Revista >> Septembrie 2023 [Nr. 257] >> Cercetare & Invatamant superior

Exploratorii sistemului solar - aport românesc la cercetarea spațială de avangardă

Daniel Butnariu

21 Septembrie 2023

Întemeiată pe competențe avansate dezvoltate și confirmate în timp, activitatea Laboratorului de Plasmă Spațială și Magnetometrie (LPSM) din cadrul Institutului de Științe Spațiale (ISS) a evoluat constant, reflectând interesul și expertiza specialiștilor români în segmente de actualitate ale cercetării spațiale. Cea mai recentă confirmare a meritelor echipei LPSM este oferită de lansarea anul acesta, pe 14 aprilie, a misiunii spațiale JUICE (JUpiter ICy moons Explorer), care integrează între echipamentele experimentale de la bord un circuit electronic specializat, ASIC – Application-Specific Integrated Circuit, conceput și dezvoltat de dr. ing. Mircea Ciobanu, decanul de vârstă al laboratorului. Utilizat pentru a măsura cu precizie timpul de zbor al particulelor analizate de un spectrometru de masă, acest chip ASIC PADI (Ultrafast PreAmplifier-Discriminator) a fost validat oficial în 2019 pentru aplicații spațiale, în urma unor teste internaționale extrem de riguroase, devenind astfel parte din instrumentarul experimental al misiunii JUICE, inițiată de Agenția Spațială Europeană (ESA) pentru a explora planeta Jupiter și trei dintre sateliții săi naturali: Europa, Ganymede și Callisto. Dar acesta este doar unul dintre reperele de performanță ale echipei LPSM, care includ, între altele, proiecte ambițioase de cercetare a activității solare și a efectelor sale asupra magnetosferei și ionosferei terestre, pe care le detaliem în interviul cu dr. Marius Echim, șeful acestui laborator.

Care este rolul ASIC PADI la bordul misiunii JUICE și care este semnificația sa pentru viitoarele proiecte ISS?
Dr. Marius Echim: În primul rând, acest chip specializat reprezintă o continuare a tradiției institutului nostru în direcția dezvoltării de echipamente experimentale îmbarcabile pentru misiuni spațiale. Dr. ing. Mircea Ciobanu, cel care a dezvoltat ASIC PADI și care este practic fondatorul laboratorului, a avut contribuții importante în anii 1980 la experimentele spațiale derulate în cadrul programului Intercosmos. În acea perioadă, pe Platforma de Fizică de la Măgurele au fost concepute și realizate o serie de magnetometre spațiale foarte performante, dedicate măsurării câmpului magnetic în spațiul cosmic. Mircea Ciobanu a făcut parte din echipa care a contribuit la realizarea magnetometrului SGR-1, amplasat pe satelitul IK-18, lansat în 1978, acesta fiind primul dintr-o serie de magnetometre de rezoluție înaltă concepute în țara noastră.
Ulterior, activitatea lui Mircea Ciobanu s-a focalizat pe dispozitive dedicate experimentelor de laborator de la marile acceleratoare și astfel a apărut ASIC PADI, un chip specializat pentru măsurări de timp. A fost perfecționat în versiuni succesive până la PADI-X, declinare operațională la acceleratorul de la Darmstadt. Colegii noștri din Suedia, de la Institutul de Fizică Spațială (IRF), care sunt implicați în latura experimentului de spectrometrie a misiunii spațiale JUICE, au descoperit performanțele acestui ASIC cu ocazia unui atelier de lucru organizat la Kiruna și la care au fost prezenți specialiștii români. PADI a fost adoptat pentru aplicații spațiale în domeniul spectrometriei de masă.
Chipul are caracteristici tehnice care îi permit să fie integrat în lanțurile experimentale care măsoară proprietățile ionilor din atmosferele, ionosferele și magnetosferele planetare, drept urmare o nouă generație, PADI-XII, este în faza de dezvoltare cu un prototip în lucru la ISS, în cadrul unor studii finanțate direct de ESA.
Pentru ISS, importanța acestui chip este dată de oportunitatea lansării unor colaborări viitoare care să contribuie la dezvoltarea unor instrumente experimentale destinate unor noi misiuni spațiale, atât în contextul inițiativelor ESA, cât și în cadrul programului spațial NASA, astfel încât să avem acces direct la datele respective încă de la început. De altfel, Mircea Ciobanu și colegii implicați în acest proiect explorează, împreună cu grupuri de cercetare din străinătate, diferite idei privind evoluții funcționale suplimentare ale acestui ASIC și integrarea sa în viitoare misiuni spațiale.
Este remarcabil pentru institutul nostru că reușim să continuăm tradiția în domeniul echipamentelor îmbarcabile pe sateliți. Clubul exploratorilor spațiali este unui exclusivist; lansările de sateliți științifici sunt relativ limitate ca număr și oportunitățile de a contribui direct la experimente spațiale sunt restrânse. Cert este că ASIC PADI a demonstrat că putem contribui cu ceva valoros la cercetarea spațială, iar la ora actuală acest element hardware este recunoscut la nivel internațional, fiind un element important de pe cartea noastră de vizită.

