Heras CubeSat for at udføre den første radarsonde af en asteroide

Lille nok til at være en flyhåndbagage, Juventas rumfartøjet har ikke desto mindre store missionsmål. En gang i kredsløb om sit mållegeme, Juventas vil udfolde en antenne, der er større end sig selv, at udføre den allerførste underjordiske radarundersøgelse af en asteroide.

ESA's foreslåede Hera-mission til planetarisk forsvar vil udforske de to Didymos-asteroider, men det vil ikke gå der alene:det vil også tjene som moderskib for Europas første to 'CubeSats', der rejser ud i det dybe rum.

CubeSats er missioner i nanosatellitklassen baseret på standardiserede 10 cm kasser, maksimal udnyttelse af kommercielle hyldesystemer. Juventas vil være en '6-enheder' CubeSat, udvalgt til at flyve ombord på Hera sammen med den tilsvarende størrelse APEX Asteroid Prospection Explorer, bygget af et svensk-finsk-tysk-tjekkisk konsortium.

Juventas – det romerske navn for Heras datter – udvikles til ESA af GomSpace-virksomheden og GMV i Rumænien, sammen med konsortier af yderligere partnere, der udvikler rumfartøjsinstrumenterne.

"Vi pakker en masse kompleksitet ind i missionen, " bemærker GomSpace systemingeniør Hannah Goldberg. "En af de største misforståelser om CubeSats er, at de er enkle, men vi har alle de samme systemer som et rumfartøj i standardstørrelse.

"Et andet ry for CubeSats er, at de ikke gør så meget, men vi har flere missionsmål i løbet af vores månedlange mission omkring den mindre Didymos-asteroide. En af vores CubeSat-enheder er dedikeret til vores lavfrekvente radarinstrument, som vil være den første inden for asteroidevidenskab."

Juventas vil opsætte halvanden meter lang radarantenne, som vil folde sig ud som et målebånd, og er udviklet af Astronika i Polen. Dette instrument er baseret på arven fra CONSERT-radaren, der fløj på ESA's Rosetta-kometjager, overvåget af Alain Herique fra Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (IPAG).

Radarsignalerne skal nå hundrede meter ned, giver indsigt i asteroidens indre struktur. "Er det en murbrokker, eller noget mere lagdelt, eller monolitisk?" tilføjer Hannah, som tidligere har arbejdet hos asteroide-mineselskabet Planetary Resources, før han flyttede til GomSpace.

"Dette er den slags information, der vil være afgørende for fremtidige minemissioner, at vurdere, hvor ressourcerne er, hvor blandede de er, og hvor meget indsats der kræves for at udvinde dem."

ESA radarspecialist Christopher Buck har arbejdet på instrumentdesignet med IPAG:"Vores radarinstruments størrelse og kraft er meget lavere end tidligere missioner, så det, vi gør, er at bruge en pseudo-tilfældig kodesekvens i signalerne – tænk på det som et fattigmandsalternativ. Navigationssatellitter bruger en sammenlignelig teknik, giver modtagerne mulighed for at kompensere for deres meget lave effekt.

"Vi sender en række signaler med konstant skiftende signalfase, så opbygger vi gradvist et billede ved at korrelere refleksionerne af disse signaler, bruger deres faseskift som vores guide. En grund til, at vi er i stand til at gøre dette, er, at vi vil kredse omkring asteroiden relativt langsomt, i størrelsesordenen nogle få centimeter i sekundet, giver os længere integrationstider sammenlignet med kredsløb omkring Jorden eller andre planeter."

Teknologien beviste sig selv med Rosetta, hvor CONSERT-radaren kiggede dybt ind i kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko og hjalp med at lokalisere Philae-landeren på kometens overflade. Juventas bruger en mere kompakt 'monostatisk' version af designet.

Mens Juventas kredser, CubeSat vil også indsamle data om asteroidens tyngdefelt ved hjælp af både et dedikeret 3-akset 'gravimeter' – først udviklet af Royal Observatory of Belgium til Japans foreslåede Martian Moons udforskningsmission – såvel som dens radioforbindelse tilbage til Hera, måling af enhver Doppler-forskydning af kommunikationssignaler forårsaget af dens nærhed til kroppen.

"Men missionen er designet til at fungere med minimal kontakt med moderskibet og jorden, opererer selvstændigt i dagevis, " siger Hannah.

"Dette er en stor forskel fra Jordens kredsløb, hvor kommunikation er meget enklere og hyppigere. Så vi vil flyve i det, der kaldes en 'selvstabiliserende terminatorbane' omkring asteroiden, vinkelret på solen, kræver minimal stationsmanøvrering."

Den sidste fase af missionen vil komme med et præcist kontrolleret forsøg på at lande på asteroiden.

"Vi vil have gyroskoper og accelerometre ombord, så vi vil fange kraften i vores påvirkning, og enhver efterfølgende hoppe, at få indsigt i asteroidens overfladeegenskaber – selvom vi ikke ved, hvor godt Juventas vil fortsætte med at operere, når den endelig lander. Hvis vi er i stand til at fungere efter påvirkningen, vi vil fortsætte med at tage lokale gravitationsfeltmålinger fra asteroideoverfladen."

Hera missionen, inklusive dens to CubeSats, vil blive præsenteret for ESA's Space19+ møde i november, hvor Europas rumministre vil tage en endelig beslutning om at flyve missionen.