För sju år sedan skickade japanska rymdflygstyrelsen Jaxa (Japan Aerospace Exploration Agency) ut en farkost som skulle ta markprover på asteroiden 25143 Itokawa i asteroidbältet bortom Mars bana och ta med sig materialet tillbaka till jorden. Om vi kan undersöka asteroidmaterial kan vi lära oss mycket om solsystemets ursprung.

Den här artikeln är en genomgång av hela färden, den mirakulösa teknikbedriften att rädda farkosten och den lyckliga hemkomsten.

Bragden i korthet

Hayabusa (”falk”, eller Muses-C som den kallades först) skickades upp med en japansktillverkad M-V-raket den 9 maj 2003 och accelererades genom en slungoperation runt jorden i maj 2004 och nådde målet asteroiden Itokawa den 12 september 2005 efter att den rest cirka 2 miljarder kilometer. Den tog mängder av bilder av Itokawa och gjorde två försök att landa för att ta markprover. Itokawa är en potatisformad himlakropp som är cirka 600 meter lång på längsta stället. Den har fått sitt namn efter den japanske raketpionjären Hideo Itokawa.


En helbild av den jordnötsformade, 535 meter långa asteroiden Itokawa.

Just när Hayabusa förmodligen tagit ett prov uppstod ett bränsleläckage, antennerna svängde bort från Jorden och kontakten bröts. En och en halv månad senare fiock man kontakt igen. Då visade det sig att farkosten förlorat allt sitt reaktionsbränsle, kanske vid sammanstötningen med asteroiden, men det visade sig att den snällt låg och guppade i väntbana runt Itokawa.

Detta borde ha fått vem som helst att ge upp. Men Jaxa gav inte upp utan räknade raskt fram en ny bana som farkosten kunde använda för att ta sig hem till Jorden på jonmotorerna. Det kom att ta betydligt längre tid än om man kunnat accelerera med reaktionsbränsle, men det skulle fungera.


Hayabusa vägde 510 kilo och själva farkosten hade måtten 1x1,6x2 meter. När solpanelerna fälldes ut var deras totala längd 5,7 meter.

Och det fungerade. Som planerat kom Hayabusa tillbaka till jorden och landade nära Womera i Australien den 13 juni, efter en färd på 4.000.000.000 kilometer. Efter att ha varit död. Efter att ha lyckats smälla bränsletankarna. Efter att ha legat i dvala i världsrymdens kyla utan kontakt med Jorden.

Inte nog med att man fick tillbaka kontakten och gav farkosten nya instruktioner, man fick igång en redundant uppsättning motorer och lyckades pricka Jorden efter sju års färd. Det, mina vänner, tillhör något av det mest fantastiska människan någonsin presterat.

För att man skulle ha någon aning om vad man kunde förvänta sig av storlek och rotationstid gjorde Areciboteleskopet radaravbildningar av asteroiden. Teleskopet inte bara lyssnar på Universum, det kan skicka ut radar också, från en enmegawatts sändare. Med mycket avancerad dopplerteknik kan man bilda sig en uppfattning om asteroiders och planeters utseende med hjälp av bara ett enda radareko.

Den fantastiska tidtabellen

2003
9 maj: Uppskjutning från Kagoshima Space Center med en M-V-5-raket
15 maj: Jonmotorerna startades. Maximal kraft 25 millinewton. Den första jonmotorn gick sönder relativt snabbt.
2004
19 maj: Banändring för utfärd via slungmanöver kring Jorden, med jonomotorer
2005
29 juli: Nästan framme. Navigatorn, Star-tracker-instrumentet, kalibrerades genom att ta en bild av Itokawa
12 september: 20 km från Itokawa
30 september: Vid hemposition, 7 kilometer från Itokawa
12 november: Släppte sonden Minerva. Minerva förlorades.
20 november: Första landningen och nedläggning av en behållare med 880.000 namnteckningar
26 november: Andra landningen
8 december: Förlorade kontakten med Jorden på grund av bränsleläckage
2006
26 januari: Kontakt med Jorden återupptogs. Uppdraget återstartades.
2007
18 januari: Provtagaren återfördes in i provtagningskapseln, vilken låstes och förseglades
Februari: Jonmotorerna visade sig fungera och startades
25 april: Hemresan på jonmotorer påbörjades
18 oktober: Första banmanövern mot Jorden avslutad
2008
Maj: På längsta avståndet från Jorden
2009
4 februari: Jonmotorn startades för en andra banmanöver för återvändo till Jorden
4 november: En jonmotor till gick sönder
19 november: Färden återupptogs med två delvis fungerande jonmotorer
2010
27 mars: Andra banmanövern avslutad
April - juni: Flera bankorrigeringar
13 juni: Återinträde i atmosfären
14 juni: Kapseln hittades
24 juni: Kapseln öppnas
28 juni: Första partiklarna ute
16 november: Partiklarna identifierade

