המדע של "בראשית"

מאחורי כל חללית מצליחה, וגם מאחורי משימות החלל שנכשלות, עומדים צוותים גדולים מאוד: מאות, ולפעמים אלפי, מהנדסים, טכנאים, מומחי תקשורת, אנשי מחשבים ומומחים למערכות ייחודיות של כל חללית. בחלליות מחקר יש מקום חשוב מאוד גם לצוות המדעי, שמתכנן את המשימה, מפעיל את המכשירים או הניסויים השונים וכמובן מנתח את התוצאות.

במשימת "בראשית" הכל נעשה בקטן. הצוות מונה בסך הכל כמה עשרות מהנדסים ובעלי תפקידים אחרים בעמותת SpaceIL ובתעשייה האווירית. האתגר העיקרי של המיזם הוא להנחית את החללית עם דגל ישראל על הירח וכך להוכיח את היכולות הטכנולוגיות וההנדסיות של המגזר הפרטי, וגם לחשוף ילדים ובני נוער לתחום החלל ולעודד אותם ללמוד בעצמם הנדסה ומדעים. לצד האתגר הזה, ואולי כחלק המשלים אותו, הוחלט לשלב בחללית גם משימה מדעית. כראוי לפרויקט קטן גם הצוות המדעי מצומצם, אבל חברים בו כמה מדענים ידועי שם בתחומם, והוא פועל בהובלת פרופ' עודד אהרונסון, מהמחלקה למדעי כדור הארץ ולמדעים פלנטריים במכון ויצמן למדע. כפי שאפשר היה לצפות מפרויקט ישראלי, ברגע האחרון ממש נוספה גם משימה מדעית משנית, שלא תוכננה מראש.

מאתרים אתר

עוד לפני המחקר המדעי עצמו, התגייס הצוות המדעי לסייע לצוות ההנדסי בבחירת אתר הנחיתה של החללית. שטח הפנים הכולל של הירח הוא כ-38 מיליון קילומטרים רבועים – גדול יותר משטחה של כל יבשת אפריקה. בשטח הזה התבקשו אהרונסון וצוותו לבחור אתר בקוטר של כ-30 קילומטרים שיעמוד ברשימת דרישות ארוכה.

ראשית, אתר הנחיתה צריך להיות בצד של הירח הפונה לכדור הארץ. הירח נמצא במצב של "נעילת גאות" עם כדור הארץ, כך שהוא תמיד מפנה אלינו את אותו צד. חללית שנוחתת בצד הרחוק, כמו החללית הסינית צ'אנג-אה 4 שעשתה זאת בתחילת השנה, אינה יכולה לקיים קשר ישיר עם כדור הארץ, וזקוקה ללוויין תמסורת.

שנית, כדי שהתקשורת תהיה יעילה, האתר אינו יכול להיות קרוב מדי למה שנראה מהכיוון שלנו כשולי הירח. שלישית, רצוי מאוד שהאזור יתחמם בשמש לאט ככל האפשר בשעות ה"בוקר" של הירח. מכיוון ש"יממה" של הירח נמשכת כ-28 יום, יש ברוב המקומות על פניו שבועיים של אור ושבועיים של חושך. מכיוון שלירח אין אטמוספרה שתפזר את החום ותקלוט חלק ממנו, הטמפרטורה ב"צהרי" היום הירחי עשויה להגיע ל-130 מעלות צלזיוס באזורים מסוימים על פניו. בהעדר אטמוספרה גם אין שמירת חום, ובשעות החשכה הטמפרטורה צונחת עד 170 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. החללית אמורה לנחות בשעות ה"בוקר", כדי שיהיו לה כמה ימים של טמפרטורות נוחות, בטרם ישבית החום העז את מכשיריה האלקטרוניים.

לאחר שיתקיימו כל התנאים האלה, הדבר החשוב ביותר הוא שאזור הנחיתה יהיה מישורי מבחינה טופוגרפית, עם כמה שפחות שיפועים חדים, וגם נטול סלעים ככל האפשר. החללית נוחתת למעשה בצורה "עיוורת" – אין לה אפשרות לבחון את הקרקע מתחתיה ולשנות את נתיב הנחיתה. אם היא תנחת על שיפוע חד היא עלולה להתהפך על צדה, וגם נחיתה על סלע גדול עלולה לגרום להתהפכותה או לשבירת רגלי הנחיתה. במקרה כזה, רוב הסיכויים שגם אם החללית לא תינזק משמעותית האנטנות שלה לא יפנו לכיוון כדור הארץ, והיא לא תוכל להעביר כל מידע, כולל תמונות שיאשרו את דבר הנחיתה. "נפילה על הצד עלולה להיות 'גיים אובר' מבחינת החללית", אומר אהרונסון.

