Rosetta (ICA, LAP)

Den europeiska rymdorganisationens (ESA:s) rymdfarkost Rosetta sköts upp den 2 mars 2004 från Kourou i Franska Guyana och nådde sitt mål kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko under 2014, med två instrument från IRF ombord. 

I drygt två år följde Rosetta kometen i dess bana runt solen. IRF hade med två instrument ombord: en jonmasspektrometer (ICA) från IRF i Kiruna och två Langmuirprober (LAP) från IRF i Uppsala. Båda instrumentens uppgift var att studera den delvis joniserade gasen och stoftpartiklarna som strömmar ut från kometkärnan (4 km stor) när den värms upp av solen.

Tidigare försök att utforska kometer, exempelvis ESA:s sond Giotto till kometerna Halley och Grigg-Skjellerup, har utgjorts av snabba förbiflygningar. Rosetta rörde sig runt Churyumov-Gerasimenko med en hastighet av bara någon meter i sekunden, vilket gav helt unika möjligheter till vetenskapliga mätningar under lång tid och på mycket nära håll.

Totalt elva instrument

Rymdsonden tillbringade 31 månader i dvala under den sista delen av sin tioåriga resa mot kometen, men den 20 januari 2014 lyckades ESA planenligt återuppta kontakt med den. Efter nödvändiga kontroller av rymdsondens hälsa slogs dess elva instrument på (inklusive IRF:s två) för att börja studera kometen.

Därefter följde forskarna på nära håll hur kometen utvecklades när den först svepte in allt längre i solsystemet och sedan gick utåt igen. Rosettas uppdrag avslutades med en kontrollerad kraschlandning på kometkärnan den 30 september 2016. IRF:s instrument var på ända till slutet och de sista mätningarna vi har är så nära som 200 meter från kometytan. Det var då mer än 20 år sedan vi började jobba med projektet, och analysen av mätningarna kommer att fortgå många år ännu.

Landaren Philae

Rymdsonden Rosetta bar också med sig en landare, Philae, med ytterligare tio instrument. Den 12 november 2014 sattes landaren ned på kärnan av kometen. Det var en av höjdpunkterna i detta projekt som vi har jobbat med i 20 år, trots att de svenska bidragen sitter på moderfarkosten, inte landaren. Vi är förstås ändå intresserade av data från landaren – de kommer att ge svar på en del frågor som vi inte kan komma åt ens från moderfarkosten.

IRF- instrument:
RPC-ICA (Rosetta Plasma Consortium – jonmasspektrometer ICA, PI: Hans Nilsson
RPC-LAP (Rosetta Plasma Consortium – Langmuirprob LAP, PI: Anders Eriksson

Kontakt:
Vetenskaplig information: Doc. Hans Nilsson, tel. +46-980-79127, hans.nilsson@irf.se (ICA)
Vetenskaplig information: Dr. Anders Eriksson, tel. +46-18-471 5945, aie@irfu.se (LAP)
Teknisk information (ICA): Herman Andersson, tel. +46-980-79034, herman.andersson@irf.se

Bild: ESA

Artiklar på ESA:s svenska webbsida

2011-12-08 Lutetia en rest från planeternas bildande

2010-11-02 Rosetta slår solenergirekord

2010-06-29 Rosettas sommarmöte med Lutetia

2009-10-29 Sista vändan hem för ESA:s kometjägare

2008-08-25 Rosetta förbereder möte med asteroiden Steins

2008-07-08 Rosetta vaknar inför asteroidmöte

2007-11-08 Rosetta närmar sig jorden för andra gången

Jonmasspektrometer (ICA) utvecklad vid IRF i Kiruna

ICA är en jonmasspektrometer för att mäta energirika positiva joner i rymden. Instrumentet kan mäta både vilken riktning en jon kommer ifrån, vilken energi den har samt jonens massa. Detta ger oss möjlighet att studera solvindens växelverkan med gas och damm som flödar ut från kometen. När Rosetta först kommer fram till kometen kommer utflödet att vara lågt och jonisering på grund av solstrålning förväntas också vara låg. När kometen kommer närmare solen kommer ytan att upphettas, utflödet ökar liksom jonisationsgraden. I det första skedet kan solvinden växelverka direkt med kometytan och sputtra bort partiklar från ytan. Dessa kommer att vara tyngre än solvinden (som mest består av vätejoner) och kan därför identifieras med ICA. I det senare skedet byggs en mycket speciell atmosfär upp, en atmosfär som knappt känner av någon gravitation och aldrig är i jämvikt utan flödar ut i rymden runt kometen. 
Studier av gränsskiktet mellan denna atmosfär och solvinden förväntas lära oss mycket om solvindens roll för atmosfärers utveckling, elektromagnetiska krafters roll för massförlust från atmosfärer, gränsskiktsprocesser i rymdplasman samt skapandet av struktur på olika skalor. Möjligheten att studera dammiga plasman (det vill säga joniserade dammkorn omgivna av elektroner) är ytterligare en spännande möjlighet som ges av Rosetta missionen.

