Za vesoljske odprave je dobro le najboljše

Fizik dr. Marcos Bavdaž je vodja oddelka za razvoj naprednih tehnologij za prihodnje znanstvene odprave Evropske vesoljske agencije (Esa) na Nizozemskem. Vseskozi spremlja inovacije, s katerimi bodo opremili prihodnje vesoljske teleskope, da bi karseda natančno razumeli, kako deluje narava. Pri njih tudi sodeluje, med drugim je izdelal inovativno optiko iz silicijevih por za največji rentgenski teleskop Nova Atena.

»Znanstveniki imajo veliko idej, kaj bi želeli raziskovati in kakšne naprave bi za to potrebovali. Naša naloga je, da so tehnologije iz odprave v odpravo boljše, še bolj inovativne, da bodo znanstveniki dobili ustrezne podatke in iz njih nova spoznanja,« je poudaril v pogovoru ob nedavnem obisku Slovenije.

Odprave, ki so jih pri Evropski vesoljski agenciji izstrelili v zadnjem času oziroma jih bodo v prihodnjih letih, so nastale v programu Horizon 2000 (Obzorje), potem Cosmic Visions (Vizije), zdaj že snujejo in sestavljajo misije v programu Voyage 2050 (Potovanja). V programu bo več srednjih in nekaj velikih odprav, med drugim si pri Esi želijo pobliže raziskovati Saturnove lune, morda na kakšni tudi pristati, za zdaj sta med večjimi odpravami v programu že potrjeni New Athena in Lisa.

»Znanstveni program Ese je zelo širok, vključuje vse od gradnje raket, opazovanja Zemlje, raziskovanja vesolja, programa astronavtov do navigacijskih in telekomunikacijskih sistemov. Sam sem odgovoren za pripravo tehnologij za vesoljske odprave v znanstvenem direktoratu. Na primer, tehnologije, nameščene na satelitih, ki sta trenutno na poti proti Merkurju in Jupitru, to sta BepiColomo in Juice, smo pripravili in odobrili na mojem oddelku. S kolegi vseskozi posodabljamo tehnološke načrte, da imamo vedno nabor najnovejšega. Hkrati ugotavljamo, kaj nam manjka, kakšne inovacije potrebujemo. Zato budno spremljamo industrijo in delo v drugih vesoljskih agencijah, zlasti ameriški in japonski, Nasi in Jaxi. Seveda ne bomo ponavljali za njimi. Če imajo tehnologijo, ki jo potrebujemo, jih povabimo k sodelovanju. Na primer, hladilni sistem, ki so ga pripravili za vesoljski teleskop Jamesa Webba, bi bil z nekaj manjšimi prilagoditvami primeren tudi za našo prihodnjo odpravo New Athena. Zakaj bi si izmišljevali in porabljali dragoceni čas za nekaj, kar že obstaja?« je razložil dr. Bavdaž.

Nova optika za Novo Ateno

Esa je odpravo Athena (Atena) izbrala leta 2014, lani je odbor za znanstveni program potrdil spremenjeno različico rentgenskega observatorija in ga preimenoval v Novo Ateno. To bo največji rentgenski observatorij, kar so jih kdaj zgradili, predvidoma naj bi ga izstrelili okoli leta 2037 z evropsko raketo ariane 6. Z veliko natančnostjo bo raziskoval nekatere najbolj visokoenergijske pojave v vesolju. Pri Esi pričakujejo, da bo revolucionarno vplival na raziskovanje vesolja in njegove zgodovine, nevtronskih zvezd, črnih lukenj, supernov in njihovih ostankov … Teleskop bo opremljen z naprednimi ogledali in optiko iz silicijevih por – pri izumu teh por je sodeloval tudi dr. Bavdaž. Optika bo zbirala in usmerjala svetlobo proti dvema glavnima detektorjema teleskopa, prvi bo ustvarjal širokokotno sliko iz rentgenske svetlobe, drugi pa natančno meril energijo prihajajočih fotonov. Teleskop bo za nekaj razredov boljši od Nasinega Chandre in Esinega XMM Newtona.

