Voyagers 1 och 2 har utmärkelsen att vara i rymden i 42 år och fortfarande fungera. Och även om de är 18 miljarder km (11 miljarder miles) från solen, är de fortfarande värdefulla vetenskapligt. Men de har slut på energi, och om NASA vill att de ska fortsätta mycket längre, har de några beslut att fatta.
Energiproblemet
Energifrågan blir mer och mer kritisk med tiden för Voyagers. Deras vetenskapliga instrument kräver inte bara energi, utan rymdfarkosterna måste hålla sig varma i rymdens kyliga miljö. Paret rymdfarkoster är inte solenergidrivna: det skulle inte vara möjligt så långt från solen. De litar på radioisotop termoelektriska generatorer (RTG) för sin energi.
Var och en av Voyager-sonderna har tre RTG:er och de använder plutonium 238 för sin bränslekälla. När den isotopen sönderfaller producerar den värme som omvandlas till elektrisk energi. Varje Voyager lanserade genererar 470 watt vid 30 volt DC, men med tiden försämras det. Inte bara bränslet förbrukas stadigt, utan också termoelement som används i systemet försämras med tiden. Från och med 2011 genererade båda Voyagers knappt 270 watt, vilket är cirka 76 % av den effekt de började med.
En pellet av plutonium 238, isotopen som används för att driva RTG:erna på båda Voyager-rymdfarkosterna. När de sönderfaller avger pelletsen värme, vilket är anledningen till att den lyser röd. Bildkredit: Los Alamos National Laboratory.
Även om de 270 watt är bättre än förutspått när sonderna designades och lanserades, betyder det fortfarande att oundvikliga beslut måste fattas om vilka rymdfarkostsystem som måste stängas av.
Först och främst måste du ge NASA kredit för att ha hållit sonderna igång så här länge. Det är fantastiskt i sig. Vissa delar av sonderna har redan fått sin ström avstängd, och anmärkningsvärt nog fungerar de fortfarande.
Som svar på energiproblem stängde NASA 2011 av värmaren för Voyager 1:s ultraviolett spektrometer . Instrumentet var designat för att fungera vid temperaturer så låga som -35 grader Celsius (-31 grader Fahrenheit), men efter att dess värmare var avstängd , fortsatte den att arbeta vid -79 grader Celsius (-110 grader Fahrenheit.)
'Det är otroligt att Voyagers instrument har visat sig vara så tåliga.'
Voyager projektledare Suzanne Dodd
Men det var 2011, och sedan dess har RTG:erna tappat ännu mer makt. Faktum är att de tappar cirka 0,8 % av sin effekt varje år. Nu skärper NASA-ingenjörer sina glidregler och lägger en ny energihanteringsplan på plats för att hålla sonderna igång ännu längre.
Stänger av värmen för att hålla Voyagers igång
Nyligen beslutade NASA att stänga av värmaren för ett annat instrument, den här gången på Voyager 2. De har stängt av värmen för Voyager 2:s Cosmic Ray Subsystem (CRS). Det är synd, för redan i november 2018 var CRS-instrumentet nyckeln till att fastställa att Voyager 2 hade lämnade heliosfären och gick in i det interstellära rymden. Ända sedan sonderna lämnade heliosfären har de skickat oss unik och viktig information om hur heliosfären interagerar med interstellär vind . Ingen annan rymdfarkost kan göra det, och att sätta en annan på plats skulle ta decennier.
Voyager 1 och 2 har båda lämnat heliosfären bakom sig och är de första rymdfarkosterna att göra det. Bildkredit: Av NASA/JPL-Caltech – https://photojournal.jpl.nasa.gov/figures/PIA22835_fig1.png, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=74978307
Men även om instrumentvärmaren för Voyager 2:s Cosmic Ray Subsystem (CRS) har stängts av, bekräftade ingenjörer att instrumentet fortfarande fungerar vid -59 Celsius (-74 F), även om de bara testades ner till -45 C ( -49F.)