דרישות רבות מאתר נחיתה. פרופ' עודד אהרונסון עם "בראשית" במפעל "חלל" של התעשייה האווירית | צילום: SpaceIL

כדי לבחור את אתר הנחיתה האופטימלי בחנו אהרונסון ותלמידי המחקר נדב נחמן, יובל גרוסמן ויונתן שמעוני צילומים ומדידות של חלליות קודמות שהקיפו את הירח, בראשן החללית האמריקאית LRO (קיצור של Lunar Reconnaissance Orbiter , לוויין למעקב אחר הירח) והחללית היפנית קגויה (Kaguya). אחד המכשירים של LRO הוא מד-טווח לייזר משוכלל (LOLA), המודד בין השאר את השיפוע של הקרקע, והחוקרים השתמשו במדידות שלו כדי לחפש אזורים מישוריים ככל האפשר. כמו כן הם השתמשו בצילומים של פני השטח, כדי לחפש אזורים עם פחות סלעים. "אי אפשר לבדוק כל סלע וכל שיפוע, משום שהרזולוציה של הצילומים היא בערך חצי ק"מ לכל פיקסל", מסביר אהרונסון. "לכן בתאי השטח שבדקנו לעומק חישבנו את סכום השיפועים כדי לחפש אזור מישורי ככל האפשר. כדי לחפש אזור נקי ככל האפשר מסלעים, הסתמכנו על מדידות טמפרטורה של פני השטח. סלעים שומרים חום זמן רב יותר מהאבק הירחי והחול הדק, ולכן אפשר לזהות במדידות את האזורים שבהם צפיפות הסלעים גבוהה יותר, ולפסול אותם".

תנאי נוסף לאתר הנחיתה היה אזור בעלת קרקע בהירה יחסית. האזורים המכונים "ימים" על פני הירח הם האזורים השטוחים יחסית, והם בעלי אדמה בזלתית עשירה בברזל וכהה - לכן אסטרונומים קדומים חשבו שמדובר במקווי מים גדולים. לקראת הנחיתה תשתמש החללית במד-טווח לייזר כדי להעריך את המרחק שלה מפני הקרקע, וכדי שמד הטווח יפעל בצורה אופטימלית, על הלייזר לפגוע בקרקע שאינה כהה מדי. לכן חיפשו החוקרים אזור עם החזר אור (אַלְבֶּדוֹ) גבוה יחסית לאזורים האלה.

למאמץ המדעי לבחירת אתר הנחיתה האופטימלי צירף אהרונסון את פרופ' ג'יימס הד (Head), מומחה לחקר הירח מאוניברסיטת בראון בארצות הברית, שהשתתף בבחירת אתרי הנחיתה של חלליות אפולו על הירח. לאחר שבחרו כמה אתרים אפשריים, בדקו אנשי הצוות אילו אתרים מתאימים ביותר גם לביצוע המשימה המדעית העיקרית – חקר שדות מגנטיים מקומיים. הם בחרו את האתרים שבהם מדדו חלליות קודמות שדות מגנטיים חזקים יחסית, והגישו לצוות ההנדסי המלצות לשלושה אתרי נחיתה אפשריים.

אתר הנחיתה ב"ים הרוגע" - סרטון קצרצר של מכון ויצמן למדע עם הדמיה של האתר:

לנחות ברוגע

האתר שנבחר בסופו של דבר הוא בצפון מזרח האזור המכונה "ים הרוגע" (Mare Serenitatis), כמה מאות קילומטרים מאתרי הנחיתה של אפולו 17 ושל אפולו 15, שנחתו באזורים ההררים בשולי ה"ים".

