Den fascinerende historie om Voyager-rumsonderne: En af rumfartens allerstørste bedrifter

Alle er nok enige om, at Apollo-rejserne til Månen er den største bedrift i rumfartens nu 65 år lange historie.

Men der er en anden begivenhed, som på mange måder kan sammenlignes med Apollo, nemlig de to Voyager-rumsonder, som for 45 år siden forlod Jorden for at begynde på udforskningen af det ydre solsystem.

Både Voyager 1 og 2 er nu på vej mod stjernerne, og de sender stadig data tilbage til Jorden.

Hvad de huskes for er imidlertid, at det er de første rumsonder, som fløj forbi alle de store ydre planeter: Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun.

Det er stadig rumfartens største opdagelsesrejse, og historien om den 12 år lange rejse gennem Solsystemet er værd at erindre.

En student gjorde en opdagelse

Vi skal helt tilbage til 1965, hvor rumfarten stadig var ny, og verden optaget af månekapløbet.

I Californien havde NASA et stort center, det nu så berømte Jet Propulsion Laboratory (JPL), i den lille by Pasadena lidt nord for Los Angeles.

Hovedopgaven for JPL var at bygge rumsonder, og centeret var ansvarlig for mange af de fartøjer, som banede vejen for Armstrongs første skridt på Månen.

JPL ansatte studerende fra universiteterne, og en af dem var Gary Flandro, som havde et deltidsjob, der gik ud på at beregne baner for fremtidens rumsonder.

FIandro opdagede nu, at i nogle få år, fra 1976 til 1979, stod de fire store planeter Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun indbyrdes på en måde, så en rumsonde kunne flyve forbi alle fire.

Det skulle ske ved at bruge planeternes tyngdekraft, der kunne give rumsonden et ordentligt skub, når den fløj forbi, og det kunne spare en masse rejsetid.

Flandro beregnede således, at flyvetiden til Neptun kunne nedsættes fra 30 til 12 år, uden at det kostede ekstra brændstof.

NASA måtte snyde på vægten

Idéen om ’The Grand Tour’ var født, men der var kun 10 år til at planlægge og bygge rumsonderne. Det var ikke et projekt, som bare kunne udskydes, for der ville gå 176 år, før de fire planeter igen stod i en så gunstig stilling.

NASA var med på idéen og planlagde hurtigt en tur med ikke mindre end fem rumsonder, og det gav mulighed for også at flyve til Pluto. Men Kongressen (som ifølge den amerikanske forfatning har 'al lovgivende magt', red.) ville ikke som NASA, og det førte til en af rumfartens mest spændende historier.

Hvad NASA kunne få penge til var en meget nedskåret udgave af ’The Grand Tour’ – kun to rumsonder og kun en rejse til Jupiter og Saturn.

NASA kunne ikke gøre andet end at sig pænt tak, men så ’snød de på vægten’, da rumsonderne skulle bygges. Uden at sige det til nogen byggede de rumsonderne til en standard, så de kunne klare en 12 år lang rejse til Neptun og ikke bare de fire år, det ville tage at komme til Saturn.

Suzanne Dodd, der selvarbejdede på projektet, fortæller nu i 2022 til Scientific American:

»Hvis en ingeniør havde et valg om at sætte en del i, der var 10 procent dyrere, men som ikke var noget, der var nødvendigt for en fire-årig mission, gik de bare videre og gjorde det. Og de ville ikke nødvendigvis fortælle ledelsen om det.«

Det faktum, at forskerne var i stand til at bygge to rumfartøjer, og at begge stadig fungerer, er endnu mere bemærkelsesværdigt, tilføjer hun.

Så NASA fik altså to rumsonder, som var af en betydelig bedre kvalitet, end hvad de havde bestilt, og så kunne rejsen begynde - omend med en teknik, som i dag synes håbløst primitiv.

Dengang var rumsonderne det mest moderne, med computere ombord, der havde en hukommelse på bare 69 kilobytes – i dag regner vi jo i gigabytes, selv på en mobiltelefon.

Stamatios Krimigis, som har konstrueret et af instrumenterne på Voyager, fortæller til Scientific American:

»Mængden af software var et sted mellem lille og ingenting. Der var ingen mikroprocessorer - de eksisterede ikke dengang! Voyagers' konstruktører kunne heller ikke helt stole på de tusindvis af kodelinjer, der skulle hjælpe med at betjene rumfartøjet.«

»I det hele taget tror jeg, at rumsonderne har fungeret i så lang tid, fordi næsten alt var hardwired (fæstnet, red.). Nutidens ingeniører ved ikke, hvordan man gør det på dén måde. Jeg ved ikke, om det overhovedet er muligt i dag at bygge et så simpelt rumfartøj. Voyager er den sidste af sin slags.«

Rejsen begynder - og er tæt på at ende

De to Voyager-rumsonder blev opsendt i august og september 1977, men vi var ikke nået længere end til marts 1978, før der skete noget, som var lige ved at standse rejsen, før den for alvor var begyndt.

Både Voyager 1 og 2 befandt sig i asteroidebæltet på vej mod Jupiter, da man ville afprøve Voyager 1 ved at dreje TV-kameraer og instrumenter som en forberedelse til forbiflyvningen af Jupiter.

Under denne afprøvning opstod et problem, da instrumentplatformen simpelthen satte sig fast.

Det tog en uge at løse dette ret alvorlige problem, og i den uge var der simpelthen ikke tid til at kontakte Voyager 2.

Nok var der ikke mange bits at gøre godt med, men en af de ting, som stod i computeren, var, at hvis sonden ikke havde hørt fra Jorden en vis tid, så var det, fordi der var noget galt med modtageren, og derfor skulle der skiftes til en reservemodtager.

Det gjorde Voyager 2 så, og da den endelig fik et noget forsinket opkald fra Jorden 5. april, opdagede man et problem, der var meget, meget værre end problemet på Voyager 1.

Rumsonden var simpelthen blevet tonedøv og kunne kun modtage signaler i et ganske smalt frekvensområde med en båndbredde på kun 96 Hz, mod de 100.000 Hz man havde forventet.

Det var et stort problem, fordi Voyager, der er i bevægelse, altid på grund af Dopplereffekten modtager signalet med en anden frekvens end den, signalet blev udsendt med.

Nå, man tabte ikke modet, for Voyager 2 var programmeret til nu at skifte tilbage til hovedmodtageren 12 timer senere – men så brød den ubehjælpeligt helt sammen.

Og det blev værre endnu, for man opdagede hurtigt, at en temperaturændring på bare 0,3 grader var nok til at ændre frekvensområdet så meget, at man helt mistede kontakten.

En sådan temperaturændring kunne opstå, bare man tændte for et instrument eller en styremotor.

Problemet blev løst ved at udvikle en matematisk model for Voyager, der med en nøjagtighed på en hundrededel grad kunne beregne Voyagers temperatur og så indrette sendefrekvensen efter det.

At modellen er god, kan vi jo se af, at den tonedøve modtager stadig virker…

Det første møde

I februar 1979 fløj Voyager 1 så forbi Jupiter, og den begivenhed bød også på dramatiske øjeblikke.

Et tordenvejr over en sporingsstation i Australien betød, at man mistede flere timers data.

Det var der imidlertid ingen, der tænkte på, da billederne begyndte at strømme ind, og man på JPL for første gang kunne se Jupiter og dens store måner på tæt hold – oven i købet live fra rummet.

Først sad både videnskabsmænd og pressefolk og beundrede de fantastiske billeder af Jupiters skyer og den store røde plet, men så vendte interessen sig mod månen Io.

Den var noget af en overraskelse. I stedet for de kratere, man havde forventet, så man et mærkeligt rødligt og orange landskab afbrudt af nogle mørkere områder.

