Kockák után vékony műholdak (2. rész)
(Rovat: Kis űreszközök nagy szerepe, Korszerű oktatás - 2020.04.16 07:15.)

A fiatalok megnyeréséhez szükséges műholdkonstrukció lehet a ThinSat.

Az előző részben összefoglaltuk a fiatalok megnyeréséhez szükséges műholdkonstrukcióval kapcsolatos kívánalmakat: rövid idő alatt olcsón, lehetőleg forrasztópáka nélkül, dugdosásos (legó) elven megvalósítható, rövid élettartamú, űrszemetet nem képező legyen, és ne igényeljen földi vevő-/vezérlőállomást. Ellenben biztosítson lehetőséget új, Föld körüli mérések megvalósítására, szabad utat nyitva a fiatalok fantáziagazdag ötleteinek.

Ezen igényeknek kiszolgálása látszik megvalósulni a vékony műholdak célkitűzésében: illeszkedjenek a STEM irányvonalhoz (Science, Technology, Engineering, Mathematics). Az ifjú, miközben a vékony műholdak előállításán dolgozik, kapjon egy átfogó szemléletet a tudomány, technológia, a mérnöki munka és a matematika összefonódásáról, együttes használatának szépségéről. Vonzóvá tételével segítve a tudósok/kutatók, mérnökök társadalmi szinten jelentkező hiányának pótlását. Ezzel a program iskolai oldalról való támogatottsága is megnőtt. Az elsődleges cél a középiskolák/középiskolások megnyerése, de nem zárják ki az általános és felsőfokú oktatási intézményeket sem.

A kevésbé ismert Föld körüli térség vizsgálata

A fiatalok érdeklődését fenntartandó olyan űrrészt kell kutatásuk céljául választani, amelyik kevésbé ismert. A VLEO (nagyon alacsony pálya) vagy az ELEO (extra alacsony pálya) nevekkel a 90–250 km magasságúakat szokták jelölni. Az itt keringő műholdak az ionoszférában mozognak. Ennek a térrésznek a kutatása az utóbbi években az űridőjárás vizsgálata során előtérbe került. Ezt célozta meg az ESA sok pénzt felemésztő, mérsékelt sikert hozó QB50 projektje. Megjegyzendő, hogy az itt mozgó műholdak fékeződése meglehetősen gyors, néhány hónap/hét repülés után elégnek. A rövid élettartam előnyös az alkotók szempontjából, gyorsan jutnak sikerélményhez, és alkotásaikból nem lesz űrszemét. Meglehetősen bőséges szakirodalom áll nyitva a fiatalok számára, mellyel kibővíthetik az egyszerű (pl. hőmérséklet) és bonyolultabb (pl. plazma-jellemzők) mérési palettát.

A mérési eredmények közvetítése az alkotókhoz

A műholdaknál megszokott eljárás, hogy a fedélzeti/mért adatokat a földi állomásokra adják le. Az alacsony pálya rövid idejű földi kapcsolatot tesz lehetővé. Ráadásul létrehozása többe kerülhet, mint a vékony műholdaké. Más utat kellett választani. A 90–250 km-es pálya jóval alacsonyabban van, mint az 1400 km magasságon keringő, 32 műholdból álló, telefonos kapcsolatot, földi adatgyűjtést biztosító Globalstar konstelláció. Az 52°-os dőlésszögű pályán keringő műholdakból álló kommunikációs rendszer jelszava „bármikor–bárhonnan”, de ezt csak a sarkvidéki területek kivételével tudja megtenni. A ThinSatok erre a kommunikációs rendszerre támaszkodnak. Előfizetve a Globalstar szolgáltatásra, nincs szükség földi állomásokra, a vékonyak adataihoz az alkotók egy interneten elérhető oldalon (dashboard, műszerfal) hozzáférhetnek. 2014-ben a TSAT nevű, két egységes (2U, 10 × 10 × 20 cm méretű) CubeSattal végezték az első sikeres Globalstar hálózatra alapozott adatátviteli kísérletet. Érdekesség, hogy a műhold légkörbe lépő, felmelegedési pályaszakaszáról, elégéséről is sikerült adatokat kapni.