Instrumentet består av en elektrostatisk analysator (ESA) som endast släpper genom partiklar i ett begränsat energiintervall som bestäms av vilken spänning som läggs över de sfäriska analysatorplattorna. Därefter följer ett magnetsystem som utnyttjar att joner med samma energi men olika massa kommer att avböjas olika mycket i ett magnetiskt fält. Partiklar med olika massa kommer därför att träffa analysatorplattan (mikrokanalplatta, MCP) på olika radier från centrum. Genom att accelerera partiklarna mellan den elektrostatiska analysatorn och magnetsystemet kan man påverka vilka massområden man kan uppmäta.

ICA har utvecklats vid Institutet för rymdfysik i Kiruna och bygger på mångårig erfarenhet av design och tillverkning av jonmasspektrometrar, både för svenska satelliter som Viking och Freja samt för internationella interplanetära sonder som Mars Express. Arbetet har skett i samarbete med flera internationella samarbetspartners.

Finska Meteorologiska Institutet (FMI) i Helsingfors, har byggt den digitala databehandlingsenheten (DPU) som återfinns i den fyrkantiga lådan under analysatorcylindern.

Southwest Research Institute, San Antonio, Texas, USA har byggt detektorenheten efter en IRF Kiruna design.

Centre d’Etudes Spatiale des Rayonnements, Toulouse, Frankrike har karaktäriserat och testat mikrokanalplattan som används i detektorn samt kalibrerat isntrumentet. För kalibrering används en vakuumkammare i vilken en jonstråle med känd utbredning och intensitet riktas mot instrumentet.

ICA är ett av fem instrument i plasmakonsortiet RPC, Rosetta Plasma Consortium. Även LAP (Langmuirprobinstrumentet) har utvecklats vid IRF, men i Uppsala. Tillsammans ger de fem RPC-instrumenten en god bild av plasmat och dess dynamik, så att vi ska kunna utforska kometplasmats egenskaper i detalj.


Länkar:

IRF:s bilder - jonmasspektrometer (ICA)
Langmuirprob (LAP) utvecklad vid IRF i Uppsala

Rosetta är en av den europeiska rymdorganisationen ESAs rymdfarkoster, uppsänd 2004 för att fara till en komet. Vi har byggt en ”rymdväderstation”, Langmuirprobsinstrumentet LAP, för att undersöka kometens omgivning. På den långa vägen till kometen, som nås först 2014, kan vi göra mätningar i rymden mellan planeterna och dessutom i jordens och Mars omgivningar när vi passerar dessa planeter.

Bilden nedan visar Rosetta i rymden. De stora blåaktiga ”vingarna” är paneler med solceller som ger elektricitet till alla system ombord. De röda cirklarna visar var sensorerna till vårt instrument LAP är monterade. En av de två sensorerna, en så kallad Langmuirprob, visas förstorad i bildens nederkant. Själva sensorn är en titansfär, 5 cm i diameter, guldfärgad på grund av att ytan är titannitrid. 

Förutom vårt instrument från IRF i Uppsala så bär Rosetta också en partikelmätare från IRF i Kiruna. Dessutom är kameran ombord försedd med filter från Spectrogon i Täby, och den stora parabolantennen, som sköter all kommunikation till jorden, är levererad av Saab Ericsson Space i Göteborg, så Sverige är väl representerat på Rosetta. Vi på IRF i Uppsala är huvudansvariga för LAP, men även Alfvénlaboratoriet vid KTH i Stockholm, Finlands meteorologiska institut i Helsingfors och Fysisk institutt vid Oslo universitet har bidragit till arbetet. Huvudfinansiär är Rymdstyrelsen.

En Langmuirprob mäter den svaga elektriska ström som kan flyta mellan proben och rymden. ”Tomma rymden” är aldrig riktigt tom: överallt finns en tunn gas av elektriskt laddade partiklar, som kallas för rymdplasmat. Genom att mäta hur strömmen till proben ändras när vi varierar spänningen mellan proben och plasmat kan vi räkna ut egenskaper hos rymdplasmat, till exempel täthet, temperatur och hur fort det flödar. Ur detta kan vi också räkna fram trycket, så vi mäter faktiskt vad alla väderstationer på jorden gör: lufttryck, temperatur och vindhastighet, fast i rymdplasmat snarare än i jordisk luft. Vi kan alltså kalla vårt instrument en ”rymdväderstation”. 

Rosettas huvudmål är kometen 67 P/Churyomov-Gerasimenko. Människan har fascinerats av kometer sedan urminnes tid, och genom Rosetta får vi möjlighet att undersöka en på plats. Ett av skälen till att göra så är att kometerna kan berätta en hel del om solsystemets ursprung, eftersom de tros bestå av en sorts överlivna råvaror från den tid då solsystemet skapades. Planeterna är ordentligt ”tillagade” vid hög temperatur, så här på jorden är råvarorna ordentligt omstöpta, men kometernas kärnor har legat i en sorts kosmisk frysbox, så här hoppas vi kunna få se råvarorna i det skick de ursprungligen var.

Rosetta with LAP
Rosetta med sensorerna till ”rymdväderstationen” från Institutet för rymdfysik i Uppsala.

IRF:s bilder - Langmuirprob (LAP)

LAP är Langmuirprobinstrumentet på Rosetta.

Bild: ESA och IRF

[LAP probe, horizontal]
LAPs mätsonder är två stycken identiska sfärer (diameter 50 mm) av titan med ett gyllene ytlager av titannitrid. Proben sitter monterad på ett titanrör kallat ”stub”, även det belagt med titannitrid. Prob och stub är separata elektriska element, men elektroniken ser till att alltid hålla dem på samma potential. På så vis minimeras inverkan av bommens och rymdfarkostens potentialfält på potentialfältet runt proben. Proberna är designade vid IRF Uppsala och svarvade i Ångströmlaboratoriets verkstad. Stub, kablage och kontakter är tillverkade och monterade vid IRF Uppsala. Ytbeläggningen av titannitrid är utförd av TiSurf International, Uppsala. Utvecklingen av av titannitrid som ytbeläggningsmaterial för Langmuirprober gjordes av Institutionen för materialvetenskaper vid Uppsala universitet och användes för första gången på vårt instrument på NASAs rymdsond Cassini till Saturnus.

[LAP analog board in frame]
Högupplöst jpg (405 kB)
Bara prober kommer man inte långt med: för att kunna möta behövs förstås också elektronik. Elektronikkorten till LAP sitter på denna bild inmonterade i sin ram, klara för leverans. Ramarna från LAP och tre andra instrument inom plasmakonsortiet RPC skruvas ihop till en elektroniklåda som sedan monteras i själva rymdfarkosten. På bilden syns till höger kortet med analog elektronik, för styrning av förspänningar och filtrering och sampling av signaler. Detta kort innehåller också viss elektronik för MIP-instrumentet, utvecklad i samarbete med CRPE i Orléans för att MIP ska kunna använda en av LAP-proberna som sändare när plasmatätheten är låg. Till vänster syns locket: LAP sitter längst ner i RPCs elektroniklådan. Vårt andra elektronikkort, digitalkortet med vår omborddator uppbyggd kring en TMS320C50 signalprocessor, sitter under analogkortet och syns därför inte på bilden. Analogkortet är designat och testat vid IRF i Uppsala. Själva kortet är tillverkat av Colonial Circuits i Florida medan monteringen av komponenterna gjorts av Alfvénlaboratoriet vid KTH, som också stått för den lågbrusiga DC/DC-omvandlaren. Digitalkortet är lagt vid IRF Uppsala efter en grunddesign från FMI i Helsingfors, som också stått för komponenterna på detta kort. Ramarna är tillverkade av Imperial College, London, som också designat det länkchip på digitalkortet som sköter kommunikationerna med RPCs centralenhet PIU. Flygmjukvaran (tyvärr osynlig) är utvecklad vid IRF Uppsala.

[Rosetta model in Uppsala]
ESAs Rosettamodell i skala 1:4 (ovan) visas upp för besökare vid Öppet hus på Ångströmlaboratoriet i Uppsala den 13 november 2004. Uppskattningsvis 500 av de omkring 4000 besökarna tog sig en närmare titt på farkosten. Bommarna med våra prober syns tydligt på bilden. Även i denna skala är Rosetta imponerande, med en full bredd på 8 m mellan solpanelernas ändpunkter! Även elektroniken till LAP demonstrerades vid Öppet hus (nedan), där en prototypmodell till LAP hade kombinerats med en signalgenerator, en dator och annat så att besökarna kunde skicka in sin egen signal och se direkt vad instrumentet mäter.
[LAP breadboard on big board]

Bilderna får fritt användas i media med angivande av källa enligt texten vid varje bild. Kommersiell användning för exempelvis reklam är inte tillåten utan uttryckligt tillstånd.

Rymdvakor 30 september 2016

Rymdvaka för media och allmänheten på Ångströmlaboratoriet i Uppsala: program

Rymdvaka för media och allmänheten på Rymdcampus i Kiruna: program

Rosetta End of Mission press kit [på engelska]: http://sci.esa.int/rosetta/58334-rosetta-end-of-mission-grand-finale-press-kit-september-2016/#