'Det är otroligt att Voyagers instrument har visat sig så tåliga', säger Voyager Project Manager Suzanne Dodd, som är baserad på NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. 'Vi är stolta över att de har klarat tidens tand. Rymdfarkostens långa livslängd betyder att vi har att göra med scenarier som vi aldrig trodde att vi skulle stöta på. Vi kommer att fortsätta att utforska alla alternativ vi har för att få Voyagers att göra bästa möjliga vetenskap.”
Som det ser ut nu returnerar Voyager 2 fortfarande data från fem instrument, även om CRS hade sin värme avstängd. I synnerhet värmer den fortfarande upp det lågenergiladdade partikelinstrumentet. Det beror på att det kan returnera data om övergången ut ur heliosfären på ungefär samma sätt som CRS kan. CRS är enkelriktad, medan lågenergiinstrumentet är rundstrålande, vilket är en av anledningarna till att CRS hade sin värme avstängd.
Att fördröja det oundvikliga
Att generera värme är en energikrävande aktivitet. När strömmen i sonderna tar slut, kommer så småningom fler värmare att behöva stängas av för att de återstående instrumenten ska kunna fungera. Det finns ingen väg runt det. Men den krympande energibudgeten på sonderna påverkar även andra system förutom vetenskapliga instrument.
Sonderna har små propeller och de är avgörande för sondernas funktion. Rymdfarkosterna måste vara orienterade så att deras antenner är vända mot jorden för att de ska kunna ta emot kommandon och returnera data till jorden. Varje rymdfarkost har en tank med monopropellant bränsle av hydrazin som används för att driva sina små dragpropeller, som arbetar i små skurar eller blossar för att orientera rymdfarkosten.
I den här illustrationen tittar NASA:s rymdteleskop Hubble längs vägarna för NASA:s rymdfarkoster Voyager 1 och 2 när de färdas genom solsystemet och in i det interstellära rymden. Hubble stirrar på två siktlinjer (de dubbla konformade särdragen) längs varje rymdfarkosts väg. Teleskopets mål är att hjälpa astronomer att kartlägga interstellär struktur längs varje rymdfarkosts stjärnbundna rutt. Varje siktlinje sträcker sig flera ljusår till närliggande stjärnor. Kredit: NASA, ESA och Z. Levy (STScI).
Om ledningarna som matar bränslet till thrustrarna frös, skulle ingenjörerna kunna rikta in rymdfarkosternas antenner eller instrument. Vid den tidpunkten skulle rymdfarkosten sannolikt vara värdelös. Så de kräver värme också.
Det finns dock ett annat problem med propellarna. Oundvikligen går sådana system sönder med tiden, och 2017 märkte ingenjörer ett problem. Några av dragkrafterna på Voyager 1 var tvungna att arbeta hårdare för att bibehålla den korrekta orienteringen mot jorden. Så de vände sig till några länge oanvända propeller för att se om de kunde få jobbet gjort.
Tro det eller ej, denna sekundära uppsättning propeller hade inte använts på 37 år. Men de fick eld och de gjorde sitt jobb. Det måste vara något slags rekord i sig.
En illustration av Voyager 1. Uppsättningen av fyra reservpropeller är placerade på baksidan av rymdfarkosten i denna orientering. Kredit: NASA/JPL-Caltech
Nu börjar huvudpropellerna på Voyager 2 visa problem. Med framgångarna de hade med Voyager 1:s gamla, oanvända propeller, har ingenjörer beslutat att tända de gamla reservpropellerna på Voyager 2 också. Men dessa har inte varit vilande så länge som Voyager 1 var. De användes senast när Voyager 1 mötte Neptunus 1989 för 30 år sedan, och NASA planerar att slå på dem senare denna månad.
Med smart ingenjörskonst, noggrann planering och klok användning av båda Voyagers återstående energi försenas det oundvikliga slutet för rymdfarkosten. Som ett resultat kan deras pågående vetenskapliga bidrag fortsätta in i framtiden ett tag ännu.
