ŰrkutatásNem szünetel a Hold kutatása – Főszerepben az automaták

Gyakran elhangzik az a vélemény, miszerint az Apollo-program óta a Hold kutatásában „nem történt semmi”. Dehogynem történt! Csak éppen nem űrhajósok, hanem automaták voltak az elmúlt fél évszázad holdkutatásának főszereplői. Ezek történetéről adunk áttekintést, elsősorban a közelmúlt eseményeire helyezve a hangsúlyt. Az űrkutatás hőskorában, majd az Apollo-program előkészítése és az űrverseny idején több szovjet és amerikai űreszköz érte el a Holdat. Lényegében az Apollo-programmal párhuzamosan a szovjetek a Luna küldetéseket hajtották végre, több-kevesebb sikerrel. Három...

Gyakran elhangzik az a vélemény, miszerint az Apollo-program óta a Hold kutatásában „nem történt semmi”. Dehogynem történt! Csak éppen nem űrhajósok, hanem automaták voltak az elmúlt fél évszázad holdkutatásának főszereplői. Ezek történetéről adunk áttekintést, elsősorban a közelmúlt eseményeire helyezve a hangsúlyt.

Az űrkutatás hőskorában, majd az Apollo-program előkészítése és az űrverseny idején több szovjet és amerikai űreszköz érte el a Holdat. Lényegében az Apollo-programmal párhuzamosan a szovjetek a Luna küldetéseket hajtották végre, több-kevesebb sikerrel. Három küldetés során hoztak holdi talajmintát a Földre, összesen mintegy 300 grammot. A program legnagyobb sikere mégis két holdjáró Holdra juttatása volt. A Lunohod-1 az Apollo-program közben, 1970 novemberében szállt le, és csaknem egy évig dolgozott. Így ez volt az első holdjáró a Hold felszínén, az Apollo-program első holdautóját csak 1971 nyarán vitte magával az Apollo-15. Az 1973-ban, tehát már az Apollo-program befejeződése után indított Lunohod-2 viszont mindmáig a Holdon leghosszabb utat (37 km) megtett jármű, az Apollók roverjeit is beleértve. Mindkét szovjet holdjáró lézertükröt, röntgentávcsövet, röntgenfluoreszcencia-spektrométert, mágneses mérőműszereket, kamerákat és a felszín talajmechanikai tulajdonságainak vizsgálatára alkalmas eszközöket vitt magával.

Ázsia és Európa színre lép

A szovjet Luna program 1976-ban fejeződött be, és ezután csaknem másfél évtizeden át valóban egyetlen ország sem küldött űreszközt a Hold kutatására. A történet csak 1990-ben folytatódott, amikor Japán elindította első holdszondáját, a Hitent (Muses-A). Valójában a Hiten nem is űrszonda volt, hanem a Föld körül nagyon elnyúlt pályán keringő műhold, amely földtávolban megközelítette a Holdat. Első ottjártakor Hold körüli pályára állított egy kisebb szondát. Japán 2007-ben folytatta a Hold kutatását az égitest körül pályára állított Kaguya (hivatalos nevén Selene) űrszondával, amely két évig keringett a Hold körül. Mérései új adatokat adtak a Hold túlsó oldalának anyagáról, lézeres magasságmérőjével pedig feltérképezte a domborzatot.

Ugyancsak 2007-ben indította első holdszondáját Kína, egy sikeres sorozat nyitányaként, amire később részletesen visszatérünk. Harmadik ázsiai országként India kapcsolódott be a Hold kutatásába. Az első indiai holdszonda, a Csándráján-1 csaknem egy évig működött Hold körüli pályán, miközben 3400-szor kerülte meg kísérőnket.

1. ábra. Az ember utolsó nyomai a Holdon. Az amerikai Lunar Reconnaissance Orbiter szonda felvételén jól látszanak az Apollo-17 holdautójának keréknyomai, sőt az űrhajósok, Eugene Cernan és Harrison Schmitt lábnyomai is (Forrás: NASA’s Goddard Space Flight Center/ASU)

2. ábra. A Lunohod-2 szovjet holdjáró életnagyságú makettje egy németországi kiállításon

Közben az Európai Űrügynökség (ESA) 2003-ban elindította első holdszondáját, a SMART-1-et. Bár az ESA újabban ambiciózus terveket dédelget a Hold kutatását illetően, eddig mégis ez volt az egyetlen holdkutató szondája, de még csak a belátható tervek közt sem szerepel újabb eszköz indítása. Az ESA szondájának különlegessége, hogy üzemanyagként xenont használó ionhajtóművel szerelték fel, amely megszakításokkal 3700 órán keresztül működve, végső soron 15 hónap alatt juttatta el a 300 kg-os szondát Hold körüli pályára.