După lansarea JUICE în această vară, o altă misiune se profilează la orizont, SMILE (Solar wind Magnetosphere-Ionosphere Link Explorer). Care este contribuția ISS la acest proiect?
SMILE este o misiune spațială realizată în comun de ESA și Academia de Științe din China, un proiect extrem de îndrăzneț pentru că își propune să realizeze pentru prima oară observații globale ale magnetosferei Pământului – care este practic plasma confinată de câmpul magnetic terestru – și a modului în care aceasta reacționează la variabilitatea vântului solar. La rândul său, vântul solar este de fapt plasma emisă de soare, al cărei flux populează întreg spațiul interplanetar, având variații importante în funcție de intensitatea activității solare, cu efecte semnificative asupra magnetosferei terestre.
SMILE utilizează o tehnică de observare inedită în domeniul studiului interacțiunilor solare terestre, adoptând un telescop cu raze X în domeniul soft X-Ray, care permite reconstrucția imaginii globale a magnetosferei folosind tehnici avansate de analiză a datelor. Laboratorul nostru contribuie exact în segmentul de analiză prin simularea unor scenarii înainte ca satelitul să ajungă pe orbită, anticipând cum vor arăta datele culese de acest telescop atunci când în magnetosfera terestră vor avea loc tipuri de fenomene studiate de noi din punct de vedere teoretic și numeric.
Practic, derulăm în prezent experimente numerice în care simulăm interacțiunea dintre vântul solar și magnetosfera terestră. Rezultatele acestor experimente numerice sunt procesate și sunt comunicate comunității SMILE. Efortul nostru prefigurează cum vor arăta datele înregistrate de telescopul cu raze X, care ar fi tiparele de variație ale imaginilor respective și în ce fel putem să le interpretăm astfel încât să înțelegem mai bine ce se întâmplă în urma interacțiunii dintre vântul solar și magnetosfera terestră.
De altfel, SMILE există deja într-o versiune virtuală, un software de simulare reproduce răspunsul fiecarui experiment de la bord pentru diverse tipuri de parametri pe care îi întâlnește în zbor., iar noi dezvoltăm în esență scenarii operaționale, în care lansăm satelitul virtual și vedem care ar fi răspunsul său din prisma instrumentelor științifice de la bord.

Prin ce se diferențiază misiunea SMILE de alte inițiative de studiere a magnetosferei terestre?
Până în prezent au fost o serie de misiuni spațiale care au studiat in-situ dinamica in-teracțiunii dintre vântul solar și magnetosfera terestră. Una dintre zonele critice ale acestei interacțiuni este frontiera externă a magnetosferei Pământului, magnetopauza, cu o formă lenticulară asimetrică, compresată înspre Soare și alungită în direcția antisolară pe sute de mii de kilometri. Magnetopauza se apropie sau se depărtează de Pământ în funcție de variația vântului solar; această dinamică permanentă are un efect direct asupra câmpului magnetic al Pământului și generează fenomene cum ar fi furtunile magnetice sau aurorele boreale.
Spre deosebire de sateliții care au traversat magnetopauza și au putut să măsoare ce se întâmplă doar într-un anume punct al acestei intersecții, SMILE va încerca să producă imagini globale, facilitând vizualizarea globală a întregului sistem vânt solar - magnetosferă.

Ceea ce explică și traiectoria prelungă pe care urmează să o adopte satelitul SMILE în spațiu…
Exact. Telescopul respectiv are în spate o istorie îndelungată, a fost folosit în misiuni spațiale care vizau universul în raze X, doar că de data aceasta focusul său nu va fi spre galaxii și universul adânc, ci spre Pământ. De aceea SMILE are nevoie de un interval de 200-300 de secunde pentru a acumula suficienți fotoni X care să îi permită să construiască o imagine validă a întregii magnetopauze. Drept urmare, apogeul traiectoriei sale este la o distanță foarte mare de Pământ, ce conferă timpul necesar achiziției de date pe baza cărora va produce imagini globale.
În mod particular, pe noi ne interesează o clasă de fenomene, așa-numitele jeturi din teaca magnetică a Pământului, care sunt regiuni în care plasma de origine solară are viteze foarte mari și care au un impact direct asupra magnetopauzei, o pot deforma, chiar străpunge local și pot pătrunde în interiorul magnetosferei. Aici opinia comunității științifice este oarecum divizată, nu sunt încă suficiente studii care să ne permită să avem certitudinea că lucrurile se întâmplă într-o anumită manieră, iar contribuția noastră se concentrează pe de o parte pe latura experimentelor, a simulărilor numerice pentru această clasă de fenomene și, pe de altă parte, pe traducerea datelor din experimentele numerice astfel încât să fie înțelese de către softul telescopului cu raze X de la bordul SMILE.