Färden startar med en sväng runt jorden

Utfärden började med en första slungoperation kring jorden för att vinna ytterligare fart. Det skedde i maj 2004 efter att sonden hållit på att öka farten i en bana runt Solen i ungefär ett år, framdriven av jonmotorer. Banan tog den på ett avstånd av bara 3700 kilometer från jorden, alltså väl innanför geostationär bana, och jordens gravitation och kraften fån jonmotorerna slungade ut den i en ny, elliptisk bana som skulle ta den ända fram till asteroidbältet. Efter den branta svängen fick jonmotorerna börja jobba igen.

Jonmotorn eldar på. Hayabusa hade fyra jonmotorer, men en av dem gick sönder på grund av utmattning och korrosion redan innan man hunnit fram till asteroidbältet. Detta spelade ingen roll. De tre andra motorerna, varav endats två slutligen användes, räckte utmärkt.

Äntligen framme

Den 12 september 2005, efter nästan två års färd, var farkosten framme vid Itokawa och det var dags att börja dokumentera.

En av bilderna som Hayabusa tog av asteroiden 25143 Itokawa, döpt efter den japanske raketpionjären Hideo Itokawa. Fram med de rödgröna glasögonen. Klicka på bilden för förstoring.

>> Itokawa är 535 meter lång och ytan är full av småsten
>> Den upptäcktes redan 1998 av teleskopet Linear
>> Dess banan rör sig mellan 0,9 och 1,6 AU från solen och den korsar ibland Mars bana
>> Omloppstiden är 556 dagar
>> Densiteten är 1,9 ton/m3, ungefär dubbelt så tung som vatten, som en snöboll blandad med sand. Ett albedo på 0,53 får den att se ganska ljus ut
>> Den största stenen är 50 meter bred och fick namnet ”Yoshinodai”
>> Den har förmodligen skapats som följd av en kollision mellan två större kroppar (sk contact binary), varefter des gravitationen sugit åt sig småbitarna, som hamnat på ytan.

Provtagningsmetodik

Tre saker skulle uppnås, utöver fullständig fotodokumentering av asteroiden.

>> En liten boll (”marker”) innehållande 880.000 namnunderskrifter skulle släppas på asteroidens yta
>> Ett markprov skulle tas
>> Den lilla sonden Minerva (MIcro/Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid) skulle släppas lös

Avsikten var att den lilla, 600 gram lätta farkosten, skulle studsa omkring på ytan i den låga gravitationen och ta bilder med sina tre CCD-kameror. Tyvärr gjorde Hayabusa en automatisk kurskorrigering under landningsfasen just när Minerva släpptes lös, och den lilla sonden for all världens väg ut i världsrymden. Den går förmodligen fortfarande i bana runt Itokawa.

Provtagningen skulle gå till så att Hayabusa sköt ut en ”näsa”, ett fjädrande rör som skulle ställas mot asteroidens yta. Väl där skulle en projektil skjutas rätt ned och det material som sprutade upp, skulle spruta rakt in i provtagningsbehållaren. Genom dopplermätnignar kunde man ta reda på att Hayabusa stått med nosen i marken i cirka 30 minuter, men eftersom landningssensorn inte fungerade så sköts aldrig projektilen av.


Hayabusa ser sin egen skugga på Itokawas yta. Solen står givetvis rakt i ”ryggen”.

Vid en andra landning, där sonden träffade ytan med 10 centimeter per sekund gav man order om att två projektiler skulle skjutas av, men det är oklart om de faktiskt sköts av.

Omedelbart efter detta rapporterade sonden ett problem med bränsleläckage.

Läck i bränslesystemet

Av okänd anledning blev det läck i det kemiska bränslesystemet (Hydrazin) efter den andra landningen mot slutet av år 2005. Flytande bränsle började läcka ut den 26 november 2005. Detta fick hela farkosten att sakta börja vrida sin riktantenn bort från riktningen mot Jorden. Ett varvs rotation tog sex minuter. Den 29 november släppte man ut allt återstående bränsle och accelerationen i rotationen upphörde. Radiosignalen avtog på grund av rotationen i styrka och bitrate och var på slutet nere i 8 bps genom den rundstrålande Low Gain Antenna och den 9 december förlorade man kontakten helt.


Detta är den närmaste närbilden som Hayabusa tog av Itokawa. Vi hade fått ännu närmare bilder om inte den stackars miniroboten Minerva hade farit iväg åt helt fel håll.

Eftersom vridnigen var känd, kunde man räkna ut att kontakten skulle kunna återupptas med 60% säkerhet i april 2006 och därefter i december 2006. Då gällde det att ha en laddning kommandon klara. Den 4 december var dataraten uppe i 256 bps eftersom man lyckats få tillbaka riktantennen till 20 graders vinkel från Jorden.

Den långa vägen hem

Den 18 januari 2007 hade man hunnit så långt att man kunde beordra in provtagaren i kapseln igen. Kapseln låstes och förseglades för att klara återinträdet i jordatmosfären.

Eftersom reaktionsbränslet pyst ut fick man sätta upp en ny kurs för hemfärden och använda sig enbart av jonmotorerna. Färden kom att bli betydligt längre än ursprungligen planerat, hela 3 år.

Det fanns bara tre jonmotorer kvar av de ursprungliga fyra och under vägen gick ytterligare en sönder på grund av utmattning. Man hade inte räknat med den extra tidsutdräkten när man ursprungligen beräknade motorernas livslängd, men det var aldrig brist på xenonbränsle. Resultatet blev att den sista biten fick göras på två motorer på halvfart, men Jaxa kom fram till att tidtabellen skulle kunna hållas ändå.

Lite om provtagningskapseln

Landningsmodulen genomskuren, visad utan fallskärmar.

Provtagningskapseln finns mitt inuti modulen. Värmesköldarna var av kolfiber.

Äntligen hemma med den dyrbara lasten!

Den sista banjusteringen inleddes 9 juni på 1,9 miljoner kilometers avstånd från Jorden. Att bara få upp jonmotorernas fulla dragkraft tog 2,5 timmar.

Återinträdet i atmosfären började den 13 juni, ovanför Australien.


Bild: NASA Ames Research Center / Jesse Carpenter / Greg Merkes.

Nasa var uppe med ett flygplan ovanför molnen för att se återinträdet, som en del i forskningen kring hur olika värmesköldar fungerar. Så här såg det ut ovanför Woomera Test Range den dagen. Det är alltid lite lösbitar som ramlar av och brinner upp i atmosfären, till exempel skyddet över fallskärmen, men provtagningskapseln klarade sig.

Återinträdet skedde med den näst högsta hastigheten någonsin, nämligen 12,2 kilometer per sekund. Det var därför extra intressant för Nasa att studera.

Provtagningskapseln landade i fallskärm i Australien precis som planerat, på en plats kallad Woomera Prohibited Area och kapseln togs om hand av forskare den 14 juni 16.08 japansk tid.

Det måste vara nästan en helig känsla att få ta i det första föremål skapat av människan som varit ute utanför Mars bana och återvänt.

Kapseln tycktes vid omhändertagandet vara oskadd. Den öppnades givetvis inte, utan fördes, inpackad i dubbla plastpåsar fyllda med kvävgas, till ett renrum hos Jaxa i Sagamihara i Japan. Dit kom den 18 juni.


Provbehållaren medan den fortfarande sitter kvar i landarmodulen.

Analys

Efter att ha undersökts med röntgentomograf lades kapseln i en öppningsapparat och kvävgastrycket i kammaren anpassades till trycket inuti kapseln, för att inget material skulle flyga ut, eller in, vid öppnandet. Den 24 juni öppnades kapseln och visade sig innehålla små dammkorn. Det första kornet togs ut den 28 juni och visade sig bestå av vita och grå partiklar (sten och is?).


En partikel man funnit på provbehållarens insida. Det här är ingen vidare mikroskopbild, men själva partikeln syns i spetsen på en manipulatorarm, en pinne av kvartsglas. Det svarta upptill är skuggan av de båda.

