Moderní historie využití balónů v astronomii

Moderní historie využití balónů v astronomii

Vylepšená konstrukce balónu je nadějná

V průběhu října 1999 zkoušela NASA nový prototyp héliového balónu – verzi ve skutečné velikosti – který může někdy v budoucnu sloužit ke startům s dalekohledy v gondole a ke zkouškám experimentálního zařízení. Balón byl nazván ULDB (Ultra Long Duration Balloon). Nová konstrukce má mnohonásobně prodlouženou životnost. 

Hlavní vedoucí projektu ULDB Steve Smith z Goddard Space Flight Center´s Wallops Flight Facility řekl, že prototyp balónu v měřítku 1 : 10 unesl náklad o hmotnosti 745 kg při startu z Fort Sumner, New Mexico. Balón se dostal do výšky přibližně 25 km a dosáhl 90 % plánovaného cíle předtím, než se k balónu na laně připevněný náklad utrhl, což bylo příčinou jeho selhání. Inženýři objevili balón ve vzdálenosti asi 60 km od místa startu. Steve Smith se domnívá, že jednoduché přepracování připojovacího mechanismu zabrání takovýmto problémům při budoucích startech. Vývoj balónů probíhal od roku 1997.

Kompozitní materiály, vyrobené v Dimension Polyant of Putnam, Connecticut a zabudované do balónu firmou Raven Industries of Sioux Falls, South Dakota, jsou hlavní částí trojité vrstvy z polyesterových a polyetylénových materiálů vytvářejících měkkou vrstvu. Tento materiál kompenzuje vady ve tkanině, proměnné atmosférické podmínky, vytváří téměř nepropustnou bariéru mezi héliem a atmosférou. Konstrukce tohoto uzavřeného systému umožňuje ULDB pobývat ve velkých výškách po dobu více než 100 dnů – na rozdíl od dvou až tří dnů u současných balónů. 

Atmosférický balón pátrá po antihmotě

Mezinárodní vědecký tým vypustil v Antarktidě výškový atmosférický balón s vědeckým vybavením, umístěným na plošině zavěšené na dlouhém laně pod balónem. Hlavním úkolem vědeckého vybavení je pátrání po antihmotě. Jedná se o velmi vzácné a obtížně detekovatelné kosmické částice. Tým vědců se bude snažit pochopit původ antihmoty ve vesmíru a najít důkazy pro existenci Hawkingova záření, jež má původ v tzv. „vypařování“ černých děr. Tuto teorii vypracoval Stephen Hawking z Cambridge University ve Velké Británii.

Přístroj, nazvaný BESS-Polar (Baloon-borne Experiment with Superconducting Spectrometer-Polar), byl úspěšně vypuštěn 13. 12. 2004 ze základny McMurdo Station v Antarktidě, zavěšený pod vědeckým atmosférickým balónem velkým jako fotbalové hřiště. Vědci doufají, že se jim podaří detekovat co nejvíce částic antihmoty během 10denního letu, kdy balón jednou oblétne kolem jižního pólu v prostředí na hranici kosmického prostoru, nad 99 % zemské atmosféry. Balón se nacházel ve výšce 39 km.

„Naše dřívější krátké lety nad severní Kanadou poskytly několik náznaků přítomnosti Hawkingova záření,“ říká prof. Akira Yamamoto z Japan´s High Energy Accelerator Research Organization. „Při dlouhodobém letu a vyšší „úrodě“ antiprotonů budeme moci potvrdit, zda má Hawking pravdu.“ Na vývoji přístroje BESS-Polar spolupracovaly kromě výše zmíněné organizace japonské univerzity v Tokiu a v Kobe, japonská kosmická agentura JAXA, dále NASA a University of Maryland.

Antihmota je tvořena stejnými částicemi jako „obyčejná“ hmota, ale s opačným elektrickým nábojem. Například proton má kladný náboj, zatímco antiproton má záporný náboj. Antiprotony vznikají při bombardování Země kosmickým zářením, při němž jsou elementární částice urychlovány na rychlosti blízké rychlosti světla. Když se setkají částice hmoty a antihmoty, dojde k tzv. anihilaci za vytvoření „čisté“ energie, přičemž nevzniká žádný „popel“.