Összeférési problémák

A Globalstar alapvetően a Föld–műhold kapcsolatokra készült. Az általa, erre a nyomvonalra alkalmazott 1,6 GHz körüli frekvenciákat a rádiócsillagászat használja. A két rendszer összefért mindaddig, amíg a Globalstar földi állomásai (telefonok, adatgyűjtő rendszerek) csak a Föld–világűr irányba sugároztak. Más a helyzet, amikor az alacsony (LEO) vagy ELEO pályán mozgó, legtöbbször helyzetüket csak meglehetősen bizonytalanul stabilizálni tudó műholdak kezdenek adni a műhold–műhold irányt célozva. Sajnos ezeket a rádióteleszkópok „látják”, így működésüket zavarják. Az amerikai válasz erre, hogy csak abban az idősávban adnak, amikor az antennájuk a világűr (Globalstar) és nem a Föld felé sugároz. Az egyezkedés még napjainkban is nemzetközi szinten zajlik. A ThinSatok esetében az összeférést „segítheti” a mindössze néhány napra tervezett élettartamuk.

A ThinSatok felépítése

Az ár és a pályára juttatás módja került előtérbe. A méretnél illeszkedni kell a 10 cm-es kockákhoz, hiszen ezek már kiforrott pályára juttató, kidobószerkezettel rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy a 10 cm-es kockák térfogatába (1U) kell beleférniük. Lehetőleg minél nagyobb számban! Gondoljunk arra, hogy az 5 cm-es kockákkal (SMOG-P és SMOG-1) éppen az volt a baj, hogy nem lehetett a 10 cm-es kockába elhelyezni. Tehát az alapterület adott, egyetlen szabad paraméter maradt: a magasság. A döntés: hét vékonyat egy kockába. Az így optimalizált magasság 17,44 mm és ez hét ThinSat elhelyezését teszi lehetővé egy durván egy liternyi (1U) térfogatba.

3U szabvány kockaméretbe 21 db ThinSatot helyezhetünk el. Ezek pályára állítás után együtt maradnak. A köztük lévő rugó 30 cm-re távolítja el őket úgy, hogy együtt repüljenek, de ne zavarják egymás működését. Szétnyílik a szorosan összepakolt sor, mintha egy harmonikát nyitnánk. Az így kialakított héttagú csapat első tagja az „anyahajó”, mely a többiektől eltérően GPS alapú helymeghatározással is rendelkezik. Mind a hét fedélzetén van kb. 50 cm² felület a diákok mérésének elhelyezésére, a Globalstar kapcsolathoz rádió (Eyestar radio), részecskedetektor, plazmavizsgáló szenzor, fedélzeti számítógép, energiaellátó rendszer. Természetesen az 1U térfogatokba különböző kiépítésben is elhelyezhetők a kicsik. Pl. teljesen önállóan vagy kettes-hármas elrendezésben. Elkészíthetők nagyobb méretben, pl. 30 × 30 × 5 cm-esben is, úgy, hogy illeszkedjenek a CubeSatok kidobószerkezetébe.

Egy ThinSat belseje. (Kép: Twiggs Space Lab)

