Inženýři spravující meteorologickou družici nové generace GOES-17 mají momentálně plné ruce práce s anomálií na snímkovacím přístroji. Pokud se závadu nepodaří odstranit, mohla by negativně ovlivnit schopnosti družice sledovat během noci bouře, vítr a další meteorologické fenomény. Pes je v tomto případě zakopaný v chladicím systému, který nezvládá dostatečně ochlazovat infračervené detektory v přístroji ABI (Advanced Baseline Imager). Právě nízké teploty jsou nezbytné pro správné fungování tohoto zařízení, které je nejcennějším vědeckým přístrojem na celé sondě.

Proč musí být infračervené detektory udržovány v chladu? Dá se to vysvětlit poměrně jednoduše. Dnes bývá od astronomů často slyšet o problému takzvaného světelného znečištění, kvůli kterému je obloha jasnější a slabší objekty nejdou vidět, protože je světelné znečištění přesvítí. Naše oči nám pomáhají sledovat okolní svět jen v úzké části celého elektromagnetického spektra – ne nadarmo se této části říká viditelná oblast. Podobné principy však fungují i v jiných částech spektra.

Infračervené záření je specifické v tom, že se do okolí šíří ve formě tepla. Jinými slovy – infračervené záření do okolního prostředí vyzařují teplé předměty. Čím jsou teplejší, tím je záření intenzivnější a naopak. Tohoto principu se využívá třeba u nejrůznějších termokamer a podobných zařízení, která dokáží například najít člověka ztraceného v lese, protože jeho tělesná teplota je vyšší než teplota okolí. A tady už se dostáváme k jádru samotného principu – když senzory nejsou ochlazeny na nízkou teplotu, tak vyzařují teplo do okolí ve formě infračerveného záření. Rázem vzniká situace analogická se světelným znečištěním – slabší pozorované objekty zanikají, protože je parazitní záření přesvítí.

Přístroj ABI je navržen tak, aby byl citlivý na světlo v šestnácti kanálech, z nichž 13 spadá do kategorie infračerveného záření nebo do blízké infračervené oblasti (jakýsi přechod mezi viditelnou a infračervenou částí spektra), zbylé tři kanály pak odpovídají třem barvám viditelné části spektra. Aktuálně zkoumaná anomálie tedy ovlivňuje významnou část senzorů – všech 13 kanálů v infračervené a blízké infračervené oblasti, tří kanálů ve viditelné části se závada netýká.

„Jde o závažný problém,“ oznámil ve středu 23. května Steve Volz, zástupce administrátora pro družice NOAA a doplnil: „Jedná se o hlavní přístroj, který na družicích GOES hledí k Zemi. Jeho 16 kanálů, z nichž 13 spadá do infračervené a blízké infračervené oblasti, představuje důležitý prvek našich pozorovacích požadavků. To znamená, že pokud nebude fungovat v plném režimu, pak je to ztráta.“

Detektory v tomto přístroji mají být ochlazovány na teplotu -213°C (tedy šedesát stupňů nad absolutní nulou), aby byly plně citlivé na přicházející infračervené paprsky ze zemské atmosféry. Chladič integrovaný do přístroje ABI však nezvládá ochladit senzory na požadovanou teplotu. Infračervené detektory jsou užitečné především v noci, kdy ve viditelné části spektra není nic vidět. „V určité části dne kolem lokální půlnoci této družice, jsou naměřená data nepoužitelná,“ uvedl Tim Walsh, programový ředitel NOAA pro sérii družic GOES-R.

Družice GOES-17 je umístěná na geostacionární dráze ve výšce skoro 36 000 kilometrů nad rovníkem, což znamená, že kolem země oběhne za stejnou dobu, jakou potřebuje naše planeta k dokončení jedné otočky kolem své osy. Z pohledu pozorovatele na zemi tak družice visí na jednom místě oblohy. Družice to má stejné a ze své pozice sleduje stále jednu a tu samou oblast zemského povrchu. Ke startu GOES-17 došlo 1. března na raketě Atlas V a v průběhu dalších týdnů se postupně aktivovaly palubní senzory včetně detektoru blesků, nebo přístrojů zkoumajících vesmírné počasí. Všechno běželo dobře a plán půl roku dlouhé aktivace a testování se měl dodržet.

