ŰrkutatásMagyar kísérletek a Nemzetközi Űrállomáson – Az ISS születésnapjára

Húsz éves a Nemzetközi Űrállomás. A születésnap nem teljesen egyértelmű, van, aki az első modul indítását, mások az első két elem összekapcsolását, vagy éppen az első állandó személyzet beköltözését tekintik a kezdő pillanatnak. Talán a Zvezda modul dokkolása volt a legfontosabb mérföldkő, ekkor vált ugyanis lakhatóvá az objektum. De nem is a pontos dátum fontos, az elmúlt két évtized során számos űrhajós számtalan kísérletet hajtott végre, ezek jelentős tudásanyaggal járultak hozzá az emberiség környező világról szerzett ismereteihez.

Az első űrutazások fő célja a hidegháborús erődemonstráció volt, de hamar megjelent az igény a világűrben végezhető tudományos célú kísérletezésre is. Erre az űrhajók szűkös belső tere és rövid üzemideje csak korlátozottan volt alkalmas. Hosszabb Föld körüli küldetésekhez szükségesnek tűnt állandó bázis pályára állítása, amely megfelelő méretű a folyamatos munkavégzéshez, és megfelelő infrastruktúrával rendelkezik a létfenntartáshoz. A szovjet Szojuz sorozat és az amerikai Skylab program is számos tudományos eredményt könyvelhet el. A két korábbi űrnagyhatalom viszonyának enyhülése, és további űrkutató szervezetek bekapcsolódása tette lehetővé az ezredforduló táján egy minden addiginál összetettebb állandóan lakható közösen épített és üzemeltetett űreszköz, a Nemzetközi Űrállomás (International Space Station – ISS) létrejöttét. Az első két modul az orosz Zarja majd az amerikai Unity 1998-ban állt pályára. 2000-ben a Zvezda lakómodul és a Z1 rácselem következett. Az év októberében érkezett az első személyzet, azóta folyamatosan lakott az állomás. A fedélzeten szolgálatot teljesítők munkája – amellett, hogy gondoskodniuk kell az állomás üzemeltetéséről és saját ellátásukról – a legkülönfélébb tudományos és technológiai kísérletek végrehajtása. Az űrállomáson végzett vizsgálatok kidolgozásában és a hozzájuk használt eszközök elkészítésében sok más nemzet mellett hazai intézetek és magyar kutatók is részt vettek. Az Űrkutatás Napja alkalmából múlt év októberében emlékeztek meg az ISS eddigi történetéről és főként a magyar hozzájárulásról a Magyar Asztronautikai Társaság konferenciáján. Cikkünkben az ott elhangzott előadásokból szemezgetünk a teljesség igénye nélkül.

Dozimetriai eszközök és mérések

Az űrbéli sugárzás titkainak feltárásával foglalkozó Űrdozimetriai Kutatócsoport elődje 1970-ben alakult, így túlzás nélkül állítható, hogy egyike azon csoportoknak, ahol a legrégebb óta foglalkoznak űrkutatással Magyarországon. Az eltelt közel 50 évben számos itt készült eszköz jutott geofizikai rakéták, műholdak, bolygóközi szondák, emberes űrhajók és űrállomások fedélzetén a világűrbe. A sokak által második űrkorszaknak tekintett jelenkorban fénykorát éli a csapat; az új fejlesztések mellett egy Űrtechnológiai Tesztlaboratóriumot is létrehoztak, ahol a küldetés során fellépő rendkívüli körülmények (vibráció, szélsőséges hőmérsékleti viszonyok vákuumban) szimulálhatók, ezáltal a kisebb űreszközök ellenálló képességét lehet vizsgálni. Fontosságát tekintve a sugárvédelem a világűrben kiemelt figyelmet érdemel. A földfelszín közelében bolygónk mágneses tere és légköre jelentős védelmet biztosít a Napból és a galaxisunkból érkező sugárzástól, habár még így is lejut valamennyi belőlük a talajszintig. Az ebből származó háttérsugárzás szintjéhez az élő szervezet alkalmazkodni tudott az evolúció során, de kilépve a bolygóközi térbe már nagyobb mértékű káros hatásokkal kell számolni. A kozmikus sugárzási tér igen összetett és változó, ezért ahhoz, hogy jobban megértsük azt és megfelelően tudjuk védeni az űrhajósokat időben és térben a lehető legtöbb módon méréseket kell végezni. A Nemzetközi Űrállomás eddigi 20 éves szolgálata alatt a legalkalmasabb platformnak bizonyult az ilyen típusú vizsgálatokhoz.