Rentgenski teleskop Nova Atena naj bi bil za izstrelitev pripravljen leta 2037. FOTO: Esa  

»Pri tako velikih odpravah sodeluje širok konzorcij različnih organizacij iz več evropskih držav, ki so članice Ese. Za vesoljske odprave je dobro le najboljše, vse mora biti preizkušeno. Sestavne dele lahko razvijejo industrijski partnerji ali pa agencija sama. Za infrardeči teleskop Herschel smo na primer morali sami razviti ustrezne materiale za izdelavo ogledala. Tudi optiko za New Atheno razvijamo že dvajset let. K sodelovanju smo pritegnili industrijo z najrazličnejšimi specifičnimi razpisi, kaj želimo, v kakšnem časovnem okviru in koliko denarja ponujamo. Čeprav nalogo prepustimo nekemu podjetju, vseskozi zelo natančno spremljamo razvoj in pomagamo pri odločitvah. Vsekakor ima Esa znanje in inženirji z veseljem priskočijo na pomoč pri reševanju problemov,« je razložil sogovornik.

Tako je Esa v sodelovanju z industrijo razvila optiko iz silicijevih por. »Ko smo izstrelili teleskop XMM Newton, leta 1999, smo že začeli razmišljati o naprednejši rentgenski odpravi. Dobil sem nalogo, da izdelam potrebno napredno tehnologijo,« se je v pogovoru spominjal fizik, ki je bil v preteklosti med drugim odgovoren za izdelavo inovativne detektorske enote observatorija BeppoSAX. »Esa je razvila optiko za Newtona, Nemci so jo nato izboljšali za rentgenski instrument eRosita. A pri vsaki tehnologiji obstaja meja za izboljšave, nato potrebujemo popolnoma novo zasnovo. Inovacije nam narekujejo znanstveniki, ki povedo, kaj želijo opazovati, mi pa nato ugotovimo, kakšno ločljivost potrebujemo. Ko smo začeli snovati New Atheno, nam je bilo jasno, da obstoječe rentgenske optike ne moremo več posodobiti, da bi bila kos znanstvenim zahtevam. Bil sem pred zanimivim izzivom,« je pripovedoval.

Kadenca odprav je majhna in zato izboljšav tehnologij ni na pretek. »Zadnji rentgenski teleskop smo izstrelili pred 25 leti. Vedeli smo, da potrebujemo nekaj modularnega, da se stvari sestavljajo, saj se s tem izognemo gradnji velikih proizvodnih naprav. Poleg tega mora biti material stabilen in zelo stabilen je silicij, ki ga večinoma uporablja elektronska industrija,« je opisal pot od ideje do produkta.

»Včasih so naši problemi zelo nenavadni, na primer, kako neko uspešno podjetje prepričati, da se poda v izdelavo posebnih naprav, ki so malo drugačne kot običajno, tako da jih lahko uporabljamo za čisto druge namene. Naš trg je majhen, potrebujemo malo enot v primerjavi s tipičnimi zemeljskimi aplikacijami, vendar so znanstvene odprave Ese fascinantne in marsikatero podjetje zanima sodelovanje pri teh projektih. Potrebujemo odličnost in najsodobnejšo tehnologijo, da omogočimo naše odprave. Zato vedno iščemo podjetja, ki morda za druge namene že izdelujejo materiale in naprave, ki jih potrebujemo pri Esi. Takšno sodelovanje je dobro tudi za industrijske partnerje, saj se lahko marsičesa naučijo in še izboljšajo svoje produkte.«

Esa in njeni partnerji že dve desetletji razvijajo tehnologijo optike iz silicijevih por. Ta vrsta optike uporablja komercialno dostopne monokristalne dvostranske superpolirane silicijeve rezine kot osnovo za izdelavo zrcal, ki tvorijo lahko rentgensko optiko visoke ločljivosti. Pri tem izkoriščajo tehnike in postopke, ki jih razvija in uporablja industrija polprevodnikov za obdelavo silicijevih rezin in plošč. Optika teleskopa Nova Atena je sestavljena iz 600 zrcalnih modulov, ki skupaj tvorijo 2,5 metra široko zrcalo. Izkazalo pa se je, da je optika iz silicijevih por vsestranska tehnologija, ki jo je mogoče nadalje razvijati za optiko sevanja gama, uporabo v medicini in raziskave materialov.