Man antog och hoppades att dammkornet faktiskt kom från asteroiden Itokawa och inte härrörde från Jorden, och undersökningarna fortsatte.

Triumfens dag

Grädden på moset eller löken på laxen inträffade den 16 november 2010 när Jaxa stolt kunde meddela att man funnit partiklar av utomjordiskt ursprung i kapseln. Ett svep inuti kapseln med en spatel av plast gav ett antal partiklar som resultat, mest aluminiumspån från kapseln, som dock lätt kunde identifieras. Dessutom fann man cirka 1500 partiklar av bergarterna olivin, pyroxen, plagioklas med flera, men med en annan sammansättning än vad man finner på Jorden. Sammansättningen jämfördes med de material man kan finna vid uppskjutningsplatsen i Sakurajima i Japan och vid landningsplatsen i Woomera i Australien, men det finns ingen överensstämmelse. I både det pyroxen och olivin som hittades, var halterna järn jämfört med järn+mangan cirka 5 gånger högre än i jordiskt material. Detta överensstämmer också med halterna man funnit inuti primitiva meteoriter och de fjärrmätningar Hayabusas kameror gjorde på plats. De flesta partiklarna var i storleken 10 mikrometer eller mindre.


Ett avskrap ur kapselns innandöme i elektronmikroskop. De två mineralpartiklarna är cirka 40 mikrometer stora.

Jaxa avser att fortsätta analyserna genom att dela vartenda korn på mitten och undersöka kristallstrukturen med den japanska synkrotronstråleringen SPring-8 i Hyogo.

Eftertänkligheter

De partiklar som hittades inuti kapseln består av bergarter som är ganska vanliga på Jorden också, men med annan sammansättning. Mineralet triolit förekommer dock inte på Jorden, men finns inuti meteoriter. Undersökningen av mineralerna kommer att ge många nya insikter om hur solsystemet bildades.

Den nuvarande kunskapen om asteroiderna är till största delen baserad på studier av nedfallna meteoriter, men det är svårt att jämföra meteoriter med de asteroider de ursprungligen kom ifrån. Hayabusa har löst problemet genom att hämta hem orört material från en välkänd asteroid. Sålunda minskar man diskrepansen mellan data uppmätt på meteoriter i jordiska laboratorier och insamlat kosmiskt damm, och verkligt asteroidmaterial. Ytterligare kunskaper kommer att kunna erhållas när man jämför data från instrumenten i Hayabusa med data och bilder som togs av mjuklandaren NEAR Shoemaker.

Trots att människan för länge sedan skickat upp sonder som redan flugit långt utanför solsystemet (Voyager och Pioneer), sonder som tagit helt andan-ur-tagande bilder av exempelvis Jupiter och Mars, en sond som kraschat på en komet (Deep Impact) och en som mjuklandat på en asteroid (NEAR, 2001), anser undertecknad ändå att detta är en av de största bedrifter människan åstadkommit.

Många gratulationer till Jaxa och det japanska folket för detta!

Läs mer

Jaxa: www.jaxa.jp
Jaxas egen pressrelease: www.jaxa.jp/press/2010/11/20101116_hayabusa_e.html
Nasas pressrelease: www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/hayabusa.html
Jaxas Hayabusa-sajt: www.isas.jaxa.jp/e/enterp/missions/hayabusa/index.shtml
Senaste hayabusanytt från Jaxa, Hayabusabloggen: http://hayabusa.jaxa.jp/e/index.html
En klickbar tidtabell: http://hayabusa.jaxa.jp/e/index.html
Om olivin: http://en.wikipedia.org/wiki/Olivine
Om pyroxen: http://en.wikipedia.org/wiki/Pyroxene
Om plagioklas: http://en.wikipedia.org/wiki/Plagioclase
Jaxa har gått från att vara tämligen anonyma till att sprida information nästan i klass med ESA. Här är sajten om deras nya Venus-sond Akatsuki: www.jaxa.jp/countdown/f17/overview/akatsuki_e.html
Om Near: www.idg.se/2.1085/1.193079/2008-a-space-odyssey--asteroidbatet

Jaxa blev också först med att annonsera att solsegling fungerar. Det japanska solseglet Miranda släpptes ut i rymden i närheten av Venus den 21 maj och man har nu kunnat konstatera att det påverkas av en kraft på 1,13 millinewton enbart av solljus, vilket var helt enligt beräkningarna.