Amerikai szondák

Az Egyesült Államok az 1990-es évek közepén tért vissza a Holdhoz a Clementine (1994) majd a Lunar Prospector (1998) szondákkal. Előbbi számtalan felvételt készített az égitest felszínéről, utóbbi viszont nem vitt kamerát, ehelyett műszeres méréseket végzett, többek közt neutron-spektrométerével megerősítette a Hold pólusai közelében egyes kráterek mélyén a vízjég jelenlétét.

2009-ben indult az LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) szonda (és vele együtt egy rakétafokozat becsapódását megfigyelő LCROSS). Az LRO immár tíz éve kifogástalanul működik, kamerájával 50 km magasságból 1 méter felbontású képeket készít, kedvező fényviszonyok (és alacsonyabb keringési magasság) esetén még kisebb részletek is megfigyelhetők. Érdekesség, hogy az LRO felvételeket készített az összes Apollo-leszállóhelyről, amelyeken jól kivehetők az otthagyott eszközök, berendezések, sőt a holdjárók keréknyomai is. Legújabban az LRO a Hold túlsó oldalán leszállt kínai Csang’e-4 szondát és holdjáróját is megörökítette, igaz, utóbbi alig volt egy pixel nagyságú.

2011-ben indult és 2012 elején állt Hold körüli pályára a GRAIL szondapáros. A két szonda mozgását pontosan követve a Hold gravitációs terét, és belső szerkezetét, elsősorban a felszín alatti tömegkoncentrációk, az úgynevezett masconok elhelyezkedését térképezték fel, de emellett felvételeket is készítettek a Holdról.

3. ábra. Fantáziarajz a Hold felszíne közelében keringő, amerikai LADEE űrszondáról (Forrás: NASA Ames/Dana Berry)

A következő, és mindeddig utolsó amerikai holdszonda, a 2013 szeptemberében indított LADEE október 6-án kezdett keringeni a Hold körül, majd november 10-étől hajtotta végre tudományos programját. 2014 márciusában az eredetileg 100 napos tudományos programot még egy hónappal megtoldották. Az alacsony (20–80 km közötti) keringési pálya stabilan tartásához, a pályamódosító manőverekhez szükséges üzemanyag kifogyása után a szonda 2014. április 18-án irányítottan a Hold felszínébe csapódott. A LADEE egyik műszere igazolta, hogy a Hold rendkívül ritka „légkörét” legnagyobb részben hélium, neon és argon alkotja. Relatív gyakoriságuk a napszaktól függ, az argon helyi idő szerinti napkeltekor, a neon hajnali 4 órakor, a hélium pedig hajnali 1 órakor a leggyakoribb összetevő. A következtetéseket a műszerrel hét hónapon keresztül végzett mérésekből vonták le. Bár a holdi exoszféra fő forrása a napszél, a kutatók azt is kimutatták, hogy a gáz egy része a holdkőzetekből érkezik. Az argon-40 például a természetben előforduló, és az összes Föld típusú bolygó kőzeteiben megtalálható kálium-40 bomlásterméke. Megállapították, hogy az argon-40 koncentrációja a Hold felszínének bizonyos területei, például az Esők tengere (Mare Imbrium) és a Viharok óceánja (Oceanus Procellarum) fölött a legnagyobb. Nem véletlen, hogy a Hold kőzeteiben éppen ezeken a területeken a legnagyobb a kálium-40 koncentrációja.

Meglepő felfedezés, hogy a Hold exoszférájában az argon mennyisége időben nem maradt állandó. A LADEE küldetésének időtartama alatt mennyisége előbb mintegy 25%-kal megnőtt, majd ugyanennyivel csökkent. A kutatók szerint elképzelhető, hogy az ingadozást az árapályerők okozhatják. A műszer azt is kimutatta, hogy a Hold exoszférájában található hélium mintegy 20%-a magából a Holdból ered, valószínűleg a holdkőzetekben ugyancsak előforduló radioaktív tórium és urán bomlástermékeként keletkezik – méghozzá átlagosan hét liter normál állapotú hélium áramlik ki másodpercenként a kőzetekből.