»S to inovacijo bo observatorij lahko veliko natančneje opazoval vesolje. Tudi kriogenični detektorji bodo novi in boljši. Odprava bo od deset- do tisočkrat bolj občutljiva od trenutnih. Vesolje je dinamično. V vidni svetlobi je sicer bolj ali manj vseskozi enako, opazovanja v rentgenski svetlobi pa lahko pokažejo, da se še kako spreminja. Zato je zelo pomembno, da ga ves čas opazujemo. Za nova odkritja potrebujemo večglasniško astronomijo, ko vesolje opazujemo z observatoriji v več različnih valovnih dolžinah. In vsekakor potrebujemo nov rentgenski teleskop, ki se bo lahko kosal z najnovejšimi velikimi observatoriji, kot sta ELT (Extremely Large Telescope) in SKAO (Square Kilometer Array Observatory),« je pojasnil.

Lisa bo merila gravitacijske valove

Naslednja velika odprava, ki jo pripravljajo pri Esi, je Lisa. »Pri Lisi me najbolj straši, da ne moremo vsega testirati na Zemlji. Odpravo bomo lahko testirali šele, ko bo v vesolju. To bo velikopotezna odprava, čisto drugačna od dosedanjih,« je povedal Marcos Bavdaž.

Odprava Lisa: najnatančnejši vesoljski meter

Odpravo Lisa (Laser Interferometer Space Antenna) bodo Esi pomagale sestaviti Nasa in posamezne evropske nacionalne vesoljske agencije. Merila bo gravitacijske valove, podobno kot to z laserji počnejo pri Ligu in Virgu, s to razliko, da bo Lisa v vesolju. Sestavljali jo bodo trije sateliti, ki bodo v trikotniški postavitvi med seboj oddaljeni 2,5 milijona kilometrov, od Zemlje pa približno 50 milijonov kilometrov. Vsak satelit vsebuje dva teleskopa, dva laserja in dve referenčni masi (dva kilograma težki kocki iz zlata in platine s stranico 4,6 centimetra), ki so v parih usmerjeni proti drugima dvema satelitoma. Sateliti so oblikovani tako, da so komponente v notranjosti zaščitene pred vplivi okolice in sledijo le gravitacijskemu privlaku. Posamezen satelit bo krožil okoli Sonca po svoji Keplerjevi orbiti, da bodo obdržali medsebojno konfiguracijo. Meritve se bodo izvajale s tehnologijo časovno zakasnjene interferometrije, da bodo tako na pikometre (bilijoninka metra) natančno zaznavali motnje v sicer pravilnem spreminjanju razdalje. Te motnje bodo lahko posledica prehoda gravitacijskih valov. »Pikometri so nepredstavljivo majhni. Laser bo moral biti zelo stabilen, prav tako temperature, nič se ne bo smelo spreminjati. Osnovno tehnologijo smo uspešno testirali s predhodnico odprave, Liso Pathfinderjem, dokazali smo, da ta tehnologija lahko deluje,« je poudaril sogovornik.

Manjše, a nič manj inovativne odprave

»Velike odprave, kakršni sta opisani, ali pa denimo Juice, ki je na poti k Jupitrovim lunam, so gonilo tehnološkega napredka. Nič manj pa niso pomembne srednje velike in majhne odprave. Zelo uspešen je trenutno Euclid, s katerim raziskujemo temno snov. Teleskop opazuje na milijarde galaksij in kako so te oblikovane zaradi vpliva temne snovi, ki je sicer ne vidimo. Iz opazovanj lahko izračunamo, koliko je je in kako je razdeljena po vesolju. To so zelo zanimivi znanstveni problemi. Izdelujemo tudi odpravo Plato, ki bo raziskoval skalnate eksoplanete, pa Ariel za raziskovanje atmosfere eksoplanetov,« je še naštel dr. Bavdaž.

»Srednje velika odprava je tudi Gaia, ena najbolj zanimivih in plodovitih evropskih odprav. Meri namreč položaje dveh milijard zvezd. Ko smo jo leta 2013 izstrelili, nismo pričakovali, da bo toliko stvari odkrila. Ne le da z opazovanji bolje razumemo nastanek in razvoj naše galaksije, odkrila je še veliko eksoplanetov, asteroidov in kometov. In to zato, ker sistematično opazuje vesolje z izjemno natančnostjo. Dognali smo, da določene zvezde pravzaprav niso iz naše galaksije, ampak so k nam pripotovale iz drugih. Podatki Gaie so danes podlaga za več znanstvenih člankov kot pa podatki veliko bolj znanega Hubbla. Pri Esi smo veliko dosegli,« je poudaril.

Z novim letom bo polnopravna članica Ese postala tudi Slovenija, kar dr. Bavdaž podpira. »Čeprav je Slovenija majhna, je zelo inovativna. In ravno za to gre. Pri vas imate veliko idej, veliko odličnih znanstvenikov, institucij, podjetij. Zelo dobro bo za Slovenijo, da bo po novem del tudi znanstvenega programa.«

»Pomembno se mi zdi, da Evropa sodeluje. Dejstvo je, da imamo na eni strani zelo učinkovito Kitajsko, na drugi strani so ZDA z veliko gospodarsko močjo. Želel bi si, da bi vsi delovali kot ena velika ekipa. Konec koncev smo človeštvo, vsi bi si morali prizadevati, da bi bil ta svet čim boljši za vse. V znanosti dejansko sledimo temu cilju. Pri vesoljskih odpravah je sodelovanje skorajda ključno, nima smisla, da bi dve agenciji gradili enak satelit,« je opozoril sogovornik.

Pri evropski agenciji dela več kot 35 let

Dr. Marcos Bavdaž, čeprav nikoli ni živel v Sloveniji in ni obiskoval slovenske šole, o znanstvenih odkritjih in delu pri Esi slovenski javnosti razlaga v slovenščini. FOTO: Leon Vidic  

Pri Esi je že od leta 1989. »Sprva sem se nameraval zaposliti v industriji, saj sem diplomiral na tehniški univerzi na Dunaju. Doktorski študij sem opravil na hamburškem inštitutu DESY. Leta 1987 se je Avstrija pridružila Esi in sem tam poiskal mesto raziskovalca. Menil sem, da bom v agenciji leto ali dve, da dobim izkušnje in vpogled v delovanje takšne organizacije, pa so me kmalu vključili v odpravo BeppoSAX. Projekt je bil zelo zanimiv, bil sem na začetku kariere in vrhunsko je bilo sodelovati pri odpravi od začetka do konca. Sledil je razvoj ultralahke rentgenske optike za misijo BepiColombo, ki je trenutno na poti proti Merkurju. Vse bolj sem spoznaval težave in izzive vesoljske agencije. Pritegnil me je tehnološki razvoj, pri vesoljskih odpravah se razmišlja dolgoročno. In sem ostal,« je opisal.

Dr. Marcos Bavdaž, čeprav nikoli ni živel v Sloveniji in ni obiskoval slovenske šole, o znanstvenih odkritjih in delu pri Esi slovenski javnosti razlaga v slovenščini. Leta 1961 se je rodil slovenskim staršem v Braziliji, kjer je obiskoval osnovno šolo. Njegov oče, gradbeni inženir, je bil iz Škofje Loke, mama z Jesenic. Družina se je leta 1972 preselila v Avstrijo, natančneje v Grebinj v bližini Celovca. Želel se je vpisati na slovensko gimnazijo, kar pa je bilo v 70. letih mogoče samo za avstrijske državljane. »V Braziliji seveda ni bilo ne slovenske ne nemške šole. Tako sem se moral po selitvi v Avstrijo naučiti nemščino, slovensko so me naučili starši.« Kasneje je na Dunaju spoznal ženo Lydio, rojeno Krek, ki je odraščala v slovenski družini v ZDA. Zdaj živijo na Nizozemskem. Tudi njuna sin in hči govorita slovensko. »Z ženo sva se dogovorila, da bova otroka najprej učila slovensko, nizozemščino bosta tako ali tako usvojila, prav tako angleščino in nemščino.«