Už za pár týdnů se k Mezinárodní kosmické stanici vydá dvojice vědeckých přístrojů, které by mohly velmi výrazně zasáhnout do kvality předpovědi počasí. Dva inovativní systémy by měly v první řadě demonstrovat své schopnosti, jelikož jsou mnohem menší a také mnohem levnější než dosavadní meteorologické družice. Navzdory menším rozměrům i ceně však dokáží nasbírat ty nejdůležitější údaje. Hlavním úkolem přístroje COWVR (Compact Ocean Wind Vector Radiometer) na náhledovém obrázku dnešního článku bude měření směru a rychlosti větru nad povrchem oceánů. Přístroj TEMPEST (Temporal Experiment for Storms and Tropical Systems) se zase zaměří na vzdušnou vlhkost.

Oba přístroje, které jsou v první řadě technologickými demonstrátory, navrhli a postavili experti z kalifornské JPL. Získaná měření bude NASA ukládat a poskytne je všem zainteresovaným uživatelům. Kromě sběru vědeckých dat jde však především o prověření, že tyto systémy dokáží v kosmickém prostoru pracovat a sbírat data pro meteorology. Oba přístroje jsou součástí mise ST-H8 (Space Test Program-Houston 8), který spravují Kosmické síly. Start tohoto nákladu k ISS na palubě nákladní lodi Dragon 2 (v rámci mise CRS-24) je plánován na 21. prosince letošního roku.

Mikrovlnný radiometr WindSat.
Zdroj: https://www.star.nesdis.noaa.gov/

Vývoj přístroje COWVR trval téměř deset let a vyvinul se z projektů amerického ministerstva obrany, které byly zaměřeny na pozorování životního prostředí a předpověď počasí z oběžné dráhy. Armáda sbírá údaje o počasí k předpovědím vzdušného proudění nad oceány pomocí přístroje WindSat vypuštěného v roce 2003. Tento mikrovlnný radiometr měří přirozeně se vyskytující mikrovlny vydávané zemskou atmosférou a povrchem. Když nad oceány vítr zesílí a vlny se zvýší, dojde i ke zvýšení emisí mikrovln. Mikrovlnný radiometr tedy zaznamenává změny tohoto vyzařování. Následné zpracování pak může odhalit jak rychlost, tak i směr větru nad hladinou oceánů. Tato měření jsou důležitá pro sledování vývoje bouří a hurikánů. Proto jsou získané výsledky zpracovávány do předpovědí a varování pro města na pobřeží a lodě na volném moři.

WindSat již dalece překročil očekávanou životnost a pracuje dodnes. Už v roce 2012 však americké letectvo zahájilo práce na novějším radiometru, který by měl WindSat nahradit, než tento přístroj přestane fungovat. Náklady a náročnost vývoje těchto zařízení přiměly vědce z ministerstva obrany uvažovat o tom, jak by mohl vypadat senzor nové generace pro sledování větru nad oceány. A právě v této fázi do celého příběhu vstupuje NASA. Shannon Brown, inženýr z JPL pracoval na mikrovlnném radiometru pro družici Jason-3, která vznikla ve spolupráci NASA, NOAA a evropských organizací za účelem měření výšky mořské hladiny. Brown poznal, že pokroky v návrhu přístroje pro Jason-3 by se daly využít pro naplnění požadavků na předpovědi počasí. „Dali jsme dohromady koncept, který využíval většinu hardwarových návrhů z Jason-3 a ukázalo se, že by takový přístroj dokázal měřit směr a rychlost větru za mnohem nižší náklady, než co stavělo letectvo,“ uvedl Brown.

Schéma mikrovlnného radiometru COWVR (Compact Ocean Wind Vector Radiometer).
Zdroj: https://directory.eoportal.org/

Inovativním aspektem přístroje COWVR je jeho zjednodušený design. Radiometr WindSat se kvůli sběru dat otáčí zhruba třicetkrát za minutu. Inženýrské výzvy spojené s návrhem, vývojem a napájením dílů, které se mají v kosmickém prostoru milionkrát otočit, se již dříve ukázaly jako jeden z nejsložitějších a nejdražších aspektů vývoje radiometrů. COWVR tedy snížil  počet pohyblivých dílů a místo chybějících dílů použil nově vyvinuté algoritmy. Tyto algoritmy získávají z toku surových dat požadované údaje o rychlosti a směru větru. Části, které se stále musí otáčet, jsou nyní umístěny na otočné základně a díky tomu nemusí být napájeny samostatně. Takto zefektivněný přístroj váží jen 58,7 kilogramu. Ke svému provozu navíc potřebuje pouze 47 wattů energie, což je podle NASA srovnatelné s noční lampičkou. Tato čísla vyniknou především při přímém srovnání s přístrojem WindSat. Ten totiž váží 450 kilogramů a spotřebuje 350 wattů.