Kína a Holdon

Kína eddig három holdszondát és egy kísérleti kapszulát küldött égi kísérőnkhöz. A 2007-ben indított Csang’e-1 a Hold körül keringve 120 méteres felszíni felbontással térképezte fel a Hold topográfiáját és a különböző kémiai elemek gyakoriságát és eloszlását. A 2010 októberében indított Csang’e-2 a Holdnál elvégzett kutatási feladatait követően eljutott a Nap–Föld-rendszer L2 Lagrange-pontjához, és megközelítette a 4179 Toutatis kisbolygót.

A Csang’e-3 szonda 2013. december 14-én szállt le az Esők tengere Szivárvány-öblében, ezzel Kína lett a harmadik ország, amelynek űreszköze leszállt a Holdra. Maga a leszállóegység holdi csillagászati obszervatóriumként is működik. Egyik műszere a közeli ibolyántúli tartományban (245-340 nm) érzékeny, 15 cm-es átmérőjű távcső. A holdi ibolyántúli távcsővel (LUT, Lunar-based Ultraviolet Telescope) működése első két évében 2000 órányi megfigyelést végeztek, összesen 40 csillagot követtek, és képet alkottak a Szélkerék-galaxisról (M101). A Földről vezérelt műszerrel havonta átlagosan 10 000 felvételt készítettek. (Korábban is működött már UV-távcső a Holdon, de azt az Apollo-16 űrhajósai kézzel működtették.) A kínai távcső számára két fő kutatási célt jelöltek meg. 1.) Fényes változócsillagok folyamatos követése a közeli ibolyántúli tartományban, akár 10-12 napig. 2.) Az égbolt teljes átvizsgálása kis galaktikus szélességeken, ugyancsak a közeli UV sávban. A detektort mintegy 40 fokkal a környezet hőmérséklete alá hűtik, ami helyi délben ‒20 °C körüli, alacsonyabb napállásnál ‒40 °C körüli üzemi hőmérsékletet jelent. A leszállóegység panorámakamerájával képet készített a leszállóhely környezetéről, optikai távcsövével a holdi csillagos égboltot fényképezte, távoli ibolyántúli kamerájával pedig a Föld környezetéről is képet készített.

A Csang’e-3 útnak indította a Jütu (Jáde nyúl) nevű holdjárót, ami újabb technikai siker volt Kína számára. A Jütu röntgenspektrométerével a talaj kémiai összetételét, radarjával pedig a mélyebb rétegek szerkezetét vizsgálta. Igaz, a mozgatását vezérlő rendszer mintegy 100 méter megtétele után elromlott, de a jármű egyhelyben állva még több mint két éven át folytatni tudta a méréseket. Többek között felfedezett egy újfajta holdkőzetet, radarméréseivel pedig a leszállóhely alatt kilenc kőzetréteget azonosított.

4. ábra. A 140 kg tömegű Jütu-2 kínai holdjáró felvétele az őt a Hold túlsó oldalára szállító Csang’e-4 szondáról… (Forrás: CNSA / CLEP)

A sikeres kínai holdszondasorozat a Csang’e-4 küldetésével folytatódott. A Csang’e-4 eredetileg a 3-as szonda tartalékának készült, de az előző küldetés sikere után eldöntötték, hogy minőségi előrelépést hajtanak végre, és megkísérlik a sima leszállást a Hold túlsó oldalán. Az űrszonda és a holdjáró felszereltsége hasonló elődjéhez, de néhány részletet az új küldetés igényeinek megfelelően módosítottak. Fontos különbség továbbá, hogy a szonda csak egy reléholdon keresztül tud kapcsolatot tartani a Földdel.

A leszállóegység és a Föld közti összeköttetést a Csüecsiao reléműhold biztosítja. A 4,2 méter átmérőjű antennával felszerelt szondát 2018. május 20-án indították, a szonda június 14-én állt pályára a Föld-Hold rendszer L2 Lagrange-pontja körül, ahonnan folyamatos összeköttetést tud biztosítani a Csang’e-4 és a földi követőállomások között. Az adattovábbításra a telemetriai kapcsolatot az S-sávban biztosítják, a leszállóegységgel és a roverrel a kommunikációt az X-sávban folytatják.

