Polacy tworzą GPS, który będzie działał na Księżycu. I będzie drogowskazem do Marsa

Wkład polskich naukowców w budowę księżycowego systemu nawigacyjnego Moonlight to kolejny dowód na to, jak ważną rolę odgrywa polska myśl naukowa w eksploracji kosmosu. Dzięki ich pracy być może już niedługo Księżyc stanie się prawdziwą bramą do dalszych, fascynujących podróży w głąb Układu Słonecznego.

Każdego dnia korzystamy z nawigacji. Google Maps pokazuje nam najkrótszą drogę do kawiarni, Strava przejechaną na rowerze trasę, a lokalizator w telefonie pomaga odnaleźć zgubiony plecak. Ale to wszystko działa dzięki gęstej sieci satelitów, precyzyjnie zsynchronizowanych zegarów i infrastruktury rozlokowanej na całym świecie.

Na Księżycu o takich luksusach można zapomnieć.

Nie ma atmosfery, która chroniłaby elektronikę. Nie ma istniejącej sieci naziemnej. Nawet pole grawitacyjne Księżyca jest dziwne – pełne lokalnych zaburzeń zwanych maskonami (to skrót od „mass concentrations”), które skutecznie utrudniają przewidywanie ruchu satelitów.

Do tego dochodzi promieniowanie kosmiczne, które potrafi usmażyć najczulsze komponenty elektroniczne w kilka minut. Żeby system nawigacyjny tam działał, trzeba go zaprojektować od zera.

Europejska Agencja Kosmiczna planuje uruchomić w 2031 r. system Moonlight, który będzie działał trochę jak GPS, ale w wersji dla Srebrnego Globu. W jego skład mają wejść cztery satelity krążące wokół Księżyca, odbiorniki montowane w łazikach, lądownikach i satelitach, a także sieć naziemna: teleskopy, stacje referencyjne i urządzenia laserowe.

Po co to wszystko? Aby przyszli astronauci i koloniści na Księżycu mogli wiedzieć gdzie się znajdują. Taka informacja to klucz do budowy infrastruktury, do lądowania z chirurgiczną dokładnością i – w przyszłości – do wysłania ludzi na Marsa z przystankiem na Księżycu.

Więcej na Spider's Web:

Nie byłoby to możliwe bez wkładu polskich naukowców z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Zespół w składzie dr Grzegorz Bury, dr Radosław Zajdel i prof. Krzysztof Sośnica stworzył modele, które pozwalają określić pozycję satelitów krążących wokół Księżyca – z dokładnością, której wymagają najbardziej ambitne plany ESA.

Ich praca polegała m.in. na testowaniu torów orbitalnych w bardzo trudnych warunkach – z uwzględnieniem wszystkich zaburzeń grawitacyjnych, dynamicznych zmian prędkości oraz wpływu promieniowania słonecznego. ESA oficjalnie uznała ich modele za jedne z najbardziej obiecujących spośród wszystkich testowanych.

W teorii wszystko wygląda prosto: satelita krąży wokół Księżyca i wysyła sygnał. W praktyce jest zupełnie inaczej. Orbity, które zaprojektowała ESA, są silnie eliptyczne – to znaczy, że satelita raz znajduje się bardzo blisko powierzchni Księżyca (w tzw. perycentrum), a potem bardzo daleko (w apocentrum).

Problem w tym, że w perycentrum dzieje się najwięcej: satelita pędzi z ogromną prędkością, a lokalne zakłócenia grawitacyjne i promieniowanie czynią jego tor trudnym do przewidzenia. Nawet niewielki błąd w obliczeniach sprawia, że pozycja satelity staje się niepewna – a to przekłada się na jakość nawigacji.

Dlatego naukowcy zaprojektowali trajektorie tak, by satelity spędzały jak najmniej czasu nad „problemową” częścią orbity. Ale ESA postawiła warunek: dokładność musi być utrzymana przez cały czas – nawet w najtrudniejszych momentach. Bo w kosmosie margines błędu to przepis na katastrofę.

Jak podkreślają badacze, bez zegarów atomowych satelita nawigacyjny nie może funkcjonować, więc na pokładzie musi być kilka takich zegarów (minimum dwa), żeby zapewnić odpowiedni zapas. Nie bez znaczenia było też promieniowanie kosmiczne. Księżyc nie ma pola magnetycznego, więc elektronika pokładowa narażona jest na burze słoneczne i rozbłyski.

Nie wszystko jednak przeszło do finalnego projektu. Wśród propozycji polskich naukowców znalazły się np. bardzo precyzyjne zegary atomowe – masery wodorowe, podobne do tych, które działają w systemie Galileo. Problem? Masa i koszt. Zamiast nich ESA zdecydowała się na prostsze zegary rubidowe.

Z listy wykreślono też laserowy altimetr, który mógłby wykonywać pomiary odległości do luster laserowych zostawionych na Księżycu przez misje Apollo. Choć pomysł był znakomity, urządzenie było zbyt ciężkie, by zmieścić się w ograniczeniach masy satelity. W kosmosie każdy kilogram kosztuje setki tysięcy euro – a czasem więcej.

ESA nie spoczywa na laurach i już planuje kolejne ambitne projekty, w tym system nawigacyjny dla Marsa – misję MARCONI (MARs COmmunication and Navigation Infrastructure). Ponieważ sygnał radiowy potrzebuje od kilku do nawet 22 minut, aby dotrzeć z Ziemi na Marsa, przyszłe systemy nawigacyjne muszą działać w pełni autonomicznie.

Oznacza to, że satelity i łaziki będą musiały samodzielnie określać swoją pozycję, podejmować decyzje i nawigować – bez ciągłego wsparcia z Ziemi. Dodatkowym wyzwaniem jest atmosfera Marsa, która może zakłócać sygnał, oraz inne, bardziej kołowe orbity, które trzeba będzie uwzględnić przy projektowaniu marsjańskiego GPS-a.

Misja Moonlight to nie tylko kolejny projekt Europejskiej Agencji Kosmicznej. To dowód na to, że Polska ma realny wkład w światową eksplorację kosmosu. Zespół z Wrocławia nie tylko sprostał technicznym wymaganiom ESA, ale dostarczył kluczowe rozwiązania, które – dosłownie – pozwolą ludziom wiedzieć, gdzie są na Księżycu.