מאז נכנסה החללית למסלול סביב הירח ביום חמישי שעבר (4 באפריל), היא ביצעה כמה תמרונים להנמכת המסלול, עד כניסתה למסלול מעגלי בגובה 200 קילומטר מעל פני הירח. בתמרון האחרון, אמש, היא נכנסה למסלול שהנקודה הקרובה ביותר שלו לפני הירח היא כ-15 קילומטרים, והגבוהה כ-200 קילומטר. מהמסלול הזה היא תתחיל את הנחיתה בגובה של כ-25 קילומטר. זה אמנם נמוך מאוד בהשוואה למסלולים הקודמים, אבל היא עדיין תטוס בגובה כפול מזה של מטוסי נוסעים, במהירות גבוהה פי ששה בערך – 1,700 מטר בשנייה, כלומר יותר מ-6,000 קמ"ש. מהגובה והמהירות האלה היא תצטרך להגיע תוך כ-25 דקות למצב של ריחוף במקום מטרים אחדים מעל פני הירח.

כדי לעשות זאת, החללית תסתובב בניגוד לכיוון הטיסה (כאילו היא טסה לאחור), ותפעיל בכל העוצמה את כל המנועים – המנוע הראשי ושמונה מנועי ההכוון הקטנים, שיפעלו עכשיו כמנועי דחף. טיסה כזו במשך כרבע שעה תגרום לה להאט את מהירותה האופקית ביחס לירח, ולעבור לנפילה חופשית, אנכית, לעבר אתר הנחיתה. במהלך הבלימה הזו היא גם תאבד גובה רב, והיא אמורה להתחיל את הנפילה החופשית במצב אנכי, בגובה של כקילומטר מעל אתר הנחיתה. לאחר זמן קצר היא תפעיל שוב את המנועים כדי להאט את נפילתה – כאילו טסה כלפי מעלה. בסיום ההנמכה היא אמורה לעצור באוויר במצב של ריחוף, כחמישה מטרים מעל פני הקרקע. במצב זה היא אמורה לכבות את המנועים וליפול את המטרים האחרונים באיטיות, בשל הכבידה החלשה של הירח, עד לנחיתה רכה. כיבוי המנועים נעשה כדי להפחית את הסיכון שהחזרת חום מהקרקע תסכן את החללית, ומחשש כי פעילות המנוע תפגע בהפעלת מנגנון ספיגת הזעזועים ש רגלי הנחיתה. 

אחרי הנחיתה אמורה החללית לשדר צילום "סלפי" מפני הירח, תחילה באיכות נמוכה, ובהמשך צילומים באיכות גבוה יותר. בימים שנותרו לה עד שהחום על הירח יעלה וישבית את מכשיריה, היא אמורה להעביר בהדרגה את שאר החומר: צילומים באיכות גבוהה, סרטוני וידאו, ונתוני המשימה המדעית.

מהנדס המשימה הבכיר יואב לנדסמן מ-SpaceIL מסביר את שלבי הנחיתה של "בראשית:

לצאת אל השדה (המגנטי)

המשימה המדעית עוסקת כאמור בחקר השדות המגנטיים של הירח. לכדור הארץ יש כידוע שדה מגנטי גלובלי, הנגרם מכך שגלעין כדור הארץ מורכב מברזל מותך, בעוד חלקו הפנימי הוא ברזל מוצק. הסיבוב של כדור הארץ גורם לחלק הנוזל לזרום סביב החלק המוצק, מה שיוצר אפקט דינמו, הגורם ליצירת שדה מגנטי. לירח, לעומת זאת, אין שדה מגנטי גלובלי, אבל יש לו שדות מקומיים קטנים. המדענים עדיין אינם יודעים כיצד נוצרו השדות האלה. "ייתכן שהיה לירח הצעיר שדה גלובלי, כמו של כדור הארץ, אך הוא דעך די מהר כשהירח התקרר, וסלעים שנפלטו מעומק הירח בפעילות געשית קיבעו בהתקררותם את השדה המגנטי ששרר אז", מסביר אהרונסון. "אפשרות נוספת היא שלירח לא היה מעולם שדה מגנטי גלובלי, ובמקרה זה השדות המגנטיים נוצרו באופן מקומי, ככל הנראה בהתנגשות של אסטרואידים בירח. התנגשות כזו יכולה ליצור גל הלם או פלזמה שיוצרים מגנטיות, וייתכן שהאסטרואידים עצמם הכילו ברזל ממוגנט".