A Csang’e-4-et 2018. december 7-én Hosszú Menetelés-3B rakétával a Hszicsang (Xichang) Űrközpontból indították, és január 3-án szállt le egy tudományos szempontból rendkívül érdekes területen a Déli-sarki Aitken-medencében lévő, 186 km átmérőjű, Kármán Tódorról elnevezett Von Kármán-kráterben. Miután a Csang’e-4 öt évvel a Hold innenső oldalán simán leereszkedő Csang’e-3 után, elsőként az űrkutatás történetében leszállt a Hold túlsó oldalán, útnak indította a Jütu-2 holdjárót. A Hold túlsó oldalának „meghódításával”, a Csüecsiao adatközvetítő szonda segítségével végrehajtott sima leszállással Kína kétségtelenül technikai bravúrt hajtott végre, és fontos elsőséggel iratkozott be az űrkutatási rekordok történelemkönyvébe. Időközben a Nemzetközi Csillagászati Unió a leszállóhelynek a Tejút kínai nevéről hivatalosan is a Tianhe-állomás nevet adta.

A Csang’e-4 küldetés tudományos céljai között a Hold felszínét borító por szerkezetének és kialakulásának vizsgálata, mágnességének és a napszéllel való kölcsönhatásának mérése, a felszíni hőmérséklet és részecskesugárzás mérése, a felszín alatti rétegek vizsgálata és holdi alapú VLF csillagászati megfigyelések szerepelnek. A leszállóegységen helyet kapott egy alacsony frekvenciájú spektrométer (LFS), amely a Hold túlsó oldalának rendkívül rádiócsendes környezetét igyekszik kihasználni. Emellett a leszállóegységre leszállókamera (LCAM) és felszínfigyelő kamera (TCAM) került, valamint helyet kapott rajta a német fejlesztésű neutronmérő és doziméter (LND). A Jütu-2 roverre a Csang’e-3 holdjárójához hasonlóan panorámakamera (PCAM) és a regolitot vizsgáló radar (LPR) kerül. Ez egészült ki a látható és infravörös tartományban működő képalkotó spektrométerrel (VNIS) és a svéd űrfizikai intézetben (Kiruna) fejlesztett, a semleges anyagok fejlett, kis analizátorával (ASAN). A küldetésen helyet kapott egy biológiai kísérletcsomag, amelyet 28 kínai egyetem munkatársai állítottak össze.

5. ábra. …és a Csang’e-4 leszállóegysége, a 140 kg tömegű Jütu–2 panorámakamerájának felvételén (Forrás: CNSA / CLEP)

A Von Kármán-kráter kialakulása után valamennyi idő elteltével a kráter fenekét bazaltláva öntötte el. A Csang’e-4 meg fogja mérni a Hold túlsó oldalán található bazalt pontos ásványösszetételét. A kutatók számára ez elsősorban azért érdekes, mert így össze tudják hasonlítani a Hold túlsó és innenső oldaláról származó bazaltminták összetételét, felderíthetik, esetleges különbözik-e valamiben az összetételük. Az első eredményeket talán még idén közzéteszik.

A Von Kármán-kráter meglepő tulajdonsága, hogy alján rendkívül sok becsapódási kráter látható, és azok feltűnő változatosságot mutatnak. A nagy krátersűrűségnek nyilván az az oka, hogy a felszín több mint 3 milliárd éves. A rendkívül hosszú idő alatt olyan sok 200 méteresnél kisebb kráter keletkezett, hogy a kráterfenék ekkora kráterekkel telítetté vált, azaz hiába eredményeztek az újabb becsapódások újabb kis krátereket, azok rárakódtak a régebbiekre, eltakarták azokat, így a kráterek teljes száma nem nőtt tovább. Mivel a kisebb kráterek számában beállt ez az egyensúlyi állapot, a felszín korának becslésére csak az 1 kilométernél nagyobb kráterek használhatók, amelyekből kevesebb van, így ebben a mérettartományban még nem állt elő a telítettség. Az újabb kráterek nem minden esetben takarják el a régebbieket, a nagyobbakra rakódó kisebbek csak koptatják, rongálják a meglévőket. Emiatt a fiatalabb, éles peremű kráterek határozottan kirajzolódnak, a lekopott peremű idősebbek elmosódottak. A felszínt folyamatosan érő kozmikus bombázás őrli a felszínt borító kőzeteket a Holdra jellemző finom, porszerű regolittá.

A kutatás folytatódik

Az idei év mozgalmasnak ígérkezett a Hold kutatásának történetében. A sikeres nyitányt az említett Csang’e-4 jelentette, majd nem sokkal később, február közepén elindult a Hold felé Izrael első holdszondája, a Beresit (Genezis, Teremtés könyve). A szonda 95 millió dolláros költségvetéssel készült, magánszemélyek adományainak és az Izraeli Űrügynökség támogatásának köszönhetően. A Falcon-9 rakétával indított, 585 kg tömegű szonda fokozatosan közelítette meg a Holdat, április 11-én kellett volna leszállnia a Derültség tengerében. Sajnos egy apró műszaki hiba miatt nem sikerült a leszállás, egy hibás parancs következtében a szonda a Holdba csapódott. Pedig a sikeres leszállással az Egyesült Államok, a Szovjetunió és Kína után Izrael lett volna a negyedik ország, amelynek űreszköze leszáll a Holdra. A Beresit küldetésének fő célja a technológia kipróbálása volt, megismétléséről azonnal megszületett a döntés. A küldetés jelképes értékét egy izgalmas projekt hangsúlyozta: a Beresit magával vitte a „Holdi Könyvtárat”, amely 30 millió oldal terjedelmű információt tartalmazott az emberi civilizációról. Az információt tartalmazó eszköz 100 gramm tömegű, kívülről nézve egy 120 mm átmérőjű DVD-re emlékeztet. Belsejét azonban 25 darab, egyenként 40 mikrométer vastag nikkelkorong alkotta, ezekre vitték fel az információt.

A Beresit kudarca miatt India lehet a negyedik ország, amelynek eszköze épségben eléri a Hold felszínét. Várhatóan még az első félévben (több éves késés után) elindul India második holdszondája, a Csándráján-2. A 3,3 tonnás szonda nemcsak leszállóegységet, hanem holdjárót is visz magával. Miközben az indiai űrszonda 100 km magas pályájáról vizsgálja a Holdat, a holdjáró a felszínen vizsgálódik.

Az idei Hold-küldetések sorát Kína zárhatja, ugyanis ez év végére tervezik a Csang’e-5 szonda indítását, amely anyagmintát hoz a Holdról. (2014-ben a Csang’e-5-T1 tesztkapszula megkerülte a Holdat és sikeresen leszállt a Földre, előkészítve a talajmintát hozó küldetést.) Kína Holddal kapcsolatos távolabbi tervire enged következtetni, hogy a pekingi Beihang Egyetemen 2017-ben megépítették a Jügong-1-et (Holdi Palota), egy szimulált holdbázist, amelyben nyolc egyetemi hallgató egy éven át élt a holdit szimuláló körülmények között. Az úgynevezett elutazhatnának űrhajósai, de útközben meglátogathatnának egy Hold körüli pályára telepítendő űrállomást. Kína tervei között is szerepel, hogy űrhajósai leszálljanak a Holdra. Mások a különböző országok és szervezetek munkájának összehangolásával létrehozandó „holdfaluról” álmodoznak. A realitások talaján álló tervektől a sci-fi világába illő ötletekig nincs tehát hiány az elképzelésekben, ezek közül néhányat összeállításunk következő cikkében ismerhetnek meg.

Nehéz lenne megjósolni, hogy a tervek megvalósításához szükség lesz-e űrhajósokra, vagy szertefoszlanak az ábrándok, kipukkad a Hold-lufi, és kutatásának következő fél évszázadában is az egyre okosabb automatákkal derítjük ki mindazt, amit még érdemes megtudni a Holdról. Erre vonatkozóan Martin Reest, Anglia királyi csillagászát idézzük, aki legújabb könyvében realistán ítéli meg az emberes űrrepülések jövőjét: „A robotok és a miniatürizálás fejlődésének minden egyes lépését követően egyre gyengébb lábakon állnak az emberes űrrepülések gyakorlati jelentősége mellett szóló érvek.”

Both Előd

Természet Világa