A műholdak szerepe a hazai mérnökoktatásban
(Rovat: Korszerű oktatás, Hazai kutatóhelyek és űripar , Kis űreszközök nagy szerepe - 2024.03.26 07:15.)

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