ESAs svenskbygde SMART-1 på vei mot Månen

Av Erik Tronstad

Ariane 5 på vei opp fra Kourou med Europas første måneromfartøy. (ESA)

For første gang er et europeisk romfartøy, SMART-1, på vei mot Månen. SMART-1 er bygd i regi av ESA. Hovedkontraktør har vært Rymdbolaget i Sverige, som dermed har hatt det overordnede ansvaret for bygging av romfartøyet og sammenmontering av alle komponenter. Nesten 30 kontraktører i 11 europeiske land og i USA har bidratt med utstyr og arbeid til romfartøyet.

Oppskytingen av SMART-1 foregikk med en Ariane 5-bærerakett og startet klokken 01.14 norsk sommertid 28. september 2003. Hovednyttelaster for Ariane 5 på denne oppskytingen var to andre satellitter, Indias Insat 3E og Eutelsats kom­mu­ni­ka­sjons­sa­tel­litt e-Bird. SMART-1 var nærmest med som en betalende ekstrapassasjer.

Omtrent 42 minutter etter at oppskytingen startet, var alle tre satellittene plassert i en geostasjonær overføringsbane på 742 km x 36 016 km, med en inklinasjon på 7°. Mens Insat 3E og e-Bird skulle bruke egne motorer for å komme opp i geostasjonær bane i omtrent 36 000 km høyde, har SMART-1 Månen som mål for sin ferd.

SMART er en forkortelse for Small Missions for Advanced Research in Technology. Hovedformålet med SMART-1 er ikke utforskning av Månen, men utprøving av nye teknologier, som blir helt sentrale i fremtidige romfartøyer, som skal bort fra Jorden for å utforske andre deler av Solsystemet. Det aller viktigste formålet med SMART-1 er utprøving av en elektrisk motor (ionemotor) som hovedfremdriftssystem.

Tegning av SMART-1s ionemotor i drift. (ESA)

Før ESA kan basere seg å bruke ionemotorer som hovedmotorer i andre planetromfartøyer, må organisasjonen være sikker på at man behersker denne teknologien. Går alt slik man håper med SMART-1, vil ionemotorer bli brukt i for eksempel BepiColombo, et romfartøy som skal skytes opp i 2011-2012. BepiColombo skal inn i bane rundt Merkur og også slippe en instrumentkapsel ned på planetens overflate.

ESA har riktignok erfaring med bruk av ionemotorer i rommet, men da bare til stillingskontroll. Det er tilfelle med den eksperimentelle kom­mu­ni­ka­sjons­sa­tel­litten Artemis. Hele Artemis-prosjektet ble faktisk reddet av satellittens ionemotorer, etter at oppskytingen av Artemis ikke var helt vellykket (se Artemis endelig på plass i geostasjonær bane (eRomfart 2003-038)).

Langt på vei kan SMART-1 sammenliknes med NASAs Deep Space 1, et romfartøy som ble skutt opp 24. oktober 1998 (se Deep Space 1 skutt opp (Kortnytt 1998-106)) og der bruken ble avsluttet 18. desember 2001 (se Slutt for Deep Space 1 (eRomfart 2001-177)). Deep Space 1 var det første romfartøy som benyttet en ionemotor som fremdriftssystem, SMART-1 er den andre.

Tegning av SMART-1 med utfoldede sol­celle­pa­neler. (ESA)

Ionemotoren i SMART-1 får strøm fra romfartøyets sol­celle­pa­neler. I ionemotoren brukes strømmen til å gjøre xenonatomer om til elektrisk ladete ioner og elektroner. Når atomene er blitt elektrisk ladet, kan de akselereres til store hastigheter i magnetiske og elektriske felt om bord, og så sendes ut fra romfartøyet. Dermed dyttes romfartøyet motsatt vei og akselereres.

Ionemotorer har langt lavere skyvekraft enn kjemiske motorer, men utnytter drivstoffet mye mer effektivt. Derfor kan man med ionemotorer oppnå betydelig større hastighetsendringer enn med kjemiske rakettmotorer. Ønsker du å vite mer om ionemotorer, kan du lese artikkelen Elektrisk fremdrift - rakettmotorer for fremtiden i Nytt om Romfart nummer 103, 1997, sidene 33-35.

Skyvekraften for SMART-1s ionemotor er bare 70 mN (millinewton), noe som gir romfartøyet en akselerasjon på «ubetydelige» 0,2 mm/s2. Mens en kjemisk rakettmotor brenner med høy skyvekraft i noen minutter, kan en ionemotor være i drift i tusenvis av timer. Over tid gir selv en akselerasjon på bare 0,2 mm/s2 betydelig høyere hastighetsendringer enn en kjemisk motor kan greie.

Ionemotoren i Deep Space 1 hadde en total driftstid på over 15 000 timer. Ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) har man i et vakuumkammer på bakken oppnådd en total driftstid på over 30 000 timer for en ionemotor (se Rakettmotor med driftstid på over 30 000 timer (eRomfart 2003-134)).

Første avfyring av SMART-1s ionemotor startet klokken 14.25 norsk sommertid 30. september 2003. Motoren fungerte i omtrent én time, før den ble slått av. Man analyserer nå resultatene av dette, før motoren for alvor skal tas i bruk.

