii Pluton niż potrzeba, aby dostać się do Merkurego. Powodem tego jest bliskość Merkurego do Słońca. Statek kosmiczny, który ma na celu nie tylko przelecieć obok Merkurego na orbicie wokół Słońca, ale także bezpośrednio wejść na orbitę wokół planety, musi stale hamować przed przyciąganiem grawitacyjnym gwiazdy.
„Istnieją dwa sposoby przeprowadzenia tego hamowania” – mówi Johannes Benkhoff, naukowiec zajmujący się projektem w ESA odpowiedzialnym za misję BepiColombo. „Albo potrzebujesz ogromnego statku kosmicznego, który przewozi dużo paliwa, albo możesz wykorzystać grawitację innych planet, aby spowolnić cię po drodze. Aby dotrzeć do Merkurego, trzeba wykonać wiele takich przelotów obok planet, przez co podróż zajmuje dużo czasu.”
Należąca do ESA sonda Solar Orbiter, badacz Słońca, potrzebuje mniej niż dwa lata, aby osiągnąć docelową orbitę wokół Słońca, która jest jeszcze bliżej naszej gwiazdy macierzystej niż Merkury. Co zaskakujące, BepiColombo potrzebuje siedmiu lat, aby zająć właściwą pozycję do umieszczenia swoich dwóch orbiterów, statku ESA Orbiter planetarny Merkurego (MPO) i Orbiter magnetosferyczny Merkurego Japońskiej Agencji Badań Kosmicznych (JAXA), na właściwe orbity wokół Merkurego. Aby się tam dostać, statek kosmiczny musi wykonać łącznie dziewięć manewrów wspomaganych grawitacją, czyli przelotów, które pomogą mu zahamować i dostosować trajektorię.
Wśród pionierów badających wykorzystanie przelotów planet do korygowania trajektorii misji kosmicznych był włoski inżynier Giuseppe (Bepi) Kolombo. To Bepi Colombo zaproponowała optymalizację trasy Marinera 10 poprzez wykonanie przelotu obok Wenus, aby ostatecznie osiągnąć w sumie trzy przeloty obok Merkurego zamiast pierwotnie planowanego. To jego imię nosi obecna europejsko-japońska misja Merkurego BepiColombo.
„Większość energii potrzebnej do dotarcia do Merkurego uzyskujemy z przelotów” – mówi Johannes. „Nasze paliwo wykorzystujemy głównie do prawidłowego przelotu, do ustawienia statku kosmicznego we właściwej pozycji, gdy przelatujemy obok planety, aby wydobyć z niego maksymalną energię, aby zahamować i skierować się we właściwym kierunku do Słońca”.
3. Zbyt gorąco, aby orbitować blisko
Najbliższa sonda Mariner 10 należąca do NASA do powierzchni Merkurego podczas jednego z trzech krótkich spotkań znajdowała się w odległości 327 km (203 mil). Sonda MESSENGER okrążała Merkurego w latach 2011–2015 po orbicie eliptycznej, która na przestrzeni lat nieco się zmieniała. Najbliższy punkt orbity znajdował się około 200 km (124 mil) od powierzchni Merkurego, natomiast najdalszy przesunął się z początkowych 15 200 km (9445 mil) do około 9 000 km (5600 mil) pod koniec misji.
Należący do ESA Mercury Planetary Orbiter (MPO), jeden z dwóch orbiterów wchodzących w skład misji BepiColombo, będzie podążał po znacznie węższej orbicie wokół Merkurego, z najbliższym punktem w początkowej odległości 480 km (298 mil) od powierzchni, a najdalszym zaledwie 1500 km (932 mil). Z czasem orbita BepiColombo ulegnie zmianie i najbliższy punkt powierzchni przesunie się w dół na odległość około 200 km (124 mil), po czym ponownie się wzniesie.
Chociaż zarówno Mariner 10, jak i MESSENGER na krótko zbliżyły się do Ziemi, nigdy nie pozostawały w palącym upale w pobliżu Merkurego. W rezultacie żadna z misji nie uzyskała danych o wysokiej rozdzielczości z całej powierzchni planety, co BepiColombo powinno naprawić.
Ambitne plany, jakie europejscy naukowcy mają wobec BepiColombo, wystawiły zespoły inżynierów ESA i jej współpracowników do granic możliwości.
Daniele Stramaccioni, inżynier systemu BepiColombo w ESA, porównał sytuację, w jakiej znajdzie się BepiColombo, do włożenia działającego laptopa do gorącego pieca do pizzy.
„BepiColombo to misja jak żadna inna” – mówi. „Około 80% wyposażenia należało opracować od podstaw. Bez szeroko zakrojonych innowacji nigdy by nie poleciał”.
W momencie opracowywania BepiColombo musiał stawić czoła trudniejszym warunkom niż jakakolwiek wcześniejsza misja ESA.
Światło słoneczne wokół Merkurego jest nie tylko około 10 razy intensywniejsze niż w pobliżu Ziemi, ale spalona powierzchnia planety emituje również ciepło z powrotem w przestrzeń kosmiczną. W rezultacie MPO będzie musiał wytrzymać temperatury do 450°C (~840°F), wystarczająco wysokie, aby stopić ołów.
Materiały używane w standardowych misjach kosmicznych nie są w stanie wytrzymać tak wysokich temperatur. Na przykład standardowe panele słoneczne zaczynają się rozpadać w temperaturze 140°C (284°F). Inżynierowie musieli zatem znaleźć zupełnie nowe materiały do tego zadania. Polimer wzmocniony włóknem węglowym umożliwił podniesienie temperatury roboczej paneli słonecznych do ponad 200°C (392°F), ale panele nadal muszą być przechylane pod kątem do 70 stopni, aby zmniejszyć ekspozycję na słońce.
Technologia paneli słonecznych była jednym z kluczowych problemów misji, a niepowodzenia w jej rozwoju doprowadziły w pewnym momencie projekt na skraj anulowania.
MPO jest również wyposażony w złożony system rur chłodzących, które transportują ciepło z wnętrza statku kosmicznego do grzejników przymocowanych do jego zacienionej strony. Grzejniki te, wraz z dziesiątkami warstw izolacji kosmicznej, utrzymują wnętrze MPO w temperaturze pokojowej, co jest ważne dla wrażliwych instrumentów statku kosmicznego. Koce izolacyjne składające się z tytanu, aluminium i tkaniny ceramicznej zwiększają masę statku kosmicznego o 94 kg (207 funtów).
BepiColombo będzie nie tylko narażone na ekstremalne upały, ale po nocnej stronie Merkurego temperatura może spaść nawet do 180°C (356°F), co naraża materiały na dalsze obciążenia.
W trakcie opracowywania ESA musiała wprowadzić zmiany w swoich obiektach testowych w Europejskim Centrum Badań i Technologii Kosmicznej (ESTEC) w Holandii, aby dostosować się do wymagającej misji.