Hvad ingen tænkte så meget over var, at Voyager 1 også have registreret svovlatomer, der måtte stamme fra Ios overflade…

Der var ikke lang tid til at studere en orange Io, for Voyager 1 havde nu kurs mod Ganymedes, som med sine kratere så mere ’normal’ ud, selvom der også var nogle mærkelige riller, man ikke umiddelbart kunne gøre rede for.

Da Voyager 1 fløj forbi Ganymedes, var den allerede på vej bort fra Jupiter.

Det tog bare 13 timer for Voyager at tilbagelægge de 800.000 kilometer, der var mellem Ganymedes og Callisto, og igen kunne man nu se en ny måne vokse frem.

Denne gang fik man alle de kratere, man kunne ønske sig: Der er ikke andet end kratere på Callisto, og de ligger så tæt at dannelsen af et nyt krater vil betyde, at et eller flere af de gamle kratere så vil forsvinde.

Men den største overraskelse kom først et par dage senere, da Voyager allerede var 4,5 millioner kilometer fra Jupiter og i færd med at tage nogle navigationsfotografier for helt nøjagtigt at fastlægge rumsondens position.

Det skete blandt andet ved at tage nogle overeksponerede fotografier af Io for bedre at kunne se baggrundsstjernerne.

Den unge Linda Morabito fra navigationsholdet begyndte at analysere billederne og opdagede noget, der lignede en sky over Io. Den eneste forklaring var, at de havde set skyen fra en vulkan.

Men lederne af billedholdet var taget hjem på weekend for at få lidt hvile. Der gik derfor et par dage, før man kunne fortælle verden, at der for første gang var opdaget vulkaner på en anden klode.

Man opdagede desuden hurtigt, at der ikke bare var en, men mange vulkaner, og at de udsendte svovl, som gav Io dens røde farve – det var forklaringen på svovlatomerne.

Bare en uge før denne opdagelse var vulkanerne forudsagt i en artikel i Science, som en følge af de enorme tidevandskræfter, som Io er udsat for både af Jupiter og de tre andre store måner.

Kun fire måneder senere fulgte Voyager 2, men nu var opmærksomheden allerede samlet om det næste store må for Voyager l: Saturn.

Saturn: Ringenes Herre

Voyager 1 begyndte allerede i oktober 1980 at tage billeder af Saturn, hele to måneder før forbiflyvningen i november.

Selve planeten var ikke nær så flot som Jupiter, fordi der højt i atmosfæren var et lag af dis eller tåge, men man fik dog målt vindhastigheder på op til 2.000 kilometer i timen.

Til gengæld overraskede ringene.

Der var ikke bare nogle få ringe, men tusinder og atter tusinder af ganske smalle ringe, som først kunne skelnes, når man kom tæt på.

En vigtig opdagelse var nogle små ’hyrdemåner’, som med deres tyngdekraft er med til at holde den meget smalle F-ring på plads.

Hyrdemåner er i dag et vigtigt begreb i teorierne for at forstå Saturns ringe.

Mødet med af Saturn var planlagt på samme måde som forbiflyvningen af Jupiter, nemlig at vælge en bane, som kom tæt på så mange måner som muligt.

Især var banen for Voyager 1 planlagt, så den allerede på indturen kom meget tæt på Saturns største måne, Titan, der har en tæt atmosfære.

Voyager tog nogle fine nærbilleder, som bare ikke viste noget, da hele månen var tæt indhyllet i en orange dis.

Først mange år senere kunne Cassini med sin radar se ned under skyerne og opdage de store søer af flydende metan nær Titans nordpol.

Men vi fik da også set Japetus, der er sort som kul på den ene side og hvid som nyfalden sne på den anden side.

Voyager kunne kun ane det måske største mysterium på denne måne, nemlig en højderyg, der strækker sig præcist langs ækvator, og som går næsten hele vejen rundt.

Højderyggen kaldes i dag Voyager Mountains, men det blev igen rumsonden Cassini, der mange år senere tog de første gode billeder.