1. ábra. Charles Simonyi űrturista gyakorlott kezekkel végezte a méréseket a Pille dózismérő rendszerrel (Forrás: NASA)

Az Űrállomás fedélzetén elsőként 2001-ben, a Brados elnevezésű sugárbiológiai célú kísérletben vettek részt a kutatócsoport passzív – tehát energiaellátást nem igénylő – dózismérői, az Orosz Tudományos Akadémia Orvosbiológiai Problémák Intézetének (IBMP) meghívására. A biológiai minták mellett szilárdtest nyomdetektorokkal regisztrálták a sugárzás mértékét, majd az egy éves űrbéli kitettség után az orosz biológusok értékelték a sejtkárosodást a dózis függvényében. Még ugyanebben az évben az Űrállomás második legénysége magával vitte a Pille dózismérő rendszert, amely addigra már űr-kvalifikált műszer volt, hiszen korábban a Szaljut-6 és Szaljut-7 űrállomásokon is bevetették. A rendszer nagyjából egy tégla méretéhez és formájához hasonlatos kiolvasó egységét az első amerikai (Destiny) modulban helyezték el, a doziméter kulcsokkal pedig különböző időtartamú méréseket végzett Jim Voss amerikai űrhajós a DOSMAP nemzetközi kísérlet keretein belül. Az akkoriban kifejezetten kisméterűnek számító kiolvasó egység lehetővé tette, hogy a kulcsokat már a fedélzeten kiolvassák, így a dózisértékekről azonnal értesüljenek. A technológia érdekelte az orosz felet is, ezért a számukra készült cirill feliratos változatot 2003-ra már ők is felvihették és megkezdődhettek a dózistérképezési vizsgálatok. A keringő laboratóriumon végzett munkálatok közepette célszerűvé vált az űrsétát végző személyzetnek is gyorsan kiértékelhető dozimétert viselni, ezért el is kezdték rendszeresen hordani a Pille kulcsokat a szkafander zsebében. A műszer olyan jól vizsgázott, hogy a mai napig a szolgálati dozimetriai rendszer részét képezi és az amerikai űrsétákon is viselik. A Pille ismertségét a nagyközönség felé tovább növelte, hogy a magyar származású űrturista, Charles Simonyi 2007-es és 2009-es látogatása alkalmával is dolgozott vele.

2. ábra. A Zvezda modulban elhelyezett magyar fejlesztésű Tritel műszer a kozmikus sugárzási tér jobb megértését szolgálja (Forrás: Roscosmos)

Az Űrállomáson rendszeresen folynak a kozmikus sugárzás térbeli eloszlását és az emberi szervezetre való hatását vizsgáló nemzetközi kísérletsorozatok, melyek többségében a csoport dózismérői is részt vesznek. Mindemellett új, a tér három irányában érzékeny, aktív sugárzásmérő detektort is kifejlesztettek, amely 2012-ben debütált az Európai Űrügynökség Columbus modulban végrehajtott méréssorozatában. A Tritel elnevezésű detektor rendszert 2013 óta már az orosz Zvezda modulban használják a kozmonauták. Az újítások mellett nem került ki az érdeklődés homlokteréből a Pille, a dózismérő kulcsokat a kisebb önárnyékolás érdekében átalakították. Az említetteken túl az Űrdozimetriai Kutatócsoport egyéb érdekes kihívásokba is beleveti magát a közeljövőben, mint például a NASA Artemis missziója, melynek célja az Orion személyszállító űrhajó (többek között személyi dozimetriai szempontú) tesztje egy Hold körüli utazáson, valamint saját űridőjárás monitorozó műszert építenek egy kisműhold fedélzetére.