כדי לנסות לסייע בפתרון התעלומה, החללית מצוידת במגנטומטר בשם SILMAG שנבנה באוניברסיטת קליפורניה (UCLA), והוא דומה למדי למכשיר שנבנה בעבור משימת Insight, החוקרת כיום את ההרכב הפנימי של כוכב הלכת מאדים. המכשיר הקטן, שמשקלו כקילוגרם אחד בלבד, אמור למדוד את השדות המגנטיים בטיסה בגובה נמוך לקראת הנחיתה ובנחיתה עצמה, מדידות שכמעט לא נעשו עד היום מגובה כה נמוך, המאפשר רזולוציה טובה. "אנו נצליב את הממצאים עם נתונים שיאפשרו לנו להעריך את גיל הסלעים באזור, כמו למשל גיל המכתשים או זרמי הלבה", מסביר אהרונסון. "אם נראה שהמגנטיות היא בעיקר באזור של סלעים ותיקים, זה יחזק את ההשערה בדבר שדה מגנטי גלובאלי שדעך, ואם נראה שהיא מאפיינת סלעים צעירים, זה יטה את הכף לטובת מקור חיצוני למגנטיות על הירח".

אחד האתגרים העיקריים במשימה הוא היכולת לחסר מהמדידות של המכשיר את השדות המגנטיים שמקורם בחללית עצמה. כל מכשיר חשמלי מייצר שדות מגנטיים, ועל "בראשית" יפעלו בשעת הנחיתה מגוון מכשירים וחיישנים. כדי לכייל את מדידות המגנטומטר הפעילו החוקרים את המכשיר כבר במהלך הטיסה לירח, והם מקווים שהמדידות יפעלו כשורה. אם הכל יעבוד, החוקרים מקווים לעשות ניסוי נוסף ולהמשיך במדידות גם כשהחללית על הקרקע, כדי לנסות לראות כיצד ה"צל המגנטי" של כדור הארץ משפיע על הירח – כלומר איך משתנה השדה המגנטי המגיע אל הירח מהשמש, בזמן שהוא עובר מאחורי כדור הארץ.

מראה על הירח

שלוש מחלליות אפולו (11, 14 ו-15) השאירו על הירח מראות מיוחדות, המשמשות למדידת המרחק של הירח מכדור הארץ באמצעות לייזר. כאשר קרן לייזר מכדור הארץ נשלחת לירח היא מגיעה אליו כשהיא כבר בקוטר של כמה קילומטרים, אבל חלק מהפוטונים בכל זאת מוחזרים מהמראה לכדור הארץ, ומדידה מדויקת של הזמן שעבר משיגורם עד הגעתם מאפשר לקבוע בדיוק רב את המרחק לירח באותו זמן.

בראשית היא חללית קטנה בשביל לשאת מראת לייזר כזו, אבל בשיתוף פעולה עם סוכנות החלל האמריקאית, נאס"א, הותקנה עליה כיפת מראות זעירה. הכיפה מורכבת ממראות המסודרות כ"פינות" – כלומר שלוש דפנות של קובייה היוצרות פינה – מבנה המחזיר את קרן הלייזר לזווית שממנה שוגר. קוטרה של הכיפה כולה חמישה סנטימטרים בלבד, מה שאומר שהיא הרבה יותר מדי קטנה בשביל להחזיר לייזר לכדור הארץ. במקום זה היא מיועדת להחזיר קרני לייזר ללוויין האמריקאי LRO, זה ששימש גם במיפוי הטופוגרפי שעל פיו נבחר אתר הנחיתה. ההחזר יאפשר לקבוע בדיוק מילימטרי את המרחק בין הלוויין לחללית, ולהוכיח את יעילות השיטה למדידת מרחקים בין חלליות בחלל.

המשימה של החללית הישראלית לירח היא הצלחה כבירה בכל קנה מידה, אפילו אם הנחיתה עצמה לא תעבור בשלום. השלמת המבצע, עם כל התמרונים בדרך, כולל כניסה למסלול סביב הירח בחללית כה קטנה ובתקציב זעום ביחס לפרויקט כה מורכב – מוכיחה שאפשר לשגר משימות בעלות נמוכה לעומק החלל ולהרים משימה כזו גם כיוזמה פרטית, בלי תמיכה ממשלתית משמעותית. ההצלחה של SpaceIL והתעשייה האווירית צפויה לשמש מנוף לקידום תחום החלל בישראל, וכן לקידום המגזר הפרטי בתחום החלל בעולם כולו. ההחלטה לצרף משימות מדעיות למשימה ממחישה את הקשר ההדוק בין טכנולוגיה למדע, בין טיסה לחלל לחקר החלל ובין הרצון והיכולת לפרוץ גבולות לסקרנות להבין את סודות היקום.

"ירח בראשית" - השיר של מכון דוידסון לכבוד החללית הישראלית אל הירח: