Misja Voyagerów. Kosmiczne pomniki i wizytówki ludzkości

46 lat od startu sondy Voyager 1 i Voyager 2 ciągle działają. Pracują znacznie dłużej niż pierwotnie planowano, a NASA dokonuje cudów, aby – mimo upływu lat i ogromnych odległości – utrzymać w sprawności przynajmniej niektóre moduły obu urządzeń. Niestety, jeden z nich zaczął niedawno szwankować. Co wiemy o sondach Voyager i jakie jest ich zadanie?

Jak zacząć pracę w NASA? Kilka lat temu poszukując pracowników Agencja przedstawiła dość niestandardowe wymagania.

Lista wymagań w postaci znajomości asemblera, języków programowania COBOL, Fortran i ALGOL wydawała się skierowana do kogoś o wiedzy i zainteresowaniach odpowiednich raczej dla kustosza muzeum oprogramowania niż pracownika agencji, której ambicją jest sięganie gwiazd.

Wakat, który w 2016 roku zamierzała obsadzić NASA, wymagał jednak szczególnych kwalifikacji – nowy pracownik miał bowiem zastąpić odchodzącego na emeryturę weterana, 80-letniego Larry’ego Zottarelli. Był to ostatni członek pierwotnego zespołu, który w 1977 roku wysłał w przestrzeń kosmiczną sondy Voyager 2 i 1 (w takiej właśnie kolejności), a potem przez 40 lat nadzorował ich działanie.

Opieka sędziwego pracownika sprawiła, że długie dziesięciolecia po pierwotnie planowanym zakończeniu misji sondy Voyager nie tylko zachowały sprawność, ale dostarczały wiedzy o coraz odleglejszych zakątkach Układu Słonecznego, a po jego opuszczeniu – przestrzeni międzygwiezdnej.

Przez dekady eksploracji kosmosu ludzkość wysłała dziesiątki sond kosmicznych, od tych badających najbliższe okolice pokroju Księżyca czy Marsa, po długodystansowych podróżników, odkrywających – jak sonda New Horizons – sekrety Plutona, Pasa Kuipera i dalszych zakątków Układu Słonecznego.

Spośród licznych sond tylko kilka oddaliło się od Ziemi na tyle daleko, by opuścić macierzysty układ gwiezdny. Od 2006 roku działa – i przesyła bezcenne dane – sonda New Horizons. Ponad 20 lat temu zamilkły, po wykonaniu swojego zadanie, dryfujące gdzieś w przestrzeni międzygwiezdnej sondy Pioneer 10 i 11.

Poza tą trójką od 46 lat przemierzające kosmos – i ciągle przesyłają na Ziemię wyniki pomiarów – sondy Voyager 1 i Voyager 2. To kosmiczni rekordziści. Voyagery to obecnie najdalej od Ziemi oddalone obiekty zbudowane przez człowieka, a jednocześnie prawdziwy cud inżynierii, działający nieprzerwanie przez niemal pół wieku w skrajnie nieprzyjaznych warunkach.

Sukces misji Voyagerów to nie przypadek. Rekordowy dystans jaki sondy pokonały do tej pory to zasługa asyst grawitacyjnych – pomysłowej metody na rozpędzanie obiektów w kosmosie, polegającej na wykorzystaniu grawitacji napotykanych po drodze planet. Wymagało to takiego zaplanowania misji, by po zbadaniu jednego kosmicznego obiektu, móc – zużywając możliwie mało energii - skierować się w kierunku kolejnego.

W przypadku Voyagerów oznaczało to bardzo wąskie okno czasowe, ograniczone z jednej strony dostępem ludzkości do odpowiednio zaawansowanej technologii, a z drugiej wzajemnym ułożeniem planet pozwalającym na serię manewrów, umożliwiających rozpędzenie sond. 

Szansa na taką misję była tylko jedna – na sprzyjające warunki do kolejnej musimy poczekać do 2153 roku. W rezultacie Voyager 1 jest obecnie oddalony od Ziemi o 162 au (jednostka astronomiczna – średnia odległość od Ziemi do Słońca), czyli ponad 24 mld kilometrów, a Voyager 2 o ponad 134 au. 

Tak wielki dystans rodzi problemy komunikacyjne – sygnał radiowy wysłany przez Voyagera dociera do Ziemi po ponad 22 godzinach, pokonując drogę w drugą stronę w podobnym czasie. 

Oznacza to, że reakcję z Ziemi na przekazane dane, Voyager otrzyma niemal dwie doby po ich wysłaniu. Sama komunikacja odbywa się z żółwią prędkością. W przypadku danych telemetrycznych do Ziemi dociera 160-600 bitów na sekundę, ale kod oprogramowania i komendy trafiają do Voyagera z prędkością 40 bitów na sekundę. To o wiele rzędów wielkości mniej od współczesnych standardów transmisji. 

To zarazem jedna z przyczyn, dla których obsługa Voyagerów wymaga znajomości kodu maszynowego i niskopoziomowych języków programowania, pozwalających na maksymalne ograniczenie objętości przesyłanych danych. Nawet bez tego programiści odpowiedzialni za oprogramowanie sond są mocno ograniczeni pojemnością ich pamięci, wynoszącą około 70 kB. 

Niestety, nawet najlepiej zaprojektowane i zdublowane wyposażenie może z czasem szwankować. W przypadku obu Voyagerów zdarzało się to już wiele razy, a ostatnie poprawki oprogramowania przesłano do Voyagera 2 pod koniec października.

Obecnie NASA musi borykać się z kolejnym wyzwaniem. Jak podała Agencja, Voyager 1 zamiast uporządkowanych danych zaczął transmitować "cyfrowy bełkot". Odpowiadają za to dwa układy: FDS (ang. flight data system), odpowiedzialny za zbieranie wszelkich generowanych przez sondę danych i ich kompresję, oraz TMU (ang. telemetry modulation unit), odpowiedzialny za przesłanie danych na Ziemię.

Zdaniem NASA przerwana została komunikacja pomiędzy FDS i TMU, czego skutkiem jest wysyłanie przez sondę powtarzalnego ciągu przypadkowych danych. Wdrożenie standardowego w przypadku sprzętu komputerowego programu naprawczego – czyli wyłączenie i włączenie obu układów – nie przyniosło rezultatu. Według NASA opracowanie rozwiązania, które przywróci sprawność Voyagera 1, może zająć długie tygodnie. 

Nawet jeśli następcy Larry’ego Zottarelli poradzą sobie z tym wyzwaniem, los Voyagerów jest już przesądzony.

Sondy Voyager mimo upływu lat ciągle działają, jednak ich wypełnione radioaktywnym plutonem radioizotopowe generatory termoelektryczne, działające nieprzerwanie bez zewnętrznej ingerencji od 46 lat – dostarczają coraz mniej energii. Okres połowicznego rozpadu plutonu-238 wynosi 87,7 lat.

Choć NASA dokonuje cudów w zakresie oszczędności energii wyłączając stopniowo poszczególne elementy sond, w końcu prądu zabraknie nawet do obsługi komunikacji. Obecne szacunki wskazują, że nastąpi to około 2030 roku.

Sondy będą wówczas miały po 63 lata, a wśród żyjących najprawdopodobniej nie będzie nikogo z pierwotnego zespołu, który odpowiadał za wysłanie w kosmos Voyagerów. Zerwanie komunikacji nie będzie jednak oznaczało końca misji, bo sondy Voyager stanowią kosmiczną wizytówką naszego gatunku.

Obie sondy przenoszą bowiem płyty Voyager Golden Record – 12-calowe dyski zawierające przygotowane przez Carla Sagana i jego zespół 2-godzinne nagranie dźwięków i zdjęcia, reprezentujące Ziemię i jej mieszkańców, a także informacje o Układzie Słonecznym, naszej lokalizacji w galaktyce, i ludzkiej anatomii.

Choć obecnie – zgodnie z tzw. teorią ciemnego lasu – nie brak głosów krytycznych, uznających próby nawiązania kontaktu z obcymi cywilizacjami za skrajnie nieodpowiedzialne, Voyagery będą niosły przesłanie od Ziemian przez kolejne tysiące lat. Jak długo?

O ile nie zaliczą kolizji z jakimś kosmicznym obiektem, bombardowanie obu dysków cząsteczkami kosmicznego pyłu zdegraduje ich powierzchnię w ciągu kilkuset lat, jednak odczytanie danych będzie możliwe znacznie dłużej. Jak szacuje NASA, płyta niesione przez Voyagera 1 zachowa swoje dane dłużej niż ta z Voyagera 2 i będzie częściowo czytelna nawet po 5 mld lat.

To więcej, niż aktualnie szacowany wiek Ziemi. Co w tym czasie stanie się z rozumnym gatunkiem, który wysłał Voyagery w tak daleką podróż? Kto odnajdzie wysłane w 1977 roku sondy kosmiczne? I co zrobi z niesioną przez nie wiedzą?

Odległa przyszłość Voyagerów to jeden wielki znak zapytania, jednak możemy być pewni, że obie sondy przetrwają znacznie dłużej, niż ostatni ludzie pamiętający moment, gdy na pokładach rakiet Titan 3E, w module Centaur rozpoczęły swoją wyjątkową misję.