להוציא לצדק
את המיץ

"זאת הזדמנות נדירה לבצע מאות מדידות, ולקבל מפה תלת-ממדית של האטמוספרה של צדק, והיא מתאפשרת בזכות המסלול הייחודי של החללית, ובזכות המכשיר הישראלי שיש בה", אומר יוחאי כספי, פרופסור במחלקה למדעי כדור הארץ ומדעים פלנטריים במכון ויצמן למדע, וחבר בצוות המדעי של משימת Juice. "המשימה תניב מפה דינמית של האטמוספרה הגבוהה של צדק, עם מידע המקביל לשיגור של 100 חלליות שדוגמות את האטמוספרה של כוכב הלכת, וכמובן תניב גם מידע רב על שלושה מהירחים הגדולים של צדק, שבהם יש כנראה אוקיינוסים של מים נוזליים מתחת לשכבת הקרח החיצונית".

משימה ראשונה מסוגה לחקר צדק וירחיו. טיל אריאן 5 עם החללית Juice על כן השיגור בגיאנה הצרפתית | צילום: ESA

מבט מעמיק

משימת Juice, ראשי תיבות (מאולצים מעט) של JUpiter ICy moons Explorer – כלומר חקר הירחים הקפואים של צדק, היא משימה של סוכנות החלל האירופית, ESA. זו משימה ראשונה מסוגה לחקר הירחים של צדק, ואם היא תושלם כמתוכנן – Juice תהיה החללית הראשונה שתיכנס למסלול סביב ירח שאינו הירח שלנו.

חללית Juice מיועדת לשיגור ב-13 באפריל (יום חמישי) ב-15:15 שעון ישראל מבסיס החלל האירופי בגיאנה הצרפתית, בחוף הצפוני של דרום אמריקה. השיגור יתבצע בטיל אריאן 5, כמעט השיגור האחרון של הטיל הוותיק, ששיגר בין השאר את טלסקופ החלל ג'יימס וב. כמה שעות לאחר השיגור תפרוש החללית את הלוחות הסולריים הגדולים שלה, ובהמשך תפתח את האנטנות המקופלות וכן זרוע מתקפלת ארוכה שתחזיק את אחד המכשירים רחוק יחסית מגוף החללית. לאחר ההכנות הראשוניות האלה, צפוי לחללית עוד מסע ארוך במיוחד עד לתחילת המשימה המדעית שלה.

כדי לצבור את המהירות הדרושה להגעה לצדק, אבל גם לחסוך בדלק הנחוץ לתמרונים בין הירחים, תבצע החללית שלושה תמרוני "מקלעת כבידתית" סביב כדור הארץ והירח בשנים הבאות, ואחד סביב כוכב הלכת נגה. תמרונים כאלה מאפשרים לחללית להאיץ בעזרת הכבידה של גוף פלנטרי, וחוסכים דלק, אבל לרוב מאריכים את המסע. רק בינואר 2029 תשלים החללית את המעבר האחרון סביב כדור הארץ, ותעלה על מסלול שיביא אותה לצדק. כעבור שנתיים וחצי, ביולי 2031, אחרי מסע של שמונה שנים וכ-600 מיליון קילומטרים, היא תיכנס למסלול סביב כוכב הלכת צדק. המסלול יביא אותה לכמה יעפים סמוך לשלושה מארבעת הירחים הגדולים שלו – הירחים הגליליאניים, על שם גלילאו גליליי שזיהה אותם בשנת 1610. החללית אמורה לחלוף קודם כל על פני גנימדס, ובהמשך לעבור פעמיים סמוך לאירופה ולבצע 17 מעברים קרובים לקליסטו. בסופו של דבר היא תיכנס ב-2035 למסלול סביב גנימדס, הירח הגדול ביותר של צדק (ובמערכת השמש כולה). אם יישאר לה מספיק דלק היא תבצע עוד תמרון, שיביא אותה מגובה של 500 קילומטר סביב הירח לגובה של 200 קילומטרים בלבד.