Experti z JPL s přístrojem COWVR
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Tým vědců a inženýrů z NASA začal vyvíjet přístroj v roce 2013 na JPL, přičemž rozpočet byl stanoven na 24 milionů dolarů, což odpovídá jedné pětině nákladů na přístroj WindSat. Rozpočet přístroje COWVR nebyl překročen a k jeho dokončení došlo po 27 měsících. Tehdy se předpokládal start v roce 2018. „Ke splnění úkolu byl zapotřebí opravdu talentovaný tým,“ přiznává Brown a dodává: „Museli jsme se řídit nejlepším inženýrským úsudkem každého z nás, abychom pokračovali vpřed.“ Don Boucher, hlavní vědecký pracovník v kanceláři hlavního architekta kosmických sil (které převzaly projekty amerického letectva) sledoval projekt z armádního hlediska. „COWVR má jasnou možnost, že pro naše uživatele naprosto změní pravidla hry,“ říká a dodává: „Jeho stavba je jednodušší, snáze se testuje, jeho výroba trvá kratší dobu, takže jich můžete za cenu jednoho tradičního radiometru postavit několik. To má obrovské důsledky pro náš dodavatelský řetězec.“

Když na rok 2018 plánovaný start nevyšel, obrátilo se letectvo na program STP (Space Test Program). Ten zajišťuje starty ke kosmické stanici pro armádní vědeckou a technickou komunitu. Oběžná dráha kosmické stanice poskytne přístroji COWVR výhled na povrch oceánu v různou denní dobu při každém oběhu. To je velký rozdíl oproti sun-synchronní dráze, na které družice přelétává nad nějakým místem vždy ve stejné části dne. To postupně pomůže pochopit, jak se vlny v oceánech vyvíjí a mění v průběhu dne.

Přístroj TEMPEST (Temporal Experiment for Storms and Tropical Systems)
Zdroj: https://www.researchgate.net/

„Námořnictvo má opravdu velký zájem o sledování intenzity tropických cyklónů, ovšem to byla jedna z věcí, které jsme nemohli zapracovat do přístroje COWVR, jelikož jsme měli velmi omezený harmonogram,“ vzpomíná Brown z JPL. Ovšem zmíněná organizace již měla k dispozici přístroj postavený právě za tímto účelem – TEMPEST s rozměry krabice na snídaňové cereálie. Konkrétně šlo o zálohu letového exempláře. V podstatě jde o dvojče letového kusu kosmického přístroje TEMPEST-D, který se na oběžnou dráhu podíval v roce 2018. Také TEMPEST je mikrovlnný radiometr, ovšem místo větru se zaměřuje na mikrovlnné záření trochu jiné vlnové délky, které indikuje přítomnost vodní páry. Sběrem dat z několika hurikánů od roku 2018 do loňského června přístroj prokázal, že je schopen měřit vodní páru v několika úrovních atmosféry stejně, jako to uměly předešlé družice.

TEMPEST (Temporal Experiment for Storms and Tropical Systems)
Zdroj: https://d3i71xaburhd42.cloudfront.net/

„TEMPEST nám přináší možnost sledovat jak množství atmosférické vlhkosti, tak i její vertikální rozložení,“ popisuje Steve Swadley, vedoucí zodpovědný za kalibraci a ověřování mikrovlnných senzorů z U.S. Naval Research Laboratory v kalifornském Monterey a dodává: „To je důležité jednak pro numerické modely, ale i pro charakterizaci vlhkosti, která obklopuje tropické bouře. Když nám tedy Shannon Brown řekl: „Máme náhradní TEMPEST – mohl by se pro tuhle misi hodit?“ bylo odpovědí nadšené ano!“

Pokud budou oba přístroje pracovat podle očekávání, mohla by nová levná technologie dosáhnout širšího využívání. Organizace by tak mohly být schopny vypustit čtyři nebo pět družic za stejné náklady, které by dříve stačily na družici jedinou. Aktuálně je meteorologických družic tak málo, že většinou jen jedna až dvě přelétnou za celý den nad formující se bouří. Těchto pár snímků nedává meteorologům dostatek informací ke sledování výbušného vývoje, který v mnoha bouřích probíhá. Více družic by tak umožnilo vědcům zlepšit přesnost předpovědí a zachránit tak více životů. To je ale zatím ještě daleko. Jak Brown zdůraznil, STP-H8 je stále technologická demonstrace, která má ukázat realizovatelnost těchto přístrojů. „Nemáme důvod se domnívat, že nesplníme očekávané úkoly. Ale ať už to dopadne jakkoliv, jsme přesvědčeni, že se toho hodně naučíme,“ dodal Brown.

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/1-cowvr-in-etl-vibration-1041.jpg
https://www.star.nesdis.noaa.gov/mirs/images/instruments/Windsat.jpg
https://directory.eoportal.org/documents/163813/3345897/ORS6-SSOA_Auto1.jpeg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/d2015_0930_t007_proof-1041.jpg
https://www.researchgate.net/…rpm-to-view-the-Earth-scene_W640.jpg
https://www.researchgate.net/…provide-instrument-heritage-for_W640.jpg