Man så også ismånen Enceladus, som, vi i dag ved, udsender nogle enorme gejsere fra et underjordisk hav, og månen Hyperion, der er det første kendte eksempel på kaotisk bevægelse i solsystemet - det er simpelthen umuligt at beregne, hvornår Solen står op og går ned over Hyperion.

Vejene skilles

Voyager 1 havde betalt en høj pris for at flyve først tæt forbi Io og senere Titan.

Det havde ændret banen, så Voyager 1 nu ikke kunne sætte kursen mod Uranus og Neptun – på det tidspunkt sørgede man for at ’glemme’, at Kongressen egentlig kun havde godkendt en tur til Jupiter og Saturn.

Skulle man besøge Uranus og Neptun, skulle denne opgave så løses af den tonedøve Voyager 2, som trods sit handikap egentlig klarede sig ganske udmærket lige frem til forbiflyvningen af Saturn.

Kort efter at Voyager 2 havde passeret Saturns ringe, havde den drejbare platform med instrumenter og TV-kameraer sat sig fast, så man i stedet for billeder af Saturn, dens ringe og måner kun fik billeder af det sorte verdensrum.

Problemet var ekstra alvorligt, fordi et radiosignal nu var tre timer om at komme fra Jorden til Voyager og hjem igen.

Men endnu engang fik man reddet rumsonden under den fem år lange flyvning fra Saturn til Uranus.

Det viste sig, at problemet skyldes et smøremiddel i den gearkasse, der styrede bevægelsen af platformen.

Man byggede hele 86 modeller af gearkassen her på Jorden og udsatte dem for forskellige belastninger for derefter at skille dem ad og undersøge dem i et elektronmikroskop.

Man opdagede, at problemet i hvert fald delvist kunne løses ved kun at dreje platformen meget langsomt.

Men der var også andre problemer arvet fra dengang, hvor det officielle mål kun var at flyve forbi Saturn.

Plutonium-generatorerne kunne ikke levere effekt nok til at holde alle instrumenter tændt ude ved Uranus efter en ni år lang flyvning, og desuden er sollyset ude ved den fjerne planet så svagt, at det var et problem for kameraerne.

Det krævede en enorm planlægning at sørge for, at der blev taget billeder af Uranus, især med en instrumentplatform som mildest talt ikke fungerede alt for godt.

Problemet blev delvist løst ved at dreje ikke bare platformen, men hele rumsonden ved hjælp af de små styremotorer.

Det var også nødvendigt at opfinde nye måder at kode billederne på, så de kunne overføres til Jorden på bare fem minutter med en sender, der kun havde en effekt på bare godt 20 watt.

Triumf og tragedie

Ved en enorm indsats lykkedes det at gennemføre forbiflyvningen af Uranus i marts 1986 og endda få nogle gode data og billeder hjem.

Man fik set Uranus og dens ringe, som var nogle meget mørke og smalle bånd, der slet ikke lignede de glitrende iskrystaller i Saturns ringe, og på den lille måne Miranda så man næsten 20 kilometers lodrette klippevægge af is.

28. januar var man ved at forberede en pressekonference om disse opdagelser, da der skete noget.

I presselogen blev billederne af Uranus og Miranda erstattet af en kort film, der viste eksplosionen af rumfærgen Challenger, der kostede syv astronauter livet.

Igen og igen så man den hvide dampsky fra eksplosionen og de to hjælperaketter, der fløj til hver sin side.

Begivenheden chokerede alle, lige fra videnskabsmænd til pressefolk, og pressekonferencen blev aflyst.

Journalisterne ville naturligvis gerne have nogle kommentarer fra JPL om, hvad ulykken kunne betyde for fremtiden.

Men så begik NASA en alvorlig fejl, nemlig at udstede en ordre om tavshed fra alle NASA-ansatte.

Denne beslutning var med til at nedbryde det ellers gode forhold, der hidtil havde bestået mellem NASA og pressen.

En finale - og så alligevel ikke

Efter forbiflyvningen af Saturn var man gradvist gået i gang med at udbygge de store parabolantenner på de tre sporingsstationer i Californien, Australien og Spanien.

De gamle parabolantenner på 26 meter blevet suppleret med nogle endnu større parabolantenner på 64 meter, og det var blevet muligt at koble antennerne elektronisk sammen.

Uden denne udbygning havde det ikke været muligt at få data hjem fra Uranus – og forude ventede den endnu større udfordring med at flyve forbi Neptun.

Det tog over tre år, fra marts 1986 til august 1989, for Voyager 2 at flyve fra Uranus til Neptun.

Da det endelig skete, blev begivenheden markeret i Pasadena med en Planetfest, hvor over 2.000 deltog.

Planetfesten fik virkelig noget at fejre, for Neptun viste sig som en smuk, blå klode – endda med hvide skyer så højt oppe i atmosfæren, at de kastede skygger.

Hvis man ikke vidste bedre, kunne man tro, at man så ned på Stillehavet fra stor højde.

Men den blå farve skyldes alene metan i den iskolde atmosfære, og skyerne var ikke af vanddamp, men metan.

Dengang vidste vi det ikke, men i dag mener man at ’Neptun-lignende planeter’, der består af is og gas, er en af de mest almindelige typer af exoplaneter. Men i 1989 var der ingen, som havde hørt om exoplaneter – den opdagelse er fra 1995, altså seks år efter forbiflyvningen af Neptun.

Voyager 2 opdagede mange nye måner om Neptun, men interessen koncentrerede sig om den største måne, Triton.

Man fik gode billeder af et fremmedartet islandskab, og til alles overraskelse så man flere steder aktive gejsere, der slyngede gas og partikler mange kilometer op.

Og det var ikke det hele, for gejserne endte i røgfaner omkring 8 kilometer oppe. Det kan kun forklares ved, at der selv i Tritons kolde og meget tynde atmosfære i denne højde blæser en ret kraftig vind.

Voyagers sidste 'officielle' billede viser Triton og Neptun.

Men der skulle komme endnu et billede - måske det mest berømte billede fra Voyager-projektet.

Takket være astronomen Carl Sagan tog Voyager 1 i februar 1990 billedet af det, Sagan kaldte ’A Pale Blue Dot’, altså en bleg, blå prik.

Det var vores egen Jord, set fra en afstand på mere end seks milliarder kilometer svarende til afstanden ud til Pluto.

Det er klart, at billedet blev meget berømt, fordi det understreger, at vi bor på en meget lille planet i et meget stort univers. Man kan fra den afstand end ikke skelne de landområder, som vi gennem hele historien gang på gang har ført krig om at erobre.

Voyagers interstellare mission

Voyager har nu skiftet til den såkaldte interstellare mission, hvor den vigtigste opgave er et finde en grænse. Ikke en grænse for Solsystemet, men for hvor langt ude Solen med sin solvind og magnetfelt kan dominere strålingen i rummet.

Området, hvor Solen dominerer på denne måde, kaldes heliosfæren, og den strækker sig ud til der, hvor solvinden bremses så meget ned af det interstellare magnetfelt, at Solen mister kontrollen.

Udenfor heliosfæren ligger den såkaldte heliopause, hvor stråling og magnetfelter fra interstellare rum efterhånden bliver helt dominerede.

Begge Voyager-sonder har søgt at lokalisere disse områder, men der er stadig uløste problemer - så det er for tidligt at tænke på pension…

Begge sonder er langsomt ved at løbe tør for energi, og der er nu kun energi nok til at forsyne fire instrumenter på Voyager 1 og fem instrumenter på Voyager 2.

Endnu sender sonderne, men der er dog en god mulighed for, at både Voyager 1 og 2 kan nå at fejre 50 års jubilæum, inden plutonium-generatorerne leverer så lidt energi, at instrumenter og elektronik til sidst dør af kulde.

Men som sagt er der stadig så meget at udforske, at man håber på ikke bare at nå de 50 år, men gerne nogle år ekstra…