Care sunt aplicațiile practice ale misiunii SMILE? Ar putea să contribuie, de pildă, la avertizarea unor infrastructuri terestre strategice în cazul unor furtuni solare?
SMILE își propune să elucideze mecanismele care stau la baza interacțiunii dintre vântul solar și magnetosfera terestră, și impactul asupra ionosferei, partea ionizată a atmosferei Pământului. Unul dintre obiective este într-adevăr de a caracteriza mai bine, din punct de vedere calitativ și cantitativ, răspunsul sistemului magnetosferă-ionosferă la variațiile bruște ale vântului solar cauzate de activitatea solară, cum ar fi emisiile de masă coronală. Toată această fenomenologie se înscrie sub numele generic de „vreme spațială”, iar SMILE are potențialul să ne ajute să îmbunătățim previziunile de vreme spațială. Este vorba despre un domeniu în plină dezvoltare și tot mai sensibil pentru o clasă numeroasă de utilizatori de tehnologie spațială, precum aviația, aplicațiile militare, telecomunicațiile, navigația prin satelit.

Laboratorul de Plasmă Spațială și Magnetometrie a beneficiat în ultimii ani de datele înregistrate de propriul Observator Solar. Cum a apărut această infrastructură de cercetare și care este potențialul său pentru ISS?
Este o investiție începută de la zero, care se înscrie în efortul susținut al laboratorului nostru de a avea acces direct și de alcătui propria bază de date experimentale. În 2019 am înregistrat primele date cu ajutorul Observatorului Solar ISS, aceasta ar fi data de naștere a noii structuri, dar activitatea de observare a dobândit un caracter sistematic din 2020, cu un avânt puternic în perioada 2020-2021, când am adăugat două instrumente în componența observatorului.
Întâmplarea a făcut că zona în care este amplasat institutul să aibă caracteristici astro-climatice bune, așa că am reușit să utilizăm acest mijloc de observare a soarelui chiar de pe terasa clădirii ISS. În anumite perioade ale anului putem face observații de foarte bună calitate, la rezoluție înaltă, cu echipamente care sunt abordabile din perspectiva prețului de achiziție, dar care ne deschid fereastra spre fenomene de la suprafața soarelui care au interes științific.
Privim soarele în lumina vizibilă, dar și în domeniul H-alfa, iar această vedere duală ne permite să abordăm mai multe tipuri de fenomene. În prezent, ne îndreptăm atenția chiar spre anumite subiecte de cercetare pe care le descoperim direct din analiza imaginilor colectate de acest sistem, precum dinamica celulelor de convecție din cromosferă sau o clasă de fenomene denumite „bombe Ellerman”. Cele din urmă pot fi observate doar în condiții foarte bune de vizibilitate atmosferică și sunt elemente dinamice la suprafața soarelui al căror rol pentru activitatea solară nu este încă înțeles foarte bine.
În esență, dorința noastră este să facem observații de calitate, contribuind astfel la efortul general de observare quasi-continuă a soarelui. Contribuția noastră este reprezentativă și pe plan internațional, întrucât punem la dispoziția comunității un punct de observație ce produce date pe termen lung, Deși agențiile spațiale au lansat în ultimii ani observatoare solare spațiale, datele de la sol au în continuare utilitatea și valoarea lor unică, pentru că un anumit observator, dintr-o anumită poziție, poate să surprindă un fenomen particular de pe suprafața soarelui care nu este vizibil din alt punct geografic, din cauza locului de observare și a dinamicii specifice a fenomenului solar.

Există și alte inițiative ale laboratorului care au potențial pentru viitoare misiuni spațiale?
În mod coerent cu direcția adoptată de chipul ASIC PADI, în ultimii 8-9 ani am dezvoltat, în colaborare cu Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, o bibliotecă de analiză a datelor care ar putea să funcționeze autonom la bordul unui satelit, o abordare cu implicații majore pentru inițiativele de cercetare spațială. De cele mai multe ori, la bordul unui satelit resursele sunt foarte limitate, deși instrumentele științifice sunt performante și au o cadență de măsură foarte ridicată. Totuși, din cauza constrângerilor tehnice, în special a benzii de comunicare radio care este limitată, nu toate datele pot fi transmise la sol. Și atunci, o parte din datele înregistrate de instrumentele științifice sunt practic pierdute. Biblioteca noastră ar avea potențialul de a permite efectuarea analizei datelor direct la bordul satelitului și de a exploata astfel în întregime datele colectate de instrumentele științifice.
Este o evoluție importantă care se înscrie tot în linia dezvoltării de hardware îmbarcabil, iar acum încercăm să identificăm o oportunitate pentru a califica acest instrument prin intermediul unui experiment spațial.
Totul a plecat de la o bibliotecă pe care am construit-o intern, ca să ne ajute în analiza datelor, dar apoi am avut ideea de a o face funcțională în mod autonom la bordul unui satelit. Pasul următor a fost de a traduce treptat diferite module ale bibliotecii pe care o foloseam deja pe calculatoarele noastre într-un limbaj accesibil noii generații de circuite integrate programabile, FPGA. În prezent, avem un prototip de bibliotecă semi-autonomă pe baza tehnologiei FPGA, realizat în colaborare cu Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, care poate intra în testare. Instalată la bordul unui satelit, această bibliotecă îmbarcabilă poate să comunice direct cu un instrument științific, să primească datele de la acel instrument, să facă la bord o serie de analize avansate și să trimită la sol rezultatele.