Fremdeles går SMART-1 i en bane på omtrent 750 km x 36 000 km. Når ionemotoren kommer i regulær drift, vil den gå nesten kontinuerlig. Unntakene blir hver gang SMART-1 passerer gjennom jordskyggen, slik at sol­celle­pa­nelene ikke er solbelyst. I løpet av omtrent 80 døgn vil laveste punkt i romfartøyets bane bli hevet fra knapt 750 km og til 20 000 km. Da vil banen ligge over de mest skadelige delene av van Allen-beltene.

SMART-1 kommer til å bruke mange omløp rundt Jorden, for å komme seg ut av sin meget langstrakte jordbane og inn i månebane. Månen ses oppe til høyre i dette diagrammet. (ESA)

Van Allen-beltene er oppkalt etter den amerikanske fysikeren James van Allen. Han oppdaget dem fra data fra USAs første satellitt, Explorer 1 i 1958. Beltene danner to områder i Jordens magnetosfære, der ladede partikler fanges inn og spiralerer frem og tilbake langs Jordens magnetiske feltlinjer.

Det laveste beltet, som ligger 1000-5000 km over ekvator, inneholder protoner og elektroner, som enten er fanget inn fra solvinden eller produsert i kollisjoner mellom atomer i den øvre atmosfæren og kosmisk stråling. Det øverste beltet ligger i 15 000-25 000 km høyde og inneholder i hovedsak elektroner innfanget fra solvinden.

Særlig partiklene i det laveste beltet har en skadelig virkning på elektronikk i satellitter. Selv om SMART-1 har elektronikk som er spesielt motstandsdyktig mot slik stråling, vil man ha romfartøyet opp over van Allen-beltene så snart som råd er.

Med laveste punkt i banen vel over van Allen-beltene, vil SMART-1s ionemotor bli avfyrt i flere døgn i gangen. Da vil man begynne å heve det høyeste punktet i dets bane rundt Jorden. Når det er kommet opp i omtrent 200 000 km, vil det ligge omtrent midtveis mellom Jorden og Månen. De gangene SMART-1 er så langt fra Jorden, samtidig som Månen er utenfor på samme side, vil romfartøyet merke en betydelig tiltrekning fra Månen.

Etter at SMART-1 er fanget inn av Månens gravitasjonsfelt, vil romfartøyet bruke mange omløp på å senke banehøyden til den som observasjoner skal foretas fra. (ESA)

Etter hvert vil SMART-1 tre ganger få og benytte gravitasjonsdytt fra Månen. Det vil første gang skje sent i desember 2004, deretter sent i januar og februar 2005. SMART-1 vil til slutt bli «fanget» inn av Månen i mars 2005, i en avlang polbane rundt Jordens ledsager. Etter det vil ionemotoren bli brukt til å redusere banens høyde over Månen.

Tegning av SMART-1 med ionemotoren i drift og Månen i bakgrunnen. Strømmen av ioner og elektroner fra ionemotoren er illustrert ved den blålige strålen på undersiden av romfartøyet. (ESA)

Tegning som illustrerer hvordan instrumenter i SMART-1 skal observere måneoverflaten fra månebane. (ESA)

Når SMART-1 er kommet inn i månebane, starter andre fase i prosjektet. Den skal vare i seks måneder og består i å observere Månen og dens omgivelser fra polbane rundt kloden. Banen vil være sterkt elliptisk med laveste og største høyde over måneoverflaten på henholdsvis 300 km og 10 000 km.

Med seg har SMART-1 blant annet et lite og avansert kamera, som skal ta bilder med høy oppløsning av måneoverflaten. ESA forventer at selv i Månens polområder, som er svært dårlig belyst, skal kameraet gi gode bilder.

Et annet instrument SMART-1 har er et infrarødt spektrometer, som skal kartlegge måneoverflaten. Spesielt skal det se etter tegn til vannis og karbondioksidis i kratere som ligger i nær permanent skygge, i Månens polområder. Et røntgenspektrometer skal foreta den første globale kartleggingen av den kjemiske sammensetningen av måneoverflaten. Et annet røntgeninstrument skal observere variasjoner i røntgenstrålingen fra Solen, blant annet for å kunne korrigere for dette i observasjonene røntgenspektrometeret gjør.

SMART-1 har en masse på bare 367 kg. Selve romfartøyet er som en kasse som er 1 m langs alle sider. Spennet mellom ytterkanten av sol­celle­pa­nelene er omtrent 14 m. De leverer 1,9 kW med elektrisk energi.

Utprøving av ionemotor som hovedfremdriftssystem er, som nevnt, det primære formålet med SMART-1. Romfartøyet brukes også til utprøving av flere andre nye teknologier, som en modulær litiumion batteripakke, utstyr for høykapasitets dataoverføring i X- og Ka-båndene, samt dataprogrammer som gjør at romfartøyet selv kan finne ut hvor det er i rommet, hvilken stilling det har og i hvilken retning det skal. Flere av disse teknologiene ble også utprøvd av NASA på Deep Space 1. Formålet er at fremtidige romfartøy skal bli mer uavhengige av stadig oppfølging fra bakkekontrollen.