„Severní a jižní polární oblasti jsou ta nejlepší místa pro detekci antiprotonů o nízké energii,“ říká Dr. John Mitchell, NASA Goddard Space Flight Center. „Magnetické pole Země nás chrání před antiprotony a dalšími částicemi kosmického záření, které přilétají z vesmíru. Magnetické pole jako nějaký trychtýř usměrňuje nabité částice směrem k zemským magnetickým pólům. To znamená, že koncentrace nízkoenergetického záření, pronikajícího do zemské atmosféry, je zde podstatně vyšší.“

Tento let balónu je prvním, kdy byl do vysokých vrstev atmosféry vynesen detektor BESS-Polar. Dřívější verze s názvem BESS pro lety zhruba v délce jednoho dne byla vypouštěna jednou za rok v období 1993 až 2002. Přístroj detekoval milióny částic kosmického záření a několik tisíc antiprotonů o nízké energii. Pro komplexnější analýzu je však potřeba mít k dispozici mnohem více antičástic. „Delší let nám umožní dokonalejší statistiku,“ říká Prof. Tetsuya Yoshida.

Protože v oblasti kolem jižního pólu panuje nyní polární den, nedochází zde k teplotním změnám v atmosféře během dne a noci. To umožní let balónu v konstantní výšce mnohem delší dobu.

(Zdroj: http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=15742 )

Obří balón s dvoumetrovým dalekohledem v gondole odstartoval

V neděli 12. 6. 2005 odstartoval ze švédské zkušební základny Esrange velký balón, který dopravil do výšky zhruba 40 km dalekohled o průměru 2 m s názvem BLAST (Balloon-borne Large Aperture Sub-millimeter Telescope). Dalekohled pracující v oblasti submilimetrového záření na vlnových délkách 250, 350 a 500 mikrometrů je určen k výzkumu galaktických i extragalaktických objektů, ke studiu raných fází vzniku hvězd a planetárních soustav, ke studiu těles Sluneční soustavy včetně planet, velkých planetek apod.

Doposud ještě nebyl v Evropě vypuštěn tak velký balón s tak těžkým vědeckým vybavením. Větry vanoucí ve velkých výškách budou unášet balón směrem k místu plánovaného přistání v oblasti mezi Kanadou a Aljaškou. Dřívější starty obdobných balónů, avšak s jiným vědeckým vybavením, například TIGER (Trans Iron Galactic Element Recorder), se uskutečnily z vědecké základny McMurdo v Antarktidě.

Dalekohled BLAST připravovali v průběhu několika let vědci z různých univerzit a vědeckých ústavů v USA, Kanadě, Velké Británii a Mexiku. Celý vědecký program sponzoruje NASA.

Hlavní vědecký pracovník projektu BLAST, prof. Mark Devlin (University of Pennsylvanie) prohlásil, že „BLAST bude získávat informace a odpovědi na velmi důležité otázky, týkající se vzniku a vývoje hvězd, hvězdokup a galaxií. V průběhu experimentu budou také testovány nové technologie, které budou použity u budoucího evropského kosmického dalekohledu Herschel Space Observatory, jehož start je naplánován na rok 2007.“

„Vypuštění balónu takové velikosti s tak těžkým nákladem je mimořádně komplikované,“ říká Olle Norberg, ředitel zkušební základny Esrange. Posuďte sami. Balón má objem 1,2 miliónu metrů krychlových, průměr 140 metrů a výšku 120 metrů. Doba trvání letu se plánuje na 5 až 7 dnů v letové výšce 38 až 40 km. Hmotnost dalekohledu o průměru 2 m je 1,5 tuny (po započtení technického vybavení 2,7 tuny).

Provedená vědecká měření pomocí přístrojů, vynesených do požadované výšky pomocí balónu, mají některé výhody ve srovnání s družicovými pozorováními. Vývoj zařízení trvá podstatně kratší dobu a rovněž finanční náklady jsou mnohonásobně nižší. Nevýhodou je kratší doba pozorování, avšak po vyhodnocení dat je možné experiment opakovat, případně k jeho pokračování změnit operativně metodiku výzkumu.

(Podle http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=17094)

Obří balón zkoumá kosmické záření

Pracovníci americké univerzity Delaware vypustili ve Švédsku obrovský balón větší než fotbalové hřiště, který byl unášen větrem na samé hranici kosmického prostoru, kde sbíral data o kosmickém záření – o nabitých částicích s vysokou energií, přicházejících z vesmíru.

Balón, který má při úplném nafouknutí průměr 140 m a výšku 120 m, byl vypuštěn 17. 5. 2009 ze švédské základny Esrange Space Center poblíž města Kiruna, nacházející se v blízkosti severního polárního kruhu. Balón byl unášen prouděním vzduchu rychlostí více než 75 km/h ve výšce kolem 43,5 km nad zemským povrchem. Pod sebou nesl detektory kosmického záření, umístěné v přetlakové schránce, která byla odhozena nad oblastí severní Kanady, kde přistála na padáku. Následně bude vypátrána pravděpodobně pomocí vrtulníku. Tentokrát nesl balón zátěž o hmotnosti 600 kg. Doba letu balónu se pohybuje obvykle mezi 4 až 6 dny.

Kosmické záření jsou částice s vysokou energií, pocházející z vesmíru: protony, elektrony a těžká atomová jádra, která pronikají do zemské atmosféry.

„Velké množství kosmického záření pravděpodobně vzniká v důsledku mohutné rázové vlny při explozích supernov v naší Galaxii,“ říká John Clem, výzkumný pracovník a profesor fyziky a astronomie na University of Delaware's Bartol Research Institute. „Je velmi dobře zdokumentováno, že tyto částice s vysokou energií mohou ohrozit zdraví kosmonautů při pobytu ve vesmíru a tomuto záření jsou vystaveni rovněž cestující na dálkových leteckých linkách,“ dodává John Clem.

Balón je vyroben z polyetylénové fólie a jeho hmotnost je 1 880 kg (není započtena hmotnost užitečného nákladu).

Díky podpoře grantu z NASA v celkové hodnotě 961 710 dolarů může John Clem, který je vedoucím týmu výzkumníků z University of Delaware a NASA's Columbia Scientific Balloon Facility in Palestine, Texas, zjistit mnohem více informací o kosmickém záření. Cílem bylo vypustit dva výškové balóny naplněné héliem – jeden nesl vědecké přístroje s názvem LEE (Low Energy Electrons), které byly vypuštěny při posledním startu. Druhý balón měl být vypuštěn 23. 5. 2009 a vědeckým vybavením měl být detektor AESOP (Anti-Electron Sub-Orbital Payload), který měl být dopraven rovněž na samou hranici zemské atmosféry.

John Clem říká, že zhruba tisíc kosmických paprsků proniká každou sekundu plochou jednoho metru čtverečního zemské atmosféry v závislosti na lokalitě. Data získaná pomocí přístrojů umístěných na balónech budou využita ke studiu sluneční modulace, tj. změn v intenzitě kosmického záření v závislosti na sluneční činnosti.

AESOP může detekovat elektrony s energiemi až do hodnoty zhruba 10 GeV. Přístroj využívá soustavu různých detektorů záření a magnetický spektrometr k identifikaci elektrického náboje částice, její energie a hmotnosti. Hlavní součástí magnetického spektrometru je jiskrová komora.

Komora experimentu AESOP obsahuje 5 paralelních hliníkových destiček vzájemně propojených a připojených na vysokonapěťový impulsní generátor. Prostředím mezi destičkami pomalu proudí směs plynného neonu a hélia. Jak nabité částice prolétávají komorou, zanechají za sebou v přítomném plynu ionizovanou stopu. V přítomném elektrickém poli jsou ionty v plynu urychlovány směrem k povrchu destiček, následkem čehož vzniká jasně červená jiskra, která je zaznamenána CCD kamerou.

Úroveň sluneční aktivity kolísá v periodě přibližně 11 roků. Podle Johna Clema tato aktivita ovlivňuje intenzitu pozorovaného kosmického záření. V případě, že sluneční aktivita roste, intenzita kosmického záření klesá. V současné době je sluneční aktivita velice nízká, a proto se nacházíme v období zvýšené intenzity kosmického záření.

„Pracujeme na lepším pochopení toho, jak změny slunečního magnetického pole ovlivňují kosmické záření, které proniká do naší Sluneční soustavy,“ dodává Clem.

Na 1. 6. 2009 je naplánováno vypuštění balónu v rámci experimentu SUNRISE. Dalekohled o hmotnosti 2 tuny bude studovat strukturu a dynamiku slunečních magnetických polí. Balón vystoupá do výšky kolem 37 km.

(Podle http://www.physorg.com/news162143391.html)

Dalekohled na palubě balónu může konkurovat HST

Aerostaty s pokročilou technologií by mohly brzy poskytovat podobné pohledy na vesmír jako Hubblův kosmický dalekohled (HST), ovšem za zlomek finančních nákladů na astronomické družice. To je závěr nově vypracované studie.

Několik velkých společností včetně Lockheed Martin pracuje na návrhu balónu, poháněného sluneční energií, který by v automatickém režimu mohl zůstat ve vzduchu nepřetržitě několik měsíců, či dokonce několik let. Takovéto balóny mohou být použity jako obří létající retranslační stanice pro zajišťování telefonních hovorů nebo jako detektory startujících raket.

Avšak astronomové také sní o využití balónů, neboť ty mohou operovat ve výškách 20 km či ještě výše – tedy nad 95 % atmosféry, a také nad oblačností. Dalekohledy v takovéto výšce by poskytovaly čistý, téměř kosmický pohled na vesmír.

Bohužel v současné době používané létající observatoře nedosahují takovýchto parametrů, neboť vědci narazili na značné překážky při vývoji lehkých baterií, slunečních článků a kvalitního materiálu na výrobu samotných balónů.

„Všechno se pohnulo kupředu v posledních 10 letech, takže nyní nejsme daleko od vlastní realizace,“ říká Robert Fesen (Dartmouth College in New Hampshire, USA). Fesen je autorem nové studie o výhodách dalekohledů, umístěných na palubě balónů.

Dalekohled s objektivem o průměru 0,5 m by mohl poskytnout ostré fotografie při větším zorném poli, než jsou schopny pozemní dalekohledy – argumentuje Fesen. A zatímco cena Hubblova kosmického dalekohledu dosáhla přibližně 1,5 miliardy dolarů, Fesen odhaduje cenu takovýchto dalekohledů, nesených balónem či vzducholodí, pouze na 10 miliónů dolarů.

Vybudování dlouhodobé kosmické observatoře na základě atmosférického balónu je uskutečnitelné – souhlasí David Pierce, který je vedoucím NASA's Balloon Program Office in Wallops Island, Virginia, USA.

Dalekohledy umístěné na balónech by byly obzvlášť výhodné k fotografování objektů, které se rozkládají na větší části oblohy – říká Larry Petro, astronom Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, USA, jež se podílí na řízení a zajišťování provozu HST.

Hubblův kosmický dalekohled, vybavený objektivem o průměru 2,4 m, má relativně malé zorné pole. Aby byl schopen vyfotografovat například tak velký objekt, jako je galaxie M 31 v souhvězdí Andromedy, musí postupně pořídit několik fotografií, z nichž je pak sestaven výsledný snímek.

Avšak dalekohled s objektivem o průměru 0,5 m na palubě dlouhodobě se vznášejícího balónu může pořizovat najednou snímky větší části oblohy (má větší zorné pole) a takové pozorování zabere mnohem méně času – dodává Fesen. A protože tyto dalekohledy budou mít nad sebou čistou oblohu každou noc, mohou být rovněž využity například k pátrání po blízkozemních planetkách a dalších objektech.

Ale Larry Petro dále dodává, že tyto dalekohledy nebudou nahrazovat velké pozemní či kosmické dalekohledy. Je to proto, že velikost dalekohledů, nesených balóny, je limitována jejich nosností, která zatím není příliš vysoká a omezuje tak průměry objektivů.

Tyto dalekohledy o malých průměrech nebudou schopny pořizovat fotografie velmi slabých objektů. A nebudou také schopny shromáždit dostatečně velké množství světla za účelem pořizování spekter, pomocí nichž je pak možno odhalit chemické složení vesmírných objektů.

Na vývoji takovýchto „létajících“ dalekohledů již pracuje několik konstrukčních týmů. NASA například pracuje na projektu s názvem ULDB (Ultra Long Duration Balloon), který bude schopen vznášet se vysoko v zemské atmosféře nepřetržitě více než 100 dnů. Avšak dalekohled, nesený tímto zvláštním balónem, je uchycen na lanu. Mírné pohupování dalekohledu na laně způsobuje, že není schopen produkovat fotografie s vysokým rozlišením.

Další tým ze Southwest Research Institute in San Antonio, Texas, USA, již také vyzkoušel svůj návrh balónu. Při letu vzducholodi s názvem HiSentinel byla v listopadu 2005 dosažena výška 22,5 km.

Vzducholoď HiSentinel je 40 m dlouhá a Fesen je přesvědčen, že dvě takovéto vzducholodě spojené dohromady by byly schopny unést dalekohled o průměru 0,3 m. Avšak stavitelé vzducholodi již uvažují o vývoji většího zařízení, na které bude možno umístit mnohem větší observatoř, jež bude schopná dohlédnout až na okraj vesmíru. 

Balóny k výzkumu planet

Planety, které mají dostatečně hustou atmosféru (například Venuše a Mars), je možné zkoumat pomocí balónů. Tento druh výzkumu byl zatím realizován pouze v případě Venuše, doprava balónů do atmosféry Marsu, a také Venuše, se zvažovala.

Veněra-Galej (VEGA)

Sovětské sondy VEGA-1 a VEGA-2 byly připraveny v rámci mezinárodní spolupráce. Na projektu se významně podílelo i Československo. Start sond se uskutečnil 15. a 21. 12. 1984. Ve dnech 9. a 13. 6. 1985 se od obou sond oddělily přistávací moduly, které měly za úkol přistát na povrchu Venuše. K přistání došlo o 2 dny později. Během sestupu na povrch byly do atmosféry Venuše vysazeny dva balóny s vědeckými přístroji. Sondy pokračovaly v letu směrem k Halleyově kometě.

Po naplnění héliem se balóny udržovaly ve výšce 53 až 55 km, přičemž byly unášeny místními větry. Celková doba letu byla kolem 46 hodin. V místě, kde se balóny nacházely, byl tlak 0,5 atmosféry a teplota +40 °C.

Každý z balónů překonal vzdálenost 12 000 km, přičemž byl unášen rychlostí 250 km/h. Po překonání vzdálenosti asi 8 500 km balóny přelétly z noční na denní polokouli. Během letu bylo prováděno měření tlaku, teploty, vertikálních nárazů větru, dohlednost, průměrné osvětlení a sledování případných náhlých zjasnění či záblesků. Gondola o celkové hmotnosti 6,7 kg byl zavěšen pod balónem o průměru 3,54 m na laně dlouhém 13 m. Celková hmotnost gondoly s přístroji a lanem byla 21 kg. Byly zaregistrovány například silné turbulence a vertikální nárazy větru.

Venus Balloon Project

Skupina vědců a techniků z NASA (Wallops Flight Facility, Jet Propulsion Laboratoy a ILC Dover, Inc.) vyvíjela balón o průměru 5,5 m, který měl být dopraven do atmosféry planety Venuše. Do atmosféry měl být vypuštěn ve výšce kolem 56 km nad povrchem planety. Větry vanou v této výšce rychlostí kolem 320 km/h. Jakmile bude balón vysazen do atmosféry, bude již v zajetí místních větrů. Teplota v této výšce je stejná jako v jarním odpoledni v Los Angeles.

Veněra-D

Rovněž v rámci ruského projektu obnovení výzkumu Venuše se počítalo v rámci vypuštění sondy Veněra-D s vysazením balónu do atmosféry planety. Původně se počítalo se startem v roce 2013, nyní se hovoří až o roku 2024. Rovněž vědecká náplň sondy může být jiná.

Balóny a Mars

Balóny figurovaly dokonce v projektu francouzsko-ruské sondy Mars 96, která měla být navedena na oběžnou dráhu kolem rudé planety. Balón měl pod sebou nést speciální tubus se zařízením pro sběr a analýzu vzorků. Finanční a technické potíže vedly k tomu, že sonda odstartovala bez balónů. Neměla však dlouhého trvání. Pro závadu na nosné raketě nebyla ani uvedena na dráhu k Marsu a její trosky skončily v oceánu krátce po startu.

Idea využití balónů při výzkumu Marsu byla následující: ve dne by se balón vznášel v řídkém ovzduší unášen větrem, přičemž by vědecké přístroje prováděly výzkum okolního prostředí a kamery by snímkovaly povrch planety. Po západu Slunce by balóny v důsledku ochlazení zmenšily svůj objem a klesly na povrch planety. Zde by „ožily“ přístroje, určené k výzkumu povrchu. Ráno by se stoupající teplotou rozpínající se plyn v balónech zvětšil objem, balóny by se opět vznesly do vzduchu a nechaly se unášet větrem. Situace by se několikrát zopakovala až do úniku značného množství plynu z balónů, které by nakonec zůstaly nečinně ležet na povrchu Marsu.

Balóny a Titan

Balóny by mohly být rovněž využity k výzkumu obřích plynných planet Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. Mnohem intenzivněji se však uvažuje o podobném výzkumu Titanu, což je největší měsíc planety Saturn. Jako jediný měsíc vlastní hustou atmosféru (dokonce hustější než pozemské ovzduší) složenou převážně z dusíku. Žádný projekt zatím schválen nebyl.

Vložit nový příspěvek