Áttekintés a műegyetemi kisműholdas fejlesztések tanulságairól – első kézből.
Az angol STEM (science, technology, engineering and mathematics) mozaikszó a természettudomány, technológia, mérnöki tudomány és a matematika tudományágakhoz kapcsolódó tanfolyamok megjelölésére is szolgál. Ebbe a körbe tartozik az űraktivitáshoz tartozó oktatás is. A huszonkét éves várakozás után megvalósult ESA tagságunk közelebb vitt a hazai űrvonatkozású oktatás bővüléséhez, az űrmérnökképzés megindulásához. Reméljük, hogy a taggá válásunkat követő tizedik évben sikerül az ESA oktatási vonalába is belépnünk (Európai Űroktatási Iroda, European Space Education Resource Office, ESERO).
1U és 1PQ
Az ezredfordulón az USA-ban folyó mérnökképzés űrtechnológia irányú motiválásaként született meg a kockaműhold (CubeSat) ötlete (1 egység, azaz 1U = 10 cm × 10 cm × 10 cm). Az ötlet bevált, és gyorsan elterjedt az egész világon. Mérete alapegység lett, és nem csak az oktatást segítette, de a profi világ is átvette. Sikeréhez meghatározó módon járult hozzá viszonylagos olcsósága (anyag, munkaerő, start), és rövid fejlesztési időigénye. Ebbe a kategóriába tartozik a Masat-1, az első magyar műhold.
Közel tíz év után derült ki, hogy ha az egyébként az egész világon szinte mindenütt alulfinanszírozott oktatáshoz kapcsolják az 1U fejlesztéseket, ezek a költségek miatt kevesek számára lesznek elérhetők. Az alapcél a motiváltság növelése, ami azt jelenti, hogy tervezek, modellezek, megvalósítom – és nagyon örülök, ha a világűrben jól működik az alkotásom. Erre gondolva született meg az ötlet az 1PQ méretű (5 cm × 5 cm × 5 cm) műholdak (PocketQube) készítésére. Megvalósíthatóságukat, világűrbeli működőképességüket a világon elsőként a Műegyetemen készült SMOG-P bizonyította. Közel tíz év után az ESA (Európai Űrügynökség) is elismerte létjogosultságukat: a PQ kategóriára is írt ki – 2023-ban először – ingyen startot biztosító Fly your Satellite (Repítsd a műholdad) pályázati lehetőséget.
A mérnökhallgató és a fekete tábla
A 2023-as ESA pályázat, melyben U és PQ méretű műholdakkal is lehetett pályázni, a pályázók megoszlását nézve – a várakozásnak megfelelően – 6:2-es arányú PQ győzelmet hozott. Ennek egyik oka csak a startköltségek kb. 4:1-es aránya (1U – 80 ezer euró, 1PQ – 20 ezer euró). Nem beszélve a jóval egyszerűbb megvalósítási technológiáról (nyomtatott áramköri lemezek széles körű alkalmazhatósága). A viszonylag alacsony ár egyszerűbbé tette a meghatározó módon szponzorokra támaszkodó megvalósításokat. Az űrorientált mérnökképzésben a fekete táblára (talán szebben mondva digitális megjelenítőkre) támaszkodás mellett a műholdfejlesztésekben való részvétel nagyon erős, életre szóló űrhöz kötődést biztosít a hallgatónak.
A hazai vonatkozást nézve, az eddigi öt sikeres kisműholdas küldetés a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemhez (BME) és a vele szoros együttműködésben működő Műegyetemi Rádió Clubhoz (MRC) kapcsolódik. Az ötödiken, az MRC-100-on meghívásunkra pályára került a győri, debreceni és szegedi egyetemeken készített modul is. Az elért siker lendületet adott a hazai űrmérnökoktatás elindításának. Reméljük, a győri és a szegedi egyetem is hamarosan megjelenik önálló kis műholddal.
Egyre lejjebb az életkorral
Jelen cikk szerzője abban a szerencsés helyzetben volt, hogy az óvodástól egyetemista korig – a különböző korúaknak a műegyetemi műholdvezérlő állomáson tett látogatásai során – megfigyelhette a látogatók űrirányú lelkesedését. A máshol is tapasztaltakkal egyezően az érdeklődés hőfoka az általános iskolás korosztálynál volt a legmagasabb. Nem véletlen, hogy CanSat program, az USA-beli ThinSat, majd a jelenleg is indulási fázisban lévő SlimSat programok erre a döntően 18 év alatti korosztályra támaszkodnak. Meglepetés volt látni, hogy az ISS–iskola közötti kérdés-felelet játékban az egyik kérdező 4 éves volt. Visszaidézve a Masat-1 kiskorúak közötti sikerét, a mellékelt képen a mezőberényi ovisok körbetáncolják a papírmodelleket.