STRÁDI ANDREA

Magnetoszféra, ionoszféra és az űridőjárás

Az Obsztanovka projekt célja a földi magnetoszféra és ionoszféra változásainak kutatása, a naptevékenység valamint az extrém nagy fémtárgy (az 500 tonnás űrállomás) plazmára gyakorolt hatásának vizsgálata. A Nap aktív területeiről indulnak ki a flerek és a koronakidobódások. Hatalmas erejű robbanások során az elektromágneses energia különböző hullámhosszú sugárzások formájában távozik, ugyanakkor nagy energiájú protonok, elektronok és nehezebb részecskék is kidobódnak. A napszél a Napból kiinduló részecskék áramlása, amelybe beágyazódik a bolygóközi mágneses tér és együtt mozog a távozó plazmával. A napszél kölcsönhatásba lép a Föld mágneses terével és megváltoztatja a magnetoszféra és az ionoszféra tulajdonságait, ezeket a változásokat nevezzük űridőjárásnak.

3. ábra. 2015. márciusában egy erős napkitörés hatására keletkező sarki fény még Dobogókő felett is látható volt (Forrás: MTI)

1859-ben Richard Carrington amatőrcsillagász hozta kapcsolatba a Nap kifényesedését (napkitörés) a 14 órával később kezdődő földi mágneses viharral és a sarkoktól távolabb is megjelenő sarki fénnyel. Az űrviharok elektromos áramokat gerjesztenek az ionoszférában, amelyek másodlagos áramokat indukálnak a hosszú földfelszíni vezetékekben. Ezek az úgynevezett geomágnesesen keltett áramok komoly terhelést okoznak a villamos hálózatokban, például transzformátorok nemzetközi űrállomás orosz szegmensére. Két konténeregységében hat ország tizenegy detektora végezte a méréseket a Zvezda külső falán. Az ukrán fejlesztésű Combined Wave Sensor (CWS1, 2) mérte az ionoszféraban a mágneses térerő változásait nTesla, az áramokat pA és a potenciálokat nV tartományban. A lengyel fejlesztésű Radio Frequency Analyzer (RFA) az elektromos és mágneses mező időbeli és térbeli ingadozásait mérte a 100 kHz – 15,0 MHz frekvencia tartományban. A bolgár fejlesztésű Langmuir-probe (LP1, 2) egy gömb és az űrállomás teste közti áramot és potenciált mérte. A Digital Potentiometerek (DP1, 2) a ±100 Voltos tartományban mérték az ISS környezetében a potenciálváltozásokat.

4. ábra. A Zvezda-modul külső falára kerülő számítógép szerelés alatt. Kétféle megoldás is látható, amelyek jó hőelvezetést biztosítanak az áramköri kártyákon disszipált hő számára a doboz alaplapjához. (Forrás: Wigner FK)

A DFM fluxgate magnetométerek a mágneses tér nagyságát három irányban mérték ±60 mT tartományban, ≤1 nT felbontással. A DFM1-et Oroszország, a DFM2-t Ukrajna fejlesztette. A Correlating Electron Spectrograf (CORES) az ion- és elektron-koncentrációt mérte az űrállomás közelében 360 fokos térszögben 10 eV–10 keV tartományban (Egyesült Királyság). Magyarországon készült a jel-analizátor és mintavevő (Signal Analyzer and Sampler – SAS3) műszer az ELTE Űrkutató Csoportja és BL-Electronics Kft. részvételével. A SAS3 az űrállomás környezetében felismert és rögzített ELF-VLF frekvenciasávú hullámjelenségeket, például a whistlereket. A Wigner FK és az SGF Kft. fejlesztette az elosztott intelligenciájú vezérlő és adatgyűjtő számítógépes rendszert az Obsztanovka–1 műszeregyüttes számára. A három számítógépből álló rendszerből kettő az ISS külső falán lévő konténerben, míg a cserélhető háttértárolóval rendelkező az űrállomás belsejében volt. A számítógépek fejlesztése során mind az űrállomás öt elektronikus csatlakozójának jeleit, mind a tizenegy műszer hatféle adatfolyamát szimulálni kellett a tesztelések céljából. Erre készült egy földi ellenőrző berendezés, amely a cserélhető háttértárolók mérési adatainak kiolvasására is alkalmas.

5. ábra. Az Obsztanovka–1 vezérlő és adatgyűjtő számítógépeinek tesztelése a földi ellenőrző elrendezéssel a KFKI-ban (Forrás: Wigner FK)

Az űrállomás működése során a tudományos célú egységek adattovábbítási prioritását megelőzik az életműködést biztosító paraméterek, ezért a beltéri számítógép az Obsztanovka–1 félévnyi adatfolyamát cserélhető háttértárolóban rögzíti, ami a Földre juttatható. A háttértárolóban minden kísérlet számára 80 MB jutott, a fel nem használt tárhelyek naponta újra felosztásra kerültek. A mérési időpontok tárolásával a mérési hely 200 méteres pontossággal rekonstruálható. A számítógépek közti kapcsolat Ethernet hálózatra épült. A számítógépek, valamint a 11 műszer elektronikája a költségek csökkentése érdekében az első fázis céljának megfelelő ipari minősítésű alkatrészekből készültek. A világűrben a műszerekben keletkezett hőt megfelelő hőelvezetőkkel az űrállomás falához kellett juttatni. Mivel az egységek alkatrészei nem voltak sugárzásállók, a napszél és kozmikus sugárzások hatására degradálódtak és másfél év után működésük megszűnt. Az Obsztanovka–2 a második fázis, amely tervezése várhatóan 2020-ban kezdődik és ebben három új SAS3 műszer és a hozzá tartozó antennák kerülnek az ISS-re, egymástól távol elhelyezve. Így a négy mérőegység segítségével kimérhető lesz a VLF-hullámok frontja (3D-tomográfia).

SZALAI SÁNDOR

Biológiai minták az EXPOSE-R kísérletben

Az Európiai Űrügynökség megrendelésére, a Kayser-Threde által kifejlesztett és a Nemzetközi Űrállomás külső felületén telepített EXPOSE-berendezés olyan asztrobiológia kutatási témák számára kínált hosszútávú űrutazás során kísérleti lehetőséget, amikben az élet eredetét és fejlődését (például Fridlund et al. 2010), valamint az egyszerűbb életformák bolygóközi transzportját (Weber & Greenberg 1985; Nicholson 2009) tanulmányozzák. A kérdéseket árnyaltabban feltéve az élet keletkezésének problémájához hozzá kell fűzzük, hogy a vizsgálatot az ősi földi légkör összetételének tekintetbe vételével, valamint a teljes napspektrum jelenlétében kell végeznünk. Ez azt jelenti, hogy oxigénben és ezért ózonban szegény atmoszférára kell gondolnunk, és nem hanyagolhatjuk el a napspektrum rövid hullámhosszúságú komponenseinek jelenlétét sem. A napsugárzás intenzitása pedig – éppen a légkör abszorpciójának hiánya miatt – a jelenlegi földfelszíni intenzitást több nagyságrenddel múlta felül. Az életformák égitestek közötti transzportjának kérdése ugyan a XX. század elejétől élő pánspermia gondolatának modern formája, de ezen a lehetőségén túl azt a problémát is jelenti, hogy az űrutazások, űrszondák, általában az űrbe juttatott tárgyak, illetve az esetlegesen rajtuk lévő mikroorganizmusok nem fenyegetik-e a világűr mint környezet biztonságát.

6. ábra. EXPOSE-R szállításra és repülésre várva (Forrás: ESA)

Az EXPOSE kísérletekben, 2008 és 2015 között három misszió alkalmával biológiai és kémiai rendszereknek (szerves molekulák, makromolekulák, baktériumok, spórák) az ionizáló (kozmikus/részecskesugárzás) és nem-ionizáló (ultraviola) sugárzásra bekövetkező fotobiológiai folyamatait, életképességük változását illetve a sugárzásokból elszenvedett biológiai dózisát tanulmányozták. A magyar kísérlet a ROSE (Response of Organisms to Space Environment) konzorcium tagjaként a második misszióban, az EXPOSE-R platformon kapott helyet, amit az orosz Zvezda modul külső felületére telepítettek. A platform három tálcájában összesen kilenc kísérleti összeállítás szerepelt, valamennyi az elsődleges ROSE megnevezés mellett a biológiai mintákra utaló azonosítót is kapott. Mintáink az Intézetünkben több évtizeden át tanulmányozott T7 bakteriofág és polikristályos uracil voltak, ezekre utal a kísérletünk PUR (Phage and Uracil) elnevezése. A biológiai mintáinkat, a bakteriofágból kivont DNS-t és a polikristályos uracilt is vékonyréteg formájában alkalmaztuk. A rétegeket MgF2 hordozóra vákuumgőzöléses eljárással illetve centrifugálással vittük fel. A mintáink mechanikus sérülésektől védő, hermetikusan lezárható mintatartókba, az extraterresztriális ultraibolya sugárzást áteresztő MgF2 ablakok közé kerültek. Általánosan az összes kísérlet mintatartója hasonló kialakítású volt, különbséget a minták mérete, valamint a töltő gáz minősége jelentette. Ez utóbbi két kivételtől eltekintve semleges, nem oxidáló gáztöltet volt.