חללית Juice מצוידת בעשרה מכשירים מדעיים שאמורים לספק שפע של מידע על צדק ועל ירחיו הגדולים. מערך המכשירים כולל מצלמה אופטית לצילום בהפרדה גבוהה של הירחים ושל צדק; מגנטומטר למדידת השדות המגנטיים של צדק ושל ירחיו, מדידה שעשויה לסייע באפיון התנועות של האוקיינוסים מתחת לפני הקרקע (זה המכשיר שמותקן בקצה הזרוע הארוכה, כדי להרחיקו מהשדה המגנטי שמייצרים מכשירי החללית עצמה); ספקטרומטר שיאפשר לנתח את הרכב הקרח על פני השטח של הירחים, וספקטרוגרף שיאפשר לנתח את הרכב הגזים מעל פני השטח, בתקווה שהחללית תצליח לחלוף מעל אחד הגייזרים הפולטים לעיתים סילוני אדים, כנראה מתוך האוקיינוס התת-קרקעי. בנוסף מצויידת החללית  במכ"מ למיפוי פני השטח; במד טווח לייזר למדידת גובה החללית; ובחיישנים למדידת הרכב הפלזמה וגלי רדיו. השילוב של כל המדידות אמור לאפיין בדיוק חסר תקדים את שלושת הירחים ואת האוקיינוסים התת-קרקעיים שלהם, לשפוך אור חדש על האבולוציה שלהם ושל כל המערכת של צדק וירחיו, ואולי לספק מענה לשאלה המסקרנת מכל – האם ייתכן שנוצרו חיים המקומות נוספים במערכת השמש חוץ מכדור הארץ? והאם הם מתקיימים במים הנוזליים בעומק הקרקע של הירחים האלה?

מכשירים שאמורים לספק שפע של מידע על המערכת. הדמיה של החללית Juice עם צדק וארבעת הירחים הגליליאניים | מקור: ESA

סוג של חוצפה ישראלית

כשהתוכניות הראשונות רק החלו להתרקם, משימת Juice נועדה להיות שיתוף פעולה בין סוכנות החלל האירופית לנאס"א, סוכנות החלל של ארצות הברית. אחד המכשירים שארצות הברית הייתה אמורה לספק למשימה הוא מתנד יציב במיוחד, Ultra Stable Oscillator, או בקיצור USO. זהו מכשיר הדומה במהותו לשעון אטומי, אך במקום למדוד זמן, תפקידו לייצר אות קבוע ויציב במיוחד לאורך זמן. האותות ישודרו באמצעות משדר הרדיו של החללית, בדיוק כשהיא נכנסת להקפה סביב צדק, או יוצאת מהקפה כזו, מנקודת המבט של כדור הארץ. הם יעברו דרך האטמוספרה העליונה של צדק, ומדידה של הסטיות הזעירות באותות האלה מן הקצב הקבוע מאוד של המכשיר, תאפשר למדוד את התכונות של האטמוספרה הזו. בסופו של דבר, ארצות הברית ויתרה על השותפות משיקולי תקציב, ונאס"א תורמת למשימה מכשיר אחד בלבד, את הספקטרוגרף.

את השימוש ב-USO של משימת Juice היה אמור להוביל יוחאי כספי, שהיה חבר בצוות המדעי של המשימה מראשיתה. הוא שותף גם בצוות המדעי של משימת ג'ונו, החללית האמריקאית החוקרת את צדק, והוביל את המחקרים לפענוח המבנה של האטמוספרה העמוקה של כוכב הלכת. בלי המכשיר האמריקאי החליט כספי לנסות להשיג מתנד כזה ממקור אחר, אף על פי שמדובר במכשיר ייחודי, לא מוצר מדף הקיים לשימושים אחרים. המשימה הופכת קשה עוד יותר משום שהמכשיר צריך להיות מותאם לפעילות בחלל, ועוד בסביבה האלימה ועתירת הקרינה של צדק. "בחיפוש בגוגל מצאתי שיש בירושלים חברה שמייצרת שעונים אטומיים, והחלטתי לפנות אליהם", סיפר כספי לאתר מכון דוידסון.

"אני מודה שלא אהבתי את זה בהתחלה – להשקיע כל כך הרבה זמן ומאמץ במוצר אחד, ואולי בעוד שנים יהיה עוד אחד. בהשקעה הזו היינו יכולים לפתח מוצרים אחרים", אומר בני לוי, מנכ"ל חברת אקיוביט (AccuBeat), שאליה פנה כספי. לוי ושותפו, אבינועם שטרן, ייסדו את החברה הירושלמית לפני קרוב ל-30 שנה, לאחר שעבדו יחד בחברה לייצור מתנדים גבישיים שפשטה את הרגל. "הייתה לנו תחושה ששעונים אטומיים הולכים להיות נושא חשוב במערכות שצריכות סינכרון מדויק, וגם אבטחה גבוהה, ואכן הלקוחות הראשונים שלו היו בעיקר גופים בטחוניים", סיפר לוי לאתר דוידסון. "שעונים שלנו נמצאים במטוסי קרב, בתחנות קרקע של לוויינים ובמערכות נוספות". כיום החברה מעסיקה כ-60 עובדים, ומחציתה בבעלות של חברת רפאל.