'Båda Voyager-sonderna utforskar regioner som aldrig tidigare besökts, så varje dag är en dag av upptäckt.'
Voyager-projektforskaren Ed Stone
Ingenjörer och uppdragsplanerare tror att det fortfarande finns några år av operativ förmåga kvar. Det är viktigt, eftersom allt vi lär oss om området i rymden de befinner sig i beror på deras unika position att observera det. Det kan inte underskattas, eftersom nya papper fortfarande skrivs baserade på Voyager-data, inte bara från där de är nu, utan från där de var för år, till och med årtionden, sedan.
2017 var NASA tidigare ordförande för NASA:s Outer Planet Assessment Group Fran Bagenal intervjuad i Nautilus . I den intervjun sa hon, 'Jag analyserar fortfarande Voyager-data, tro det eller ej. Vi har precis publicerat tre artiklar om Voyager-data som togs för 33 år sedan, samtidigt som vi alla firar 40-årsjubileet av lanseringen. Det var kul. Jag insåg att en del av de uppgifter jag hade gjort min avhandling om, från 1979, inte hade analyserats på nytt.”
Det väcker frågan, hur många framtida artiklar baserade på aktuella data kan skrivas om decennier?
Inget varar för evigt
Voyager-programmets mest kända bilder är Blek blå punkt foto (egentligen en serie bilder.) Vi får inte längre några bilder från Voyager-kamerorna. Det finns inget att ta bilder på där ute. Men det är nästan kusligt hur dessa rymdfarkoster fortfarande levererar data, unika data, så många decennier efter att de designades, byggdes och sjösattes. På ett märkligt sätt är de som tidskapslar av tidig rymdutforskningsteknik.
Den berömda 'blekblå prick' på jorden fångade av Voyager 1 i februari 1990 (NASA/JPL)
'Båda Voyager-sonderna utforskar regioner som aldrig tidigare besökts, så varje dag är en dag av upptäckter', säger Voyager-projektforskaren Ed Stone, som är baserad på Caltech. 'Voyager kommer att fortsätta överraska oss med nya insikter om rymden.'
Ingenting varar för evigt och en dag kommer det att vara det för rymdfarkosten Voyager. För människor som är kunniga om uppdragen och som har en aning om vad de har bidragit med till mänsklighetens kunskap, kommer det att bli en sorglig dag. Det är konstigt att tänka på allt som har hänt här på jorden medan de två rymdfarkosterna har gjort sin resa.
Den goda nyheten är att framtida rymdfarkoster kommer att bygga på det arbete som Voyager-programmet har gjort.
Ett konstnärsintryck av den lilla IBEX-sonden. Bildkredit: NASA
NASA lanserar Interstellar Mapping and Acceleration Probe ( IMAP ) år 2024, och det kommer att dra nytta av Voyagers observationer. Deras Interstellar Boundary Explorer (IBEX) bygger redan på arbetet med Voyager 1 och 2 och ger oss mer detaljerad information om heliosfären.
I samma Nautilus-intervju sa Fran Bagenal, 'Jag skulle förutsäga att vi kommer att sluta kunna kommunicera med den någonstans omkring ytterligare 15 år eller så.' Hon är inte en officiell talesman för Voyager-programmet, men om hon är korrekt betyder det att kommunikationen kan upphöra 2032.
Markera det datumet i din kalender.
Lyssna på nostalgin.
Källor:
- Pressmeddelande: En ny plan för att hålla NASA:s äldsta upptäcktsresande igång
- NASA: Voyager-programmet
- Pressmeddelande: Voyager 1 skjuter upp thrusters efter 37 år
- Pressmeddelande: NASA:s Voyager 2-sond går in i det interstellära rymden
- Pressmeddelande: Voyager-instrumentkylning efter att värmaren stängts av
- Universum idag: Till sist! Voyager 2 är nu i Interstellar Space
- Wikipedia-inlägg: Voyager-programmet