Pak se ale objevila již zmíněná závada na přístroji ABI, který je hlavním zařízením na této družici. Jeho návrh i výrobu zajistila společnost Harris Corp z Fort Wayne, stát Indiana a jeho úkolem je pořizovat satelitní snímky oblačnosti, cyklón, bouřkových front, mlh, lesních požárů a dalších fenoménů, které se dají využít pro předpověď počasí. Jsou to stejné snímky, které mohou diváci vidět v televizích relacích o počasí.

Prakticky identická družice označovaná jako GOES-16, letěla do vesmíru v listopadu 2016 a do služby vstoupila vloni po zevrubné sérii kontrol. GOES-16 se před startem označovala jako GOES-R a šlo o první ze čtyř modernizovaných meteorologických družic vyvinutých za 11 miliard dolarů agenturou NOAA a vyrobených firmou Lockheed Martin. GOES-16 pokrývá svými snímky především východní pobřeží USA, Atlantik a Jižní Ameriku. Částečně pak vidí i na západní Afriku, takže může sledovat systémy nižšího tlaku vzduchu, ze kterých mohou vzniknout tropické bouře či hurikány. Březnové vypuštění druhé družice, tedy GOES-17 (před startem GOES-S) mělo znamenat, že NOAA bude od konce roku moci využít jejích služeb. Její zorné pole pokrývá západní pobřeží USA včetně Aljašky, Havaje, Tichého oceánu až k Novému Zélandu.

Joe Pica, provozní ředitel NOAA uvedl, že meteorologové používají infračervená měření z družic GOES do svých numerických predikčních modelů. Konkrétně pak pro sledování větrů ve středních a vysokých výškách, nebo pro měření množství vodní páry v atmosféře, čímž zlepšují přesnost předpovědí. Tato měření v infračerveném spektru jsou potřebná nejen v noci, ale celý den. „Pokud naše snahy o obnovení chladicího systému neuspějí, budeme hledat alternativní koncepty a odlišné provozní módy přístroje ABI,“ uvedl Volz.

Družice GOES-15 vypuštěná v roce 2015 momentálně slouží na pozici GOES-West, kde má pracovat GOES-17. Sběr dat z této oblasti tedy není ohrožen – nedaleko je navíc záložní GOES-14 stará skoro devět let. Ta číhá v pohotovostním režimu, aby mohla začít fungovat, pokud by primární družice selhala. „Na západní pozici máme dvě družice, které můžeme použít k rozšíření čehokoliv budeme potřebovat,“ konstatoval Walsh a dodal: „Dodávka našich služeb není ovlivněna. Na stole je teď otázka, zda dokážeme naše služby v příštím roce rozšířit o extra výkon GOES-17.“

Přístroj ABI na nové generaci družic GOES dokáže zachytit pestřejší pohledy na bouře a další jevy než kamery na starších meteorologických družicích a navíc je pořizuje rychleji. ABI dokáže posílat snímky celé polokoule každých 15 minut, což je jen polovina času, kterou potřebovaly starší družice. Kromě toho je přístroj schopen nasnímat celé kontinentální území Spojených států každých pět minut. Družice s tímto přístrojem mohou posílat fotky extrémně důležitých a měnících se oblastí jako jsou třeba jádra hurikánů každých 30 sekund – dřívější družice tento úkol zvládaly jednou za pět minut.

ABI umí souběžně pořizovat široký snímek celé polokoule i detailní fotky vybraných lokalit, takže meteorologové mají neustálý přehled o hurikánech a tornádech. Šestnáctikanálový ABI umožňuje získat podrobnější náhled na úrovně vlhkosti a druhy mraků, což je věc, kterou minulé generace družic neuměly – předchozí satelity GOES měly snímače nastavené na pět odlišných částí světelného spektra. Díky tomuto vylepšení mohou meteorologové rozlišovat mezi sněhem, mlhou, oblačností, vulkanickým prachem a dalšími částicemi rozptýlenými v atmosféře.

Inženýři podle nedávného prohlášení věří, že aktuální problém s chlazením je možné opravit, nebo alespoň omezit jeho následky. „Zabýváme se tím velmi důkladně.  Vytvořili jsme meziagenturní technický tým, ve kterém jsou i zástupci našich kontraktorů a všichni se snaží pochopit závadu a najít cestu, jak ji opravit, aby chlazení opět fungovalo. Je to ale velká výzva, protože jsme od družice 36 000 kilometrů daleko a můžeme vycházet pouze z telemetrických dat,“ přiznal Volz.

„Zatím se zdá, že vhodné podmínky, tedy provozní teplotu 60 kelvinů dokážeme udržet jen po dobu zhruba půl dne. V různých fázích oběžné dráhy jsou různé tepelné podmínky, slunce svítí z různých míst a to vše ovlivňuje, jak se přistroj ohřívá,“ popisuje Pam Sullivan, projektová manažerka GOES-R z Goddardova střediska a dodala: „Během teplé části oběhu se tepelná zátěž zvyšuje, až se dostane do fáze, kdy nejsme schopni dostatečně uchladit detektory.“

Přístroj je nejvyšším teplotám vystaven ve chvíli, kdy se nachází nad noční stranou země, protože Slunce je v té době umístěné tak, že svítí přímo do kamery. Chladič má za úkol odebírat teplo z přístroje a vyzářit jej do vesmíru přes teplovodné trubice a radiátor. Odborníci již zúžili oblast problému právě na teplovodné trubice a radiátor, takže se chladič přehřívá. Odborníci studují také chování identického přístroje na již zmíněné GOES-16, ale i na japonských družicích Himawari 8 a 9, které také vyvinula společnost Harris a které fungují bez problémů.

V případě, že se nepodaří obnovit funkčnost chladicího systému, GOES-17 bude pořád částečně použitelná. „Ani ten nejhorší scénář neznamená, že bychom neměli žádná data z infračervených senzorů. Ty informace jsou degradované, nikoliv nulové,“ upřesnil Volz a dodal: „Snažíme se sledovat jejich chování a navíc kanály ve viditelné části pracují dobře. I přes tyto problémy v úvodní fázi jsme pořád schopni provozovat velmi schopnou družici.“

Snížené schopnosti by však mohly znamenat, že se meteorologové nebudou moci plně spolehnout na data z GOES-17, která měla být hlavním satelitem monitorujícím počasí nad velkou částí USA a okolními vodami. „Ať už to opravíme nebo ne, musíme se zaměřit na to, jak z této mise získat maximum možných dat,“ uvedl Walsh.

NOAA by v dalších letech chtěla vypustit další dvě družice z této nové generace – GOES-T a GOES-U. I na jejich palubě bude stejný typ přístroje ABI, jaký je na GOES-17. Podle Volze je příliš brzy na to říct, zda se nějak změní termín startu GOES-T a zda tato družice zajistí pozorovací možnosti, které měla plnit GOES-17. Dosavadní plány počítají se startem GOES-T v květnu 2020 a GOES-U má přijít na řadu v roce 2024. NASA, která dohlíží na starty družic NOAA zatím nevybrala raketu pro žádnou z těchto misí, ale očekává se, že o tyto dvě zakázky budou soutěžit pouze dvě rakety – Atlas V od United Launch Alliance a Falcon 9 od SpaceX. „Nové termíny startů jsme zatím neurčili. Jsou tu určité věci, s jejichž termíny se moc hýbat nedá. Zatím počítáme se startem GOES-T v roce 2020 a je předčasné mluvit o tom, kam a jak bychom termín startu chtěli přesunout,“ dokončil Volz.

Zdroje informací:
https://spaceflightnow.com/

Zdroje obrázků:
http://www.spaceflightinsider.com/…/02/GOES-R_Earth-Reflection-2012_rsz-1600×1060.jpg
http://www.ims.fraunhofer.de/fileadmin/media/Pressemitteilung_Infrarot_Sensoren.jpg
http://spaceflight101.com/…/sites/122/2016/11/14426158763_bcd761f5ce_o.jpg
http://spaceflight101.com/goes-r/wp-content/uploads/sites/122/2016/11/goesr-18.jpg
http://spaceflight101.com/…/uploads/sites/122/2016/11/14405996125_35a40ee892_o.png
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/30920104141_c9b212dfd5_k-2-678×677.jpg
http://spaceflight101.com/…/uploads/sites/122/2016/11/14400595575_991a1c5be4_o.jpg
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/2018/05/38844339600_211a5b5554_b.jpg
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/23522348978_79cbd91c46_b-678×509.jpg
http://spaceflight101.com/goes-r/wp-content/uploads/sites/122/2016/11/goesr-17.jpg
https://blogs.nasa.gov/…/uploads/sites/280/2018/01/GOES-S-Encapsulation-1024×683.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/mainimage2goesstvac2101791.jpg