A nagy kihívás: az űrszemét
A kis műholdak fedélzeti berendezéseinek élettartamát alapvetően a felhasznált alkatrészek határozzák meg. Még jól megtervezett termikus környezet esetén sincs védelem a kozmoszból érkező részecskék ellen. Az oktatási intézmények a fejlesztésre szánt behatárolt pénzösszege csak nem űrminősített alkatrészek felhasználását teszik lehetővé. Az ezekkel várható hibátlan működési élettartam éves nagyságrendű. A műhold további pályán tartózkodása során űrszemétté válik. A néhány éves élettartamhoz 400–450 km magas pálya tartozik. Ilyen pályán volt SMOG-P és ATL-1 is. Elégésükig (9 hónap) kifogástalanul működtek.
Sajnos a legritkább esetben lehet ilyen pályára vivő rakétát találni. A Nemzetközi Űrállomás (ISS) fedélzetéről történő kidobás ebből a szempontból ideális lenne. Azonban a fedélzetre kerüléshez a rakétás indításoknál szigorúbb feltételeknek kell megfelelni (emberrel közös, zárt légtér). A tömeges és legolcsóbb startlehetőség keretében 600–800 km-re lehet feljuttatni a kicsiket, ami a világűrben töltött 20–25 éves vagy még hosszabb időtartamot jelenthet. Keringési idejük nagy részét űrszemétként töltik a pályán.
A süllyedés gyorsítására több lehetőség kínálkozik. Az egyik, amelyet a SMOG-1 esetében is alkalmaztunk, könnyen átmágnesezhető anyag elhelyezése a műhold oldalfalába. A Föld mágneses terében repülve, metszve az erővonalakat, az átmágnesezéshez szükséges energiát használja a pályamagasság csökkentésére. Hátránya, hogy a hatásos működéshez nagy tömegű anyagot kell a műholdba beépíteni. A másik lehetséges út a fékezőfelület nagyságának növelése. A kinyíló szárnyakra napelemeket is el lehet helyezni, ezzel növelve a felhasználható teljesítményt. Ez az út tűnik járhatóbbnak. Ezt alkalmazzuk a Műegyetemen fejlesztés alatt álló NMHH-1 3PQ méretű műhold vázában.
A kommunikáció valós idejű bemutatása
Bármilyen eszközt kívánunk a világűrben üzemeltetni, alapvető igény az egy- vagy kétirányú kommunikáció biztosítása. Ez lehet egy alacsony pályán (LEO, low-Earth orbit) keringő műhold vagy a közel egy fénynapnyira lévő Voyager-1 vagy -2 űrszonda. Oktatási szempontból olyan műholdak jöhetnek számításba, melyek kommunikációs rendszere a műhold–Föld , és jobb esetben a Föld–műhold irányba szabadon hozzáférhető, bemutatható.
Az 1960-as években indult hazai műholdmegfigyelések a rádióamatőr és meteorológiai jellegű műhold–Föld irányú átvitel megfigyelésére szorítkoztak. A tanuló/tanító jelleg akkor és most is igaz. A meteorológia műholdak – LEO és geostacionárius (GEO) pályások – vételén bemutathatóak az égi mechanika alapjai, a műhold-előrejelzés és -követés módszerei, a különböző analóg és digitális modulációk, hibajavító módok, a Doppler-hatás. A vett kép megjelenítése csak „hab a tortán”, csupán az átvitel minőségének látványos bemutatását jelenti. A hardver oldal az SDR (Software Defined Radio) vevőkkel, míg a vétel folyamata látványos szoftverekkel biztosítható. A korszerű átviteli rendszert használó európai MetOp műhold vételét bemutató monitor képe mellékelve látható.
A rádióamatőr műholdak közöl a LEO pályán lévők alkalmasak egy-egy telemetriai rendszer és/vagy fedélzeti átjátszó bemutatására. Az egy katari GEO műholdon (Es'-hail-2) elhelyezett, QO-100 nevű, rádióamatőr célú átjátszók lehetőséget kínálnak széles körű kommunikációs módok bemutatására. Ezek közül a szélessávú, mozgókép átvitelére is alkalmas átjátszó és a hozzá tartozó, a vétel minőségét látványosan bemutató szoftver megragadhatja a hallgatók figyelmét. Mellékelve látható egy, a Műegyetemi Rádió Clubban felsugárzott, a Föld harmadán vehető monoszkóp képe. Az oktatás részeként, a hallgatók számára nagyon sok átviteli jellemző leolvasható/értékelhető a képről. Nem fekete tábla.
A szponzorok szerepe
Hazai körülményink között ez meghatározó. Valamennyi, a BME és az MRC együttműködésében készült, oktatást segítő kis műhold (égi rész) és a hozzájuk csatlakozó vételi elrendezések (földi rész) megvalósítása szponzorok támogatása nélkül nem lett volna lehetséges. Számuk az elmúlt közel húsz évben meghaladta a százat.
Dr. Gschwindt András Kapcsolódó cikkek:
Kockák az űrben – merre és hogyan tovább?
ESA motiválta mérnökképzés
Hogyan tovább, kis műholdak?
Kockák után vékony műholdak (1. rész)
Kockák után vékony műholdak (2. rész)
Műholdak mint oktatási segédeszközök (1. rész)
Műholdak mint oktatási segédeszközök (2. rész)
Űrtechnológia és űrkutatás
Magasabb fordulatszámra kapcsolt a magyarországi második országos CanSat verseny.
