Revista >> Decembrie 2018 [Nr. 210] >> Cover Story

Laboratorul de Plasmă Spațială și Magnetometrie al ISS, înscris pe o nouă orbită de dezvoltare

Alexandru Batali

12 Decembrie 2018

Laboratorul de Plasmă Spațială și Magnetometrie (LPSM) din cadrul Institutului de Științe Spațiale (ISS) se plasează în ultimii ani pe un curs științific ascendent, facilitat de atingerea unei mase critice de competențe, dezvoltate pe mai multe componente. În primul rând este vorba de expertiza de înalt nivel acumulată în proiecte naționale și internaționale de cercetare. La ora actuală laboratorul acoperă o mare varietate de nişe în domeniu: analiză de date, simulări numerice, dezvoltare de software, dezvoltare de hardware îmbarcabil - aspect unic în România și rar întâlnit pe plan european. Ajunsă la maturitate şi la o structură stabilă, echipa LPSM creează ştiinţă de calitate, cuantificată prin tezele de doctorat finalizate și prin articolele publicate, ce prezintă elemente de noutate şi originalitate, apreciate şi chiar premiate de comunitatea internațională. Concomitent, echipele acestui laborator de referință al ISS câştigă contracte de cercetare în mod sistematic şi sunt implicate în programe de cercetare şi colaborări internaţionale de prim-plan. În cadrul acestui cover story descoperim povestea formării și ascensiunii grupului și încercăm totodată să restituim o imagine cât mai clară a complexității domeniului, a activităților și proiectelor în care sunt implicați în prezent cercetătorii din cadrul LPSM.

Începuturile
Primele cercetări din sfera specifică de activitate au fost o consecință firească a participării țării noastre la experimentele spaţiale derulate în anii ’80 de organizația interguvernamentală Intercosmos. În perioada 1978-1990, în cadrul programului Intercosmos, pe Platforma de Fizică de la Măgurele au fost concepute și realizate o serie de magnetometre spaţiale, instrumente dedicate măsurării câmpului magnetic în spaţiul cosmic. Echipa fomată inițial din Eli Katz, Marin Sâmpăleanu, Mircea Ciobanu (electronică) şi Sergiu Marchidan (mecanică) a realizat un prim prototip, magnetrometrul SGR-1. Aparatul măsura valori ale câmpului magnetic între -60000 şi + 60000 nT, cu o rezoluție ridicată (12.5 nT echivalent cu ~ 13 biți) și a fost amplasat pe satelitul IK-18 (MAGIK), lansat cu succes în anul 1978. El a livrat date experimentale timp de doi ani, fiind considerat primul pas (la nivelul programului internațional Intercosmos) pentru măsurarea vectorială a inducției magnetice terestre cu o rezoluție foarte înaltă.
Dr. ing. Mircea Ciobanu, în prezent decanul de vârstă al LPSM, îşi aminteşte de modul în care au fost scrise începuturile, marcate de contextul istoric al Războiului Rece: „În urmă cu aproximativ 40 de ani am început să colaborăm cu Institutul Magnetismului Terestru din Moscova, fără să ştim că exista o concurenţă acerbă între ruşi şi americani privind măsurarea câmpului magnetic al pământului. Pe vremea aceea nu existau GPS-uri, navigaţia spaţială se făcea pe baza câmpului magnetic, magnetometrul fiind instrumentul de precizie number one. Ruşii considerau că americanii aveau echipamente mult mai avansate şi doreau să reducă decalajul prin implicarea specialiştilor de vârf din ţările aflate sub influenţa lor. Astfel, cunoscând valoarea cercetătorilor de pe platforma Măgurele, au solicitat României să contribuie la un experiment de măsurare de înaltă precizie a câmpului geomagnetic. Am realizat un model experimental care a fost mai bun decât cel conceput de sovietici. Magnetometrul nostru a fost dus la cel mai bun centru de cercetări din Uniunea Sovietică, Institutul Unional de Metrologie din Leningrad, şi nu a putut fi testat: performanţele sale depăşeau capacitatea lor de testare… Ulterior, la distanţă de 1 an, am venit cu o variantă superioară, ce avea o rezoluţie de 16 ori mai mare. Ruşii au găsit instantaneu satelit pe care să fie testat şi a funcţionat fără greş. În lagărul socialist, noi am făcut primele magnetometre de rezoluţie înaltă, la doar 1 an de la realizarea în lume a primului aparat de acest tip”.
Performanţele deosebite ale magnetometrului SGR-1 au generat noi solicitări de construire de magnetometre cu precizie din ce în ce mai mare. În 1982, specialiştii de pe platforma Măgurele au folosit unul dintre cele mai performante traductoare rusești, cu un grad mare de stabilitate, pentru construirea modelului SGR-2, instalat pe satelitul IK-20, şi ulterior modelul SGR-3, instalat pe satelitul IK-21.
„Aceste experimente spaţiale de succes au deschis drumul unor noi colaborări, România fiind solicitată de Institutul de Fizică a Atmosferei din Praga pentru a prelua integral măsurarea inducţiei magnetice terestre pentru o nouă generaţie de minisateliți, numiţi MAGION”, povestește dr. ing. Mircea Ciobanu. „Am realizat astfel 3 tipuri de magnetometre pentru cehi: variometrul monoaxial SG-R6, magnetometrul triaxial SG-R7, magetometrul triaxial SG-R8. Toate magnetometrele spaţiale concepute şi construite în România au atins un nivel științific şi tehnic foarte înalt, comparabil cu modelele cele mai avanste pe plan mondial dezvoltate în epoca respectivă. Ne-am dorit însă să trecem la un nivel superior, prin prelucrarea în ţară a datelor transmise de aceste aparate, lucru posibil prin creşterea unei generaţii de specialişti în acest domeniu. În acest sens, spre sfârșitul anilor ’80 şi începutul anilor ’90 am atras în această iniţiativă patru tineri absolvenţi ai Facultăţii de Fizică, fiecare primind misiunea de a prelucra datelele unui minisatelit. Transformarea datelor din înregistrări pe benzi magnetice în fișiere binare pregătite pentru analiza științifică cu ajutorul computerului a fost o provocare întrucât domeniul era cu totul nou pentru România. În jurul grupului format s-a cristalizat mai târziu Laboratorul de plasmă spaţială şi magnetometrie. Treptat, membrii săi au început să scrie articole şi să fie recunoscuţi pe plan mondial drept parteneri de înaltă calitate ştiinţifică”.
Unul dintre cei patru tineri în jurul cărora s-a agregat LPSM este dr. Marius Echim, în prezent şeful acestui laborator. Dr. Marius Echim a fost unul dintre pionierii laboratorului şi totodată ai domeniului, unul foarte tânăr în lume, ce a generat primele studii de plasmă spaţială de abia în perioada 1994-1997. „Aflaţi la începuturile dezvoltării domeniului şi fascinaţi de ideea explorării cosmice, am avut multă libertate de iniţiativă şi am putut alege subiectul de fizică spațială în care să ne specializăm… Pe de altă parte, nu a fost însă uşor să descifrăm ce ne spun datele primite de pe sateliţi, nu aveam asigurată o pregătire de specialitate din facultate şi nici acces la literatură științifică în domeniu, şi a trecut un timp relativ îndelungat până am reușit să învățăm „abecedarul” fizicii plasmelor spațiale și interacțiilor solar-terestre. Câmpul magnetic terestru este un parametru critic care fluctuează permanent din cauza interacţiei dintre atmosfera ultra-înaltă și total ionizată (magnetosfera) cu vântul solar (plasma de origine solară). Prima noastră provocare legată de analiza datelor de magnetometrie a fost aceea de a înţelege ce ne spun aceste date despre cum reacţionează plasma circumterestră la variabilitatea din vântul solar”.

Investigatorul principal al experimentelor de magnetometrie, dr. Mircea Ciobanu, a coordonat activitățile de analiză a datelor sateliţilor și alături de tinerii pe care îi forma a obţinut un prim rezultat original, prin elaborarea unui catalog de evenimente aurorale, o sinteză a observațiilor magnetometrelor românești în regiunile polare. Evenimentele catalogate reprezentau o amprentă magnetică a aurorelor boreale. A fost un prim pas important în direcția creării unor competențe locale pentru studiul plasmei circumterestre, ce a permis României să participe în 1996, în premieră, la reuniuni științifice internaționale dedicate spațiului cosmic (European Geophysical Society, Hamburg, şi COSPAR, la Birmingham) cu rezultate originale, rod al cercetărilor efectuate în țară.
„Plecând de la aceste cataloage am reuşit să studiem în premieră o anumită configuraţie (ovalul dublu) a aurolelor boreale, reuşind să devenim vizibili în comunitatea internaţională prin calitatea datelor experimentale, a fenomenelor surprinse. În 1997 am publicat primul nostru articol științific într-un jurnal internaţional de prestigiu. Articolul a fost rodul unor eforturi ce s-au întins pe 3 ani, a fost unul dintre primele fructe ştiinţifice care ne-au permis să facem pasul de la procesarea datelor de magnetometrie la înţelegerea lor din punct de vedere al fizicii, al fenomenologiei”, subliniază şeful LPSM.

Tranziţia
Ulterior, pornind de la aceste realizări, reprezentanţii noii generaţii de specialişti au avut ocazia să se dezvolte prin lucrări de doctorat cu tematici de plasmă spațială, elaborate şi susţinute preponderent la universităţi de prestigiu din străinătate (2002-2008). Au intrat în legătură cu colective de experţi şi au avut acces şi la date de la alte misiuni spaţiale, precum misiunea americană FAST (dr. Octav Marghitu), misiunea europeană CLUSTER (dr. Adrian Blagău, dr. Dragoș Constantinescu). S-au abordat subiecte noi de fizică a plasmelor spaţiale, cum ar fi modelarea Vlasov cu aplicaţii în fizica magnetopauzei, fizica aurorală, interacții solar-terestre. În paralel s-au făcut simulări numerice în plasme spațiale (dr. Horia Comisel), studii de instabilități și de unde în plasme spaţiale, turbulență și intermitență. Dr. Marius Echim a aprofundat partea de modelare, de înţelegere a mecanismelor fizice, în încercarea de a găsi ecuaţii matematice apte să descrie fenomenologia observată: „Am descoperit un efect legat de crearea unui anumit tip de câmp electric în plasmele spaţiale atunci când acestea intră cu viteză foarte mare într-un câmp magnetic static. În teza de doctorat am reuşit să calculez cât de intens este câmpul electric creat în timpul unui eveniment de pătrundere a unui vânt solar de viteză foarte mare într-un scut magnetic. Plecând de la lucrările de doctorat, un pas superior evolutiv a fost făcut odata cu publicarea, împreună cu colegii mei, în reviste prestigioase din domeniu: Journal of Geophysical Research, Physical Review E, Geophysical Research Letters, Astrophysical Journal Letters şi Astrophysical Journal”, afirmă şeful LPSM.

Prezentul
Între timp România evoluează într-un alt context. A devenit membru al Agenției Spațiale Europene (ESA), iar această apartenenţă oferă cercetătorilor din LPSM un acces mai larg la baze de date colectate de sateliţii agenţiei europene. De asemenea, cercetătorii Laboratorului sunt membri în Uniunea Europeană de Geofizică şi în Uniunea Americană de Geofizică, cele mai importante asociaţii profesionale din domeniu. Aceste noi deschideri au consolidat competențele laboratorului ISS şi i-au permis să acopere o serie de nişe ştiinţifice cu potenţial ridicat.
„Pe partea de analiză de date culese in situ de sateliţi, avem un pol de competență naţional şi internaţional, fiind capabili să înţelegem ce spun aceste date, să le interpretăm. Am evoluat în domeniul cercetării aurolelor boreale valorificând datele provenite de la sateliţi de orbită joasă. Suntem implicați, prin dr. Octav Marghitu, dr. Adrian Blagău și dr. Costel Bunescu, în exploatarea științifică a datelor misiunii SWARM, lansată de ESA în 2013 cu scopul de a explora variaţiile spaţiale şi temporale ale câmpului geomagnetic. În timp am evoluat spre studiul variabilităţii magnetice şi electrice în mediul cirucmplanetar și planetar (de exemplu Venus) şi avem o linie de expertiză în domeniul turbulenței plasmelor cosmice. Pe această componentă am avut ocazia să fim implicaţi în proiectul european STORM- Solar System plasma turbulence: Observations, inteRmittency and Multifractals, finanţat de Uniunea Europeană printr-un proiect de tip FP7. În acest proiect ne-am asumat responsabilităţi legate de analiza datelor din vântul solar şi din magnetosfera terestră, o menționez pe dr. Eliza Teodorescu, şi în direcţia dezvoltării unui software pentru analiza datelor - o bibliotecă integrată accesibilă cercetătorilor, care le permite să vizualizeze şi să analizeze date transmise de sateliţi, realizată cu entuziasm de dr. Costel Munteanu în colaborare cu membri ai LPSM, dar și experți din institute partenere din Ungaria, Belgia, Italia, Finlanda, Polonia și Statele Unite”, completează dr. Marius Echim.

O altă nişă de competențe a laboratorului este legată de activitatea de simulări numerice. Din nevoia de a înţelege exact fenomenele a căror amprentă este parțial captată de măsurări in situ, LPSM realizează modele experimentale şi, prin efortul unor cercetători extrem de competenți, precum dr. Gabriel Voitcu și dr. Horia Comisel, dispune de programe de calcul ce permit efectuarea unor experimente numerice (folosind de exemplu metodica Particle-in-Cell) performante, care reproduc configurații reale din spațiul cosmic. Aceste exprimente sunt complementare activității de analiză a datelor pentru că oferă posibilitatea de a verifica predicțiile teoretice în condiții care nu sunt accesibile sondelor spațiale. Cercetători din LPSM, ca de exemplu dr. Dragoș Constantinescu, sunt experţi de nivel mondial pe partea de calibrare on-line a datelor primare ale sateliţilor aflaţi în zbor. Aceasta este o activitate extrem de importantă întrucât «traduce» datele din limbajul specific aparatului experimental în numere cu semnificaţie fizică, pregatite pentru analiza și interpretarea științifică.
După anul 2000, laboratorul ISS a reînnodat şi firul activităților experimentale și contribuie la dezvoltarea unor noi tehnologii spaţiale. Sub indrumarea dr. Mircea Ciobanu, membrii laboratorului propun un nou tip de detector pentru particule încărcate electric. În acelaşi timp, există în derulare şi proiecte care se constituie în linii noi de cercetare şi în care cercetătorii ISS încearcă să-şi lărgească spectul de competențe, prin construirea, de exemplu, de software îmbarcabil pe sateliţi (sub coordonarea dr. Marius Echim) sau derulează activități de monitorizare a fenomenelor de meteorologie spațială (drd. Vlad Constantinescu).
„Natura cercetărilor noastre este fundamentală, dar încercăm să facem pasul şi către aplicaţii. În ultimul timp am încercat să valorificăm experienţa noastră în domeniul analizei de date, prin construirea unui program software (o colecţie de metodici de analiză a datelor) menit să lucreze autonom la bordul sateliţilor şi să proceseze datele în spațiu. Împreună cu specialiști în microelectronică de la Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca am realizat și un prim prototip de laborator, care a răspuns foarte bine la teste. Motivația acestor activități vine din faptul că în prezent, o parte din volumul de date colectat în spațiu de sateliți, nu poate fi transmis pe Pământ din cauza limitărilor inerente telecomunicațiilor spațiale şi în consecinţă este pierdut. Iniţiativa noastră va fi un remediu pentru rezolvarea aceastei probleme”, explică liderul echipei LPSM.

Perspectiva
Ce își propune LPSM într-un orizont de timp mai îndelungat? Care sunt mizele majore spre care tind cercetătorii săi? „Pe termen lung dorim să avansăm în înţelegerea fenomenelor fizice fundamentale care se manifestă în plasmele sistemului solar. Cred că aceasta este misiunea noastră principală. Dar, în același timp, suntem preocupați de aplicațiile științei fundamentale, în special în domeniul meteorologiei spaţiale. Cred că expertiza acumulată ne-ar permite să fim mai prezenţi pe partea de monitorizare şi, de ce nu, pe cea de previzionare. De aceea ne-am lărgit domeniul de activitate înspre fizica ionosferei, profitând de experienţa acumulată de dr. Cătălin Negrea cu ocazia doctoratului efectuat în SUA. Dar cele mai mari eforturi vor fi făcute cu siguranță în direcția reînnodării tradiţiei de participare la experimente spaţiale pe sateliţi. Criterile de selecţie ale ESA sunt foarte dure, accesul spre o participare directă se construieşte în timp. Momentan suntem în faza de acumulare de expertiză necesară pentru a ne califica să propunem un experiment sau să reprezentăm o parte semnificativă dintr-un experiment al Agenţiei Spaţiale Europene. Pentru a ne apropia de acest obiectiv dezvoltăm in house competenţe şi atacăm acele teme de cercetare care ne-ar putea propulsa spre cooptarea noastră în activităţi spaţiale majore. Concomitent, întărim colaborările internaţionale şi poziţia noastră în cadrul acestora. Avem un portofoliu larg de colaborări active, cu țări europene de tradiție, precum Suedia, Italia, Germania, Belgia, Franța, dar și cu Statele Unite sau Canada, lucrăm cot la cot cu experți străini pe diverse tematici şi suntem într-o interacţiune susţinută cu aceștia, exploatând orice şansă de a participa semnificativ la un experiment spaţial dintr-o misiune europeană”, concluzionează dr. Marius Echim.

Un domeniu complex, cu beneficiari multipli
Plasma este o componentă fundamentală a Universului, întâlnită în sistemul solar și practic în toate sistemele astrofizice cunoscute, ca de exemplu în corona solară, vântul solar, magnetosfera Pământului și a altor planete, în coma cometelor, în mediul interstelar și intergalactic, în discurile de acreție din jurul găurilor negre. În România, în Laboratorul de Plasmă Spațială și Magnetometrie se studiază plasmele din magnetosfera Pământului, interacția acestora cu vântul solar, și cuplajul magnetosferei cu ionofera și termosfera. De asemenea, se studiază procese dinamice fundamentale în plasme necolizionale, relația cu plasmele astrofizice şi de laborator.
Înţelegerea domeniului şi a legilor care îl guvernează este în prezent destul de avansată, laboratorul ISS fiind integrat în acest efort internațional. În special în ultimii 15 ani s-au făcut progrese substanţiale, întrucât variabilitatea permanentă şi interacţia continuă dintre soare, vânt solar şi pământ are efecte tehnologice practice importante, existând chiar un domeniu de cercetare dedicat: meteorologia spaţială. Această variabilitate are impact asupra tehnologiilor spaţiale (echipamente, sateliţi şi staţii spaţiale), dar şi a tehnologiilor de la sol (rețele de telecomunicații, rețele electrice, rețele de distribuție de gaz). De aceea, previziuni sistematice şi de acurateţe legate de felul în care această variabilitate oscilează în timp și în funcție de activitatea solară sunt foarte importante. Un obiectiv primordial este estimarea probabilității și impactului unor emisii intense de radiaţii solare, elemente cheie pentru ca principalii responsabili ai tehnologiilor spaţiale operative să ia măsurile adecvate de protecţie a echipajelor umane şi a echipamentelor din spaţiu.
„Beneficiile aduse de cercetările din domeniu sunt dependente de înţelegerea mai bună a fenomenelor fizice fundamentale care au loc în spaţiul cosmic. Celor care se ocupă cu modelarea tehnologică le permite să estimeze ce parametri sunt mai importanţi, în ce măsură o anumită clasa de evenimente are un impact negativ asupra tehnologiilor spaţiale sau militare. Fără a avansa în înţelegerea interacţiilor solar-terestre nu se poate înainta semnificativ în direcţia predicţiilor de meteorologie spaţială. Acest aspect este important pentru o categorie din ce în ce mai largă de beneficiari şi utilizatori, agenţiile spaţiale în principal, şi alţi operatori care au nevoie de informaţii spaţiale, precum companiile aeriene sau cele de telecomunicaţii, inclusiv partea de infrastructură energetică, reţelele electrice şi de gaz natural fiind afectate de variabilitatea magnetică ce induce efecte la nivel terestru”, ne spune şeful LPSM.
Un alt spectru de utilizatori este reprezentat de universităţi. În ultimul timp, laboratorul ISS a făcut paşi consistenţi în direcţia transferării cunoştinţelor acumulate înspre mediul academic. LPSM are deja doi parteneri importanţi: Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca (Departamentul de Calculatoare), împreună cu care lucrează la realizarea software-ului îmbarcabil, respectiv Universitatea Dunărea de Jos din Galaţi, partener în analiza datelor pentru întelegerea variabilității solar-terestre și impactului asupra ionosferei. În ultimii doi ani au existat schimburi reciproce, universităţile folosind informaţiile primite de la ISS în context educaţional, în timp ce laboratorul a primit o parte din expertiza lor.
Pentru palierul educativ cercetatorii laboratorului au realizat şi demonstratoare, cum este cazul experimentului Planeterrella (realizat de Maximilian Teodorescu, Gabriel Voitcu și Eliza Teodorescu), care ilustrează la scară de laborator propagarea vântului solar, interacţia acestuia cu câmpul geomagnetic şi formarea aurorelor. Publicul larg a avut deja ocazia să vadă demonstratorul la evenimente precum Noaptea Cercetătorilor şi AstroFest, iar recent, studenţii Facultăţii de Fizică din Bucureşti, au putut asista la experiment.