A megvalósítás lépései

Az alapelv: a legegyszerűbb eszközökkel, több lépésben megvalósítani a repülő példányt. Minden lépésnek a motivációt fenntartó sikerélménnyel kell zárulni. Az első lépésben a fiatal ismerkedik a számításba jövő szenzorokkal. Készlet (kit) formájában kaphatóak, csak össze kell dugdosni a részeket. A kit iskolai szintű felhasználást elégít ki, és tíz ThinSat megépítését tűzi ki célul. Tartalma: USB programozó, WiFi egység, kijelző, megvilágítás-érzékelő, légnyomás-, hőmérséklet- és magasságmérő szenzorok. WiFi felhasználással kapcsolatot hoz létre a számítógéppel, egyszerű programot fejleszt, ismerkedik az adatok kezelésével. 15 hét munkával megszületik a síkba kiterített műhold, a FlatSat. Ez már egyszerű ballonnal vagy drónnal kis magasságba reptethető. Ne feledjük: minden lépés végén fontos a reptetés. A második lépésben 14 hét munkával a FlatSatot úgy módosítják, hogy az elférjen a ThinSatban rendelkezésére álló térrészben. Az elkészült egység a mérnöki modell részét képezi, és készen áll nagyobb magasságokba történő reptetésre. Ennek lebonyolítására a NearSpace Launch cégnél kerül sor. A reptetéshez szükséges kiegészítő kitben található egységek: 925 MHz-es sávban működő adó-vevő, telepek, GPS szenzor. Természetesen egy, a fenti sávban működő, egyszerű antennával ellátott földi állomásra is szükség van. A reptetés után az egység visszakerül a készítőkhöz az esetleges módosítások elvégzésére. A harmadik lépésben, 8 hétig tartó munka során a mérnöki modell a Twiggs Space Laboratóriumba kerül, ahol az elkészült egységeket átvizsgálják, ha kell, módosítják, űrállóvá teszik, és elvégzik a rázási, termo-vákuum és elektromágneses kompatibilitási (EMC) teszteket. Sikeres tesztek után a ThinSatok startra készek lesznek. A fiataloknak a fejlesztési munkák során nem kell forrasztópákát használni. A kisméretű alkatrészeket hozzáértő technikusok ültetik a panelekbe.

Pályára juttatás, a mért adatok megjelenítése

A hordozórakéta kiválasztásánál nagyon fontos a start időpontjának megbízható tartása, előzetes ismerete és olcsósága. A választás az Antares rakétára esett, melynek második fokozatában helyezkedik el a ThinSatokat magába foglaló, illetve azokat pályára juttató szerkezet. A rakéta a Nemzetközi Űrállomásra indít teherszállítmányt, útközben dobja ki a ThinSatokat. A tervek szerint évi két start várható. A pálya magassága olyan (ELEO), hogy csak néhány napos élettartamot biztosít. A fedélzeti szenzorok által mért adatok a Globalstar adatgyűjtő rendszerén kerülnek a Földre, majd internet hálózat közvetítésével, néhány másodperc késéssel megjelennek a műholdat készítő által, saját számítógépén hozzáférhető műszerfalon. Ez a megoldás biztosítja, hogy a rövid élettartam alatt, a pálya bármelyik részéről adatokhoz lehessen jutni. 2017 áprilisában állt pályára egy 60 darabból álló ThinSat együttes, melyet 3 darab 3U méretű tartóban helyeztek el. Valamennyi középiskolákban készült. Start után 12 különböző darabszámú egységre váltak szét, melyek önállóan repültek. Élettartamuk 50–65 óra között volt. A viszonylag gyors pörgésük miatt az adatcsomagokat csak részben sikerült a Földre továbbítani.

Összefoglalás

Összességében a program első startja sikeres volt. Részletesebb kiértékelés, tanulóktól/ tanároktól érkező értékelés jelen cikk írásáig nem jelent meg. A program egyik célkitűzésének megvalósítása, első lépése – a fiatalabb korosztály közelebb hozása a természettudományokhoz, ezen belül az űrhöz – sikeresnek mondható. A másik tényező, amely a folytatást befolyásolja, a bekerülési összeg. Ez ugyan jóval olcsóbb, mint egy földi állomással megvalósított 1PQ méretű műhold küldetése, de még így is 10 millió forint körül van.

Lesz-e folytatás? Ez a jövőben fog kiderülni.

Dr. Gschwindt András
c. egyetemi docens, BME