7. ábra. Telepített minták, a PUR mintatartó jelölve

A PUR kísérletben a mintáinkat négyes csoportokba rendezve, az extraterresztriális ultraibolya sugárzást különböző mértékben (százszorosan, tízezerszeresen, milliószorosan) gyengítő szűrők segítségével négy különböző intenzitású besugárzást értünk el. A besugárzott tizenhat minta alatti rekeszben, további tizenhat „sötét” kontroll minta is helyet kapott. Az EXPOSE-R missziója 2008 novemberétől a vártnál és eltervezettnél tovább, 2011. márciusáig tartott. A besugárzás csak 2009. márciusában kezdődhetett, és a kísérlet végéig a biológiai mintákat összesen 2687 órányi besugárzás érte, 16,7 GJ/m2 a teljes elektromágneses napspektrumból, 11 GJ/m2 az ultraibolya spektrumból (RedShift BVBA23/12/2011) és körülbelül 225-320 mGy dózis ionizáló sugárzásból (Berger et al. 2014, Rabbow et al. 2014). Ezek az értékek jelentősen meghaladták az eredeti időtartam szerint becsült és számított besugárzási szintet.A visszaérkezett uracil és T7 mintákat elsődlegesen abszorpciós spektrometriai analízisnek vetettük alá. Ezzel a kontroll minták „érintetlenségét” ellenőriztük, a besugárzott minták abszorpciós spektrumainak változásaiból pedig az elszenvedett biológiailag hatásos UV dózisra következtettünk. Emellett kvantitatív polimeráz láncreakció (QPCR) segítségével a T7 minták fág-DNS sérüléseinek közvetlen meghatározását is elvégeztük.

8. ábra. PUR mintatartó

A QPCR gyakorlatilag valamennyi DNS-sérülés detektálására képes, ezért különböző örökítőanyagot károsító hatások következményeinek mérésére is alkalmas. Ezek közé tartozik a széles spektrumú UV-hatás, de a gyakorlati alkalmazás más területeken is lehetséges, például genotoxikus vegyületek vagy ionizáló sugárzás hatásainak vizsgálatánál. Az elvégzett vizsgálatok néhány sejtésünket igazoltak, de meglepő eredmények is születtek. Az nem volt váratlan, hogy a gyengítés nélküli, teljes sugárintentenzitást elszenvedő minták gyakorlatilag tönkrementek. A kontroll mintákban viszont az ionizáló sugárzás nem tett kárt, ne feledjük azonban, hogy az ISS földközeli pályán kering. A gyengített UV-sugárzás hatására a mintáinkban megjelenő fotoproduktumok mennyisége és minősége is eltérően alakult eddigi ismereteinkhez képest. A már kialakult sérülések (jellemzően dimerek) száma a DNS-ben egyre nagyobb és nagyobb. Ahogy nő ez a szám, úgy nőhet meg annak a valószínűsége, hogy az újabb fotont ne ép, hanem károsodott (dimer formában lévő) bázisok nyeljék el. Ilyenkor előfordul, hogy a kötések ismételt átrendeződése az eredeti, energetikailag igen stabil állapot visszaállítására vezet. Ez a fotoreverzió lehetőséget teremthet arra, hogy a DNS átvészeljen egy akár hosszabb interplanetáris utazást is.

BÉRCES ATTILA – RONTÓ GYÖRGYI

Habképződés és stabilitás vizsgálata mikrogravitációban

A habok mind tudományos, mind technikai szempontból rendkívül érdekes képződmények. Elég csak a kávénk tetején úszó tejhabra gondolni, ami képes szilárd anyagként viselkedni, holott alkotóelemei gázbuborékok és folyadékhártyák. Ha a gáz mennyisége bőven meghaladja az anyagban lévő második fázis (szilárd, vagy folyadék) mennyiségét, és ez a gáz diszperz módon van jelen, olyankor beszélhetünk habokról. Sokféle iparágban – élelmiszeripar, vegyipar, építőipar, közlekedés, bútorgyártás, repülőgép-űripar – használjuk őket szerkezeti, és/vagy funkcionális anyagként, és természetesen előfordulnak mindennapjainkban is. A FOCUS (FOam Casting and Utilisation in Space, későbbi nevén FOAM CASTING) technológiai kísérlet a habnövekedés dinamikáját és a habok stabilitását vizsgálta mikrogravitációs környezetben. Kísérletünk egyben technológiai demonstráció is volt, melyben megmutattuk, hogy az ADMATIS Kft. által kifejlesztett habgenerátor képes részecske-stabilizált habok előállítására űr-körülmények között.

9. ábra. A FOCUS berendezés a Columbus űrmodul földi modelljében, a kísérlet végső ellenőrzésekor 2009 novemberében (Forrás: ADMATIS Kft.)

A modell-anyagként használt vizes szuszpenzióból hasonló mechanizmussal keletkezik hab, mint az alumínium habok esetében: a gázbuborékok közötti folyadékhártyákat felületaktív anyag helyett a bennük lévő szilárd részecskék stabilizálják a határfelületi erőknek köszönhetően. Kísérletünkben a mikro- és normál gravitációban létrehozott habok fejlődését hasonlítottuk össze. A habosító berendezés három hengert tartalmazott, melyekben különböző előre beállított technológiai paraméterekkel lehetett habot előállítani. A berendezést az űrhajósnak kellett kézzel be – illetve kikapcsolni, megfelelő időzítéssel. A keletkező habokról sorozatfelvétel készült. A bő háromórás űrkísérletet 2010. február 7.-én végezte el az ISS Columbus moduljában Jeffrey Williams amerikai űrhajós. A földi referencia kísérleteket 2010 nyarán hajtottuk végre. Legfontosabb eredményünk az volt, hogy sikerült elérnünk fő célunkat, a habgenerátor működőképességének bizonyítását mikrogravitációban. Ezen felül a kiértékelés egyaránt hozott várt és meglepő eredményeket is.

10. ábra. A kísérlet végrehajtásáért felelős csapat az ESA USOC (User Support and Operations Centre) központjában, Noordwijkban (Forrás: ADMATIS Kft.)

Azonos körülmények között, azonos technológiai paraméterek mellett (habosító nyomás, gázáram, hőmérséklet, stb.) a legnagyobb habtérfogatot mikrogravitációban sikerült elérni, ami egybevág más kísérletek eredményeivel is (például ESA – Foam Stability Experiment). Érdekes módon viszont a hab stabilitása nem növekedett a gravitáció csökkentésével. Alumíniumhabok vizsgálata során is hasonló eredményre jutott Moreno, Mukherjee, Banhart és Jimenez a MASER-11 rakéta fedélzetén végrehajtott rövid időtartamú mikrogravitációs kísérletben (2008. május). Ez a jelenség azzal magyarázható, hogy a hab cellafalainak stabilitásában elsősorban a határfelületi erőknek köszönhető részecske-elrendeződések a felelősek, ami független a gravitációtól. A Nemzetközi Űrállomás kiváló eszköz a hosszú időtartamú mikrogravitációs környezet vizsgálatára, melynek eléréséhez az ESA SURE pályázata és a MŰI nagyon nagy segítséget nyújtott. Az ADMATIS Kft. részben a FOCUS-kísérlet sikerére alapozva orientálódott az űripar, és azon belül a műholdgyártás felé. A FOCUS-berendezés pedig egy olyan kísérleti platform, amely a jövőben is újra felhasználható akár más űr-anyagtudományi kísérletek elvégzésére is.

SOMOSVÁRI BÉLA

Természet Világa