כשכספי פנה אל אקיוביט, הרעיון לייצר אצלם את המכשיר נשמע מופרך. מדובר בחברה עם אפס ניסיון בתחום החלל, לא בדיוק השותף האידיאלי מבחינת סוכנות החלל האירופית. מה עוד שהוא עצמו פיזיקאי שמתמחה בחקר דינמיקה אטמוספרית – לא בהנדסה ובפיתוח חומרה, וגם לא בתכנון ההיבטים הטכנולוגיים של משימות חלל. "באותו זמן סוכנות החלל הישראלית הקצתה תקציבים למחקר אזרחי בתחומי החלל, והצלחנו לרתום אותם לנושא ולחבר את הקצוות", מחייך כספי. "בהחלט הייתה פה סוג של חוצפה ישראלית".

לייצר אות קבוע ויציב במיוחד, גם בסביבה העוינת של החלל. דגם בגודל מלא של ה-USO שנמצא ב-Juice | צילום: איתי נבו

14 שנות דיוק

הפרויקט התקדם עקב בצד אגודל, ועם כל שלב הצדדים צברו ביטחון ואמון. בסופו של דבר, המתנד של אקיוביט, שפותח בהשקעה של מיליוני שקלים של סוכנות החלל הישראלית במשרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה, היה אחד המכשירים הראשונים שהיו מוכנים למשימת Juice, והוא אף מתפקד טוב יותר מהדרישה שהציבה סוכנות החלל האירופית. המכשיר צריך לייצר פעימה בתדר של 57.518 מגה-הרץ, כלומר 57,518,000 פעימות בשנייה, אבל הדבר החשוב ביותר הוא היציבות. רמת הדיוק שהגדירה סוכנות החלל האירופית היא 10^-13, כלומר סטייה של פחות מעשר מיליוניות המיליונית מהתדר הזה, במשך זמן של 1,000 שניות, במקרה זה הרבה יותר מזמן המדידה שיידרש בכל פעם. "הצלחנו לייצר מכשיר ברמת יציבות גבוהה פי חמישה מהדרישה הזאת", מספר רוני מן, מנהל פרויקט הפיתוח של ה-USO באקיוביט.

"בתוך קוביית האלומיניום הזו, שגודלה בערך 13*13*13 סנטימטר, ומשקלה הכולל פחות משני קילוגרמים, יש מתנד שהוא למעשה גביש קוורץ", מסביר מן. "האתגר הטכנולוגי כדי להגיע לרמת היציבות הזו הוא לשמור על תנאים קבועים למערכת, בעיקר טמפרטורה קבועה של 85 מעלות צלזיוס, לכן הוא עטוף בשתי שכבות של גופי חימום. זו מערכת שצריכה לפעול בתנאים קיצוניים מאוד: ואקום, חוסר כבידה, קרינה חזקה, טווח טמפרטורות רחב. האלקטרוניקה עצמה צריכה להיות מאוד שקטה כדי לא לגרום לשינויים בתדירות. כל המערכת הזו צריכה לעבוד בערך עשר שנים מהמסירה לסוכנות החלל האירופית ועד שהחללית מגיעה לצדק, ואז עוד ארבע שנים בסביבת צדק. אבל עשינו את את כל הבדיקות והמבחנים, ואנו בטוחים במכשיר. בטוחים שהוא יעבוד"

כאמור, אותות הרדיו שישוגרו מהמתנד של אקיוביט, יעברו דרך האטמוספרה העליונה של צדק, בערך עד עומק של 10 קילומטר. "המעבר דרך תווך אחר, במקרה זה האטמוספרה, מסיט מעט את הקרן – כמו שכפית נראית לנו שבורה כשחלקה בתוך כוס מים וחלקה מחוץ למים. מדידה של ההסטה הזו מאפשרת לנו לדעת דרך מה הקרן עברה, ובמקרה זה אנו יכולים לחשב את הטמפרטורה של הגז", מסביר כספי. "רמת היציבות הגבוהה של המתנד היא שמאפשרת לנו לחדור לעומק כזה באטמוספרה. בזכות המסלול המיוחד של החללית, נקבל דגימות רבות מאזורים שונים, ונוכל למעשה למפות את הטמפרטורה במאות נקודות במהלך המשימה. יש קשר ישיר בין הטמפרטורה לזרימה של האטמוספרה, וכך נוכל לקבל מפה טובה יותר של האטמוספרה העליונה של צדק, לקבוע בדיוק רב את הרדיוס של כוכב הלכת, ואת מידת הפחיסות שלו, ונוכל להסיק מכך על מה שמתרחש בתוכו".

בטוחים שהמכשיר יעבוד. מימין: אלי גלנטי ממכון ויצמן למדע, רוני מן, יוחאי כספי עם דגם ה-USO ובני לוי | צילום: אקיוביט

חלל עם ציונות

בסופו של דבר, אחרי שוויתרה על רוב שיתוף הפעולה עם המשימה האירופית, החליטה ארצות הברית לשגר חללית משלה לחקור את הירחים של צדק, בדגש על אירופה. החללית Europa Clipper מתוכננת לשיגור בשנה הבאה, אך היא תעשה דרך קצרה יותר לצדק, ואם לא יהיו דחיות היא אפילו תקדים בכמה חודשים את Juice. המשמעות היא שבפעם הראשונה יהיו שתי חלליות במערכת של צדק, עם פוטנציאל לשיתוף פעולה.

המתנד הירושלמי אינו הנציג הישראלי היחיד במשימת Juice. למעשה לא פחות משישה מהמכשירים המדעיים שלה מצוידים בשבבים וברכיבים אחרים של חברת מחשבי החלל רמון ספייס. "חברת איירבוס, שבנתה את החללית עצמה עבור סוכנות החלל האירופית, בנתה כרטיסים אחידים לכל המכשירים, כך שהיה אפשר להתאים להם את השבבים שלנו", אמר נשיא רמון ספייס, פרופ' רן גינוסר, לאתר מכון דוידסון. "זאת לא הפעם הראשונה שמחשבים שלנו יוצאים לעומק החלל, ואפילו משדה הכבידה של כדור הארץ, ויש לנו רכיבים שכבר השתתפו במשימה היפנית Hayabusa 2 לנטילת דגימות מאסטרואיד, ובלוויין האירופי המקיף את מאדים, TGO, החוקר את האטמוספרה שלו. בשנים הקרובות מחשבים שלנו צפויים להשתתף בעוד משימות מחקר בהן טלסקופ החלל הישראלי, אולטראסט, וכן בנחתות הירח של משימת בראשית 2". 

מבחינת כספי, משימת Juice היא השלמה למחקר שעשה עם החללית ג'ונו, שם השתמשו באותות רדיו כדי למדוד שינויים זעירים במהירות החללית, המושפעים מהכבידה המקומית של צדק. "אלה היו מדידות שאיפשרו לנו להתבונן לתוך השכבות העמוקות של צדק. עכשיו נשלים את התמונה עם מדידות של החלקים החיצוניים יותר באטמוספרה שלו".

המכשיר המדויק מסוגו בעולם. העתק זהה ל-USO שנמצא ב-Juice בבדיקה במתקן ואקום של אקיוביט | צילום: איתי נבו

"מבחינתי זה היה פרויקט ציוני, להראות שאנו הכי טובים", אומר רוני מן מאקיוביט. "הייתי שם כל ארבעה חודשים לפגישות עבודה עם אנשים מובילים בעולם בתחומם, אבל בורים ועמי ארצות בנוגע לישראל. אנחנו מייצגים את ישראל בשבילם, וזאת הייתה מבחינתי משימה נוספת לצד פיתוח המוצר".

"אחת הסיבות שבסוף הלכנו על זה, למרות ההתנגדות הראשונית שלי, היא הידע שאנו רוכשים", מוסיף המנכ"ל לוי. "זה מכשיר חד פעמי, אבל אחרי שהראינו את היכולות שלנו בתחום, כבר יש דיבורים על פרויקטים נוספים עם סוכנות החלל האירופית ועם נאס"א. להביא את הידע הזה לארץ זו השקעה לטווח ארוך, וגם אם אני לא רואה סדרות גדולות של המוצר הזה, היום אנו יכולים לפתח מכשור כזה למשל עבור משרד הביטחון. יש לנו את הידע ואת הציוד".

"יש לנו הזדמנות נדירה מבחינה מדעית לחקור את האטמוספרה של צדק, וזו גם הייתה הזדמנות לעשות פרויקט ישראלי ייחודי, בעלות נמוכה יחסית", מסכם כספי. "כולנו, גם במכון ויצמן, גם באקיוביט, גם בסוכנות החלל הישראלית, היינו צריכים ללמוד דברים חדשים ולהתמודד עם הרבה אתגרים. בסופו של דבר הצלחנו, עמדנו בכל המבחנים ויש לנו את המכשיר המדויק ביותר בעולם מסוגו".

סרטון